Staiger Chrometron CQ 2002

Beschreibung

Bei der neuen Konstruktion wurden die Erfahrungen ausgewertet, die in den vergangenen 2 1/2 Jahren bei der Produktion der Typen CQ 2000 und 2001 gesammelt werden konnten.

Obwohl gegenüber den Vorgängerwerken im Prinzip unverändert, wurde bei der Entwicklung der neueste technologische Stand berücksichtigt. Dadurch ergeben sich Einsatzmöglichkeiten auf Gebieten, für die sich die Typen 2000 und 2001 nicht eigneten.

Das neue Werk hat wie seine Vorgänger folgende Funktionsgruppen:

Steuerquarz
Vollintegrierte Elektronik
Elektronischer Wandler mit Schrittschaltwerk und springender Sekunde

Nun zu den Besonderheiten der drei Funktionsgruppen:

1. Steuerquarz

Zu den hohen Anforderungen, die an den Steuerquarz einer Quarzuhr gestellt werden, gehören:

Extreme Frequenzstabilität
Schocksicherheit
Temperaturunempfindlichkeit
günstigste Voraussetzungen für Serienproduktion.

Diese Bedingungen erfüllt der hochfrequente Steuerquarz im AT-Schnitt optimal. Bei dieser Schwingungsart handelt es sich um einen "Dickenscherungsschwinger", der bei 4 MHz vorwiegend als runde oder quadratische planparallele Scheibe ausgetührt wird. Die größte Amplitude ist in der Mitte der Scheibe. Sie wird nach außen immer kleiner und ist in der Randzone praktisch Null. Deshalb ist es möglich, die Quarzscheibe am Rand in einen Halter test einzuspannen. Dieser Halter besteht aus zwei stabilen Federbändern, die mit den Anschlußdrähten am Bodenteil fest verbunden sind. Die Quarzscheibe wird an den Einspannstellen mit dem Halter leitend verkittet, um die Stromzuführung zu den auf der Quarzscheibe aufgedampften Elektroden (Beläge aus Silber) sicherzustellen. Diese Anordnung ist sehr stoß- und vibrationsfest und läßt sich leicht fertigen.

Der Steuerquarz des CQ 2002 schwingt mit der Frequenz 2²² = 41943O4 Hz. Die Festlegung dieses Wertes war notwendig, da die Quarzscheibe erst bei dieser Frequenz planparallel, ohne Facettierung am Rand, geschliffen werden kann. Dieser Schlift ist kostensