Brevet FR2112009A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne les dispositifs garde- temps (montres, pendules, horloges ou analogues), du type comportant, de façon connue, un oscillateur mécanique (balancier, diapason ou analogue), dont le mouvement est entretenu électroniquement sans contact matériel, cet entretien faisant intervenir une transformation des grandeurs mécaniques en grandeurs électriques à l'aide de deux systèmes transducteurs, composés chacun d'une bobine, et d'un élément magnétique coopérant avec elle selon des variations de flux magnétique liées au mouvement de l'oscillateur mécanique.Dans une bobine, dite bobine de commande, les variations de flux consécutives au mouvement de l'oscillateur mécanique induisent périodiquement une force électromotrice (premier système transducteur), Cette force électromotrice est utilisée dans un amplificateur électronique pour fournir périodiquement à l'oscillateur mécanique l'énergie nécessaire à l'entretien des oscillations, par l'intermédiaire d'une seconde bobine, dite bobine motrice, dans laquelle un courant électrique engendre des variations de flux qui provoquent le mouvement de l'oscillateur (deuxième système transducteur). La stabilité de fonctionnement de tels systèmes n'est pas toujours satisfaisante, car ils sont sensibles aux variations de la température ambiante et de la tension de l'alimentation, et le fonctionnement de 11vscillateur peut être entravé par divers incidents mécaniques. Il est alors nécessaire d'introduire une régulation qui agisse sur l'énergie fournie par l'amplificateur électronique. La régulation la plus efficace est faite à partir d'un système capteur sensible à l'amplitude des oscillations mécaniques, qui fait avantageusement partie du premier système transducteur précité. Une telle régulation est sûre dans la mesure où ces transducteurs ont une réponse constante, ctest-à-dire qu' ils ne sont pas sensibles aux causes des variations que lgon veut corriger. De i:is, lorsque la régulation introduit une variation dans l'énergie d'entretien, il est nécessaire de prendre des precantions pour éviter une perturbation des oscillations, ou anisochronisme.Ces precautions prises, cette régulation permet une grande stabilité0 Des dispositifs effectuent une telle régulation par modification du point de fonctionnement de 1'élément actif équipant l'amplificateur sont déåà connus, notamment de par le brevet français NO 879 479. L'élément actif précité est dans ce cas un tube à vide ; l'oscillateur mécanique entretenu est un diapason et les transducteurs utilisés, constitués d'une armature magnétique formant entrefer avec les branches du diapason, armature autour de laquelle est placé un bobinage sen sible au flux magnétique, servent l'un de bobine de commande et l'autre de bobine motrice.Le point de fonctionnement du tube amplificateur est réglé par un deuxième tube à vide qui redresse et filtre, en un seul sens, les alternances captées par la bobine de commande. Ce sont ces fonctions, alplificatioR, redressement et filtrage, qui sont utilisées dans le système électronique à transistors de la présente invention, ainsi que pour la régulation, l'utilisation directe d'impulsions captées par un ou plusieurs transducteurs. La présente invention concerne ainsi l'utilisation d'un étage amplificateur à transistor et d'un étage de régulation, qui modifie le point de fonctionnement du transistor anplifi- cateur, et dans lequel le deuxième transistor effectue le redressement et le filtrage d'une tension captée, fonction de l'amplitude des oscillations mécaniques, d'une lanière proportionnelle à l'amplitude de cette tension captée, donc à l'as- plitude des oscillations mécaniques. Plus particulièrement, l'attention de la Deianderesse a été portée sur la disposition des diverses bobines relativeient à ltoscillateur mécanique, leur utilisation rationnelle dans les systèmes électroniques, et leétude poussée des systèmes transducteurs, dont les conditions de fonctionnement sont essentielles. En effet, si l'oscillateur et les systèmes électroniques sont d'une grande stabilité, ctest la réponse des transducteurs qui conditionne les performances du garde-temps. La présente invention trouve son application préférentielle dans le domaine des horloges munies dtun balancier cir culaire, et detnees a servir kle montres de tord dans lec véhicules automobiles, où elles seront alimentées par le réseau de bord sous des tensions nominales de 6, 12 ou 24 volts. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une bobine d'appoint est mise en série avec la bobine de com mande de amplificateur dans la maille base-émetteur du tran- sistor de régulation. Cette disposition permet une grande liberté en ce qui concerne le choix de l'efficacité de la régulation, comme on le verra plus loin. Dans une réalisation préférentielle, particulièrement adaptée aux montres de bord des véhicules, le garde-temps se compose d'un système électromécanique, constitué d'un balancier circulaire portant des aimants permanents et d'un ensemble de bobines fixes disposées au point mort du balancier, et d'un système électronique dans lequel lesdites bobines tiennent lieu de capteurs et pour l'une d'entre elles, d'agent moteur, système constitué d'une part, d'un étage amplificateur comprenant un transistor, un circuit de polarisation de la base de ce transistor, comportant une résistance et un condensateur, la bobine de commande étant en série avec ce condensateur dans la maille émetteur-base du transistor, la bobine motrice étant placée entre l'émetteur du transistor et l'alimentation, un condensateur de découplage étant disposé entre la base et le collecteur du transistor de manière à éviter son fonctionnement en oscillateur électronique, et d'autre part, d'un étage de régulation dans lequel un second transistor est relié par son émetteur et son collecteur respectivement aux deux bornes du condensateur du circuit de polarisation, de manière à effectuer une fonction de redressement et filtrage, la bobine de commande et la bobine d'appoint précitée étant mises en série dans la maille émetteur-base de ce second transistor. Sur les figures du dessin annexé, est représenté, à titre exemple non limitatif, un mode de réalisation du dispositif selon la présente invention, dans le cas d'un garde-temps à balancier circulaire. Sur les dessins annexés - la figure 1 est une vue de dessus partielle d'un gardetemps à balancier circulaire d'axe li, la figure la étant une ceupe selon la ligne de coupe -aa de la figure 1 - les figures 2a et 2b sont des graphes sur les; 7^ les forces électromotrices respectives de la bobine de of et de la bobine d'appoint sont représentées en fonction du temps ; - la figure 3 est un graphe sur lequel le courant traversant la bobine motrice est représenté en fonction du temps ; - la figure 4 est le schéma électrique du système électronique d'amplification et de régulation ; et - les figures 5 6, 7 et 8 représentent des dispositions préférentielles des bobines motrice, de commande et d'appoint. Le balancier circulaire à spiral, 1, porte des aimants 2 et 2t qui, au point mort, viennent se placer en regard des bobines 3, 4 et 5 (figures 1 et la). Cette disposition est telle que dans les bobines, les forces électromotrices induites sont symétriques par rapport au point mort. Ces foces électromotrices sont dans un sens ou dans l'autre, suivant le sens de passage du balancier au point mort. Sur les figures 2a et 2b, sont représentées pour des bobines de commande 4, et d'appoint 5, respectivement dans un sens de passage puis dans l'au- tre, lesdites forces électromotrices en 6, 7, 8 et 9.Seules les forces électromotrices dans un sens sont utilisées pour engendrer, dans la bobine motrice 3, le courant de commande 10 représenté sur la figure 3 Sur r la figure 4 entre les bornes libres est placée l'alimentation en tension continue nécessaire au montage. Les transistors utilisés sont du type NPN, leurs collecteurs étant reliés au côté positif de l'alimentation. L'étage amplificateur est constitué de façon classique. La bobine motrice 3 est placée entre l'émetteur du transistor amplificateur 11 et le pôle négatif de l'alimentation. Le collecteur de ce transistor est relié directement au pôle positif de l'alimentation. La polarisation de la base du transistor est réalisée par la résistance 12 placée entre le pole positif de l'alimentation et la base, et le condensateur 13, relié d'une part à la base, est mis en série, d'autre part, avec la bobine 4 dont l'autre extrémité est reliée à l'émetteur du transistor 11. Dans le montage de la figure 1, les bobines 3 et 4 présentent un coefficient de couplage relativement élevé. Pour éviter que cet étage ne fonctionne en oscillateur sur une fréquence propre élevée, un condensateur 14 est inséré entre les collecteurs et la base du transistor amplificateur 11. Le point de fonctionnement du transistor 9 dépend de la tension apparaissant aux bornes du condensateur 13, principe bien connu et utilisé par exemple dans l'oscillateur dit de FR0XI. En ce qui concerne l'étage de régulation, il comprend un second transistor 15 qui, avec la résistance 12 et le condensateur 13, réalise la fonction redressement et filtrage des signaux appliqués entre sa base et son émetteur. Son collecteur est relié au point commun de la résistance 12 et du condensateur 13, son émetteur est relié à l'autre borne du condensateur 13, et les signaux servant à la régulation sont appliqués entre base et émetteur, par la bobine de commande 4 mise en série avec la bobine d'appoint 5. Ce montage d'un composant actif avec une résistance et un condensateur est connu, et dérive de circuits classiques à tubes électroniques, tel que celui de *détection plaque". Le montage de l'invention fonctionne de la manière sui vante Les impulsions représentées sur la figure 2a dans le sens positif se retrouvent aux bornes de la bobine 3* En fonctionne ment normal, la résistance 12 et le condensateur 13 polarisent le transistor Il au voisinage de son point de blocage. Seule la partie de l'impulsion 7 située au-dessus de l'axe des abscisses, qui représente la tension moyenne aux bornes du GOR- densateur 13, engendre ainsi une conduction du transistor il fournissant ainsi le courant 10 de la figure 3 dans la bobine motrice 3. Ceci est vrai dans la mesure où la tension aux bornes du condensateur est égale à la tension de seuil baseémetteur du transistor 11.Les variations de tension anz bornes du condensateur 13 permettent donc d'utiliser pkise partie plus ou moins grande de l'impulsion de commande 7 pour fournir, par l'intermédiaire du ourlant 10 une énergie deenJsretien plus ou moins grande0 Les bobines 4 et 5 fournissent au transistor 15 une teu- sion périodique d'amplitude proportionnelle à celle des oscillations mécaniques.Ce transistor a pour fonction de transfor ier cette tension périodique en une tension lentement variable, présente entre le collecteur et son émetteur, ctest-à-dire aux bornes du condensateur 13, cette tension étant de valeur proportionnelle à l'amplitude des impulsions fournies par les bobines 4 et 5, et ses variations étant de signe opposé. La tension continue présente aux bornes du condensateur 13 vars donc en sens inverse de. l'amplitude des oscillations ; la g1 - deur de cette tension, relativement à la tension seuil du transistor 11, va tendre à faire varier lténergie fournie pour l'entretien par le transistor Il au voisinage d'une valeur d'équilibre. La bobine captrice 4 est calculée de telle sorte que la force électromotrice apparaissant à ses bornes soit insuffisante pour débloquer le transistor il lorsque l'amplitude atteint une valeur telle que le condensateur soit déchargé jusqu'à la tension de saturation du transistor 15. La bobine d'appoint 5 est déterminée de façon que l'action conjuguée des bobines 4 et 5 permet le déblocage du transistor 15 lorsque l'amplitude du mouvement atteint la valeur prédéterminée, de l'ordre de 220C par exemple* Cette action conjuguée des bobines 4 et 5 caractérise l'efficacité de régulation de l'ensemble. Ainsi, l'énergie motrice peut se trouver complètement annulée sans qu'il soit nécessaire d'introduire un élément (résistance ou diode par exemple) en série avec le condensateur dans la maille émetteur-base du transistor 11. Par ailleurs, le choix de l'efficacité de régulation, caractérisée par la mise en série des bobines 4 et 5, a des conséquences considérabîrs sur l'importance des dispersions d'amplitude que l'on peut obtenir dans le cas deune fabrication de série. En effet, l'amplitude de fonctionnement dépend essentiellement de la valez de a tension émetteur-base du transi se tor 15 et de celle de ls Corce electromotrce obtenue aux bornes des bobines 4 et 5, ctest-à-dire du bobinage et des caractéristique s des aimants. Etant donné que la variation de l'amplitude en fonction de la valeur des composants est d'autant plus importante que l'amplitude moyenne de fonctionnement est élevée, il est préférable, pour diminuer l'écart entre les amplitudes extrêmes, de réduire au maximum la valeur de cette amplitude moyenne. La valeur de l'amplitude moyenne de fonctionnement, dans le système électronique, varie en raison inverse du nombre de spires des bobines de commande et d'appoint. Le fait de pouvoir choisir un nombre de spires élevé pour ces bobines apporte une grande efficacité de régulation, et permet donc de réduire l'écart entre les amplitudes extrêmes obtenues dans une fabrication de série. Le montage selon l'invention autorise, en utilisant lgal- ternance négative 6 de la bobine de commande 4 dans la maille émetteur-base du transistor 15, à réduire le nombre de spires de la bobine d'appoint 5 tout en bénéficiant des avantages d'une efficacité de régulation importante0 La réalisation d'un tel montage peut faire l'obået de plusieurs variantes qui seront décrites ci-après. Une première variante est représentée sur la figure 5. Les bobines de commande et d'appoint constituent une bobine unique, le point 16 du schéma de la figure 4 doit être alors considéré comme une prise effectuée sur cette bobine. Cette bobine unique est bobinée en même temps que la bobine motrice 3, mais ne comporte pas le meme nombre de spires que cette dernière, le fil de la bobine motrice 3 étant soit introduit, soit sorti en cours de bobinage. Compte tenu du volume disponible pour le bobinage total, la bobine motrice 3 est définée au mieux en nombre de spires et en diamètre de fils en fonction de la tension d'alimentation et suivant la consommation admissible pour les montages. Il faut remarquer que la phase entre les bobines de commande 4, et motrice 3, sera totalement respectée dans le cas où ces bobines auront le meme nombre de spires. La variante représentée sur la figure 6 présente une plus grande facilité de bobinage car elle ne nécessite pas deux arrêts de machine comme dans le cas précédent, mnis un seul avec sortie des deux fils au moment de lSarrt0 Lew hozinK 3 et 4 ont ainsi le même nombre de spires dans le cas de la Figure 6, alors que elles ont un nombre de spires différent dans le cas de la figure So Selon la variante de la figure 7, trois fils, correspondant aux bobines motrice, de commande et d'appoint, sont bobinés simultanément, chacune des trois bobines ainsi constituées ayant ou non le m8me nombre de spires. La variante de la figure 8 est particulièrement intéressante. En effet, la bobine d'appoint 5 comporte plusieurs prises 17 18 oeo 21, la base du transistor 15 pouvant etre réunie au choix à l'une de ces prises. Le bobinage est alors défini de la façon suivante : pour la bobine de commande 4, on adopte le nombre de spires maximal compatible avec la condition d'annulation de l'énergie, pour la bobine d'appoint 5, on adopte un nombre de spires tel que l'amplitude maximale de série soit ramenée au-dessous de 2500 par exemple lorsque la base du transistor 15 est reliée au point 21 puis on définit la prise 17 de façon que, lorsque la base du transistor 15 lui est reliée, l'amplitude minimale soit ramenée au-dessus de 2000 par exemple et enfin, on détermine la bobine motrice 3 de façon à assurer le compromis "effort moteur-encombrement" le mieux adapté au problème particulier.En fabrication, le choix de la prise se fait de la façon suivante t ma base du transistor 15 est reliée au point 21, les différentes prises sont reliées entre elles et les liaisons sont supprimées suc cessivement si l'amplitude obtenue est trop importante0 Il y a lieu de noter, en effet, que l'existence de quelques spires en court-circuit introduit un amortissement relativement fai- ble et que, en conséquence, la suppression d'une liaison cidessus mentionnée, augmentant le nombre de spires actives de la bobine 5, provoque effectivement une diminution de l'amplitude, bien que cette opération réduise simultanément le nombre des spires en court-circuit. Selon une autre variante, l'encombrement dans le cas d'un dispositif conformément au montage préférentiel, ou à l'une des variantes précédentes, est diminué par 11 adoption dune valeur élevée pour la fréquence d'oscillation du sème balan citer0 En effet, on sait que la force électromotrice obtenue aux bornes des bobines est proportionnelle à la fréquence et que, par conséquent, le fonctionnement nécessite d'autant moins de spires que la fréquence est plus élevée.Le principal inconvénient de l'accroissement de la fréquence d'oscillation est qusil entrain une majoration importante des frottements et nécessite donc une énergie accrues Cet inconvénient devient mineur dans le cas du dispositif suivant l'invention pour lequel, d'une part, on dispose d'une réserve importante de couple moteur, surtout lorsque la tension d'alimentation est relativement élevée comme c'est le cas pour une montre de bord de véhicule automobile, et d'autre part dans lequel un accroissement éventuel du nombre de spires de la bobine motrice 3, destiné à augmenter l'énergie motrice, entrasse l'accroissement du nombre de spires de la bobine de commande 4 exclusivement, la bobine d'appoint 5 n'étant pas concernée. Par ailleurs, on peut noter, comme il a été indiqué plu haut, que l'amplitude de fonctionnement dépend de la tension base-émetteur du transistor 1, qui est très variable avec a température. Selon l'invention, le mouvement comporte des aimants de coefficient de température négatif et voisin de celui de la jonction base-émetteur du transistor 15. Par exemple, les aimants sont en ferrite et le transistor 15, au moins, en silicium. Ainsi, le couple aimants-transistor-de régulation est peu sensible à la température et l'amplitude demeure pratiquement la même dans une large gamme de températures. En outre, dans ce dernier cas, le fait que le coefficient de température des aimants soit légèrement plus faible que celui de la onction entrain une légère augmentation de 1aampQi- tude au froid. Ceci permet de compenser 11 accroissement des frottements résultant de l'épaississement des huiles. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précis décrits ; en particulier on peut utiliser des transistors de même type (pnp ou npn) ou de types différents (pnp et n.p.n.) dans les schémas de montage de l'inven- tion. REVENDICASIONS 1) Un dispositif garde-temps, dans lequel le mouvement est entretenu sans contact matériel par des moyens électroni que s, constitué d'une part d'un système électromécanique composé d'un oscillateur, par exemple d'un balancier, portant un équipage magnétique, et d'un ensemble de bobines fixes disposées au point mort de l'oscillateur, comprenant au moins une bobine de commande et une bobine motrice, et d'autre part d'un système électronique composé d'un premier étangeasplifi- cateur utilisant un transistor, avec un circuit de polarisation de la base de ce transistor, comprenant une résistance et un condensateur, et dtun deuxième étage de régulation, utilisant un second transistor, de meAme type que le premier, relié par son émetteur et son collecteur respectivement aux deux bornes du condensateur précité, de manière à effectuer une fonction de redressement et filtrage, caractérisé en ce que, dans le système électronique, la bobine motrice est disposée entre l'émetteur du transistor amplificateur et l'alimentation en tension continue, la bobine de commande est en série avec le condensateur du circuit de polarisation de base dans la maille émetteur-base du transistor amplificateur, et en ce qu'une bobine d'appoint est en série avec la bobine de commande dans la maille émetteur-base du second transistor affecté à la régulation0 2) Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions relatives de l'équipage magnétique et des bobines sont telles que les forces électromotrices induites dans les bobines de commande et d'appoint et le courant fourni par 11 amplificateur à la bobine motrice sont symétriques par rapport au point mort. 3) Un dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'équipage magnétique et le seuil du transistor de régulation ont des coefficients de température voisins et de même signe, l'équipage magnétique pouvant notamment être constitué d'aimants en ferrite et le transistor de régulation être un transistor au silicium. 4) Un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un mode de bobinage simultané de la bobine motrice avec un premier fil et des bobines de commande ew dCap point avec un second fil, ce mode de bobinage comportant 'in- troduction et/ou la coupure du fil de la bobine motrice en cours de bobinage0 5) Un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le bobinage simultané des trois fils correspondant aux bobines motrice, de commande et d'appoint. 6) Un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bobine d'appoint comporte une ou plusieurs prises pouvant être reliées au choix à la base du transistor de régulation, selon les besoins de la régulation. 7) Un dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en combinaison par la valeur élevée de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur et le nombre réduit des spires des bobines. 8) Un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système électronique utilise un transistor de type NPN et un transistor de type PNP, les modifications ainsi apportées conservant les fonctions réalisées par ledit système électronique et les diverses bobines étant mises on oeuvre de la meAme façon0 9) Un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la disposition coaxiale des bobines, notamment de la bobine d'appoint par rapport aux deux autres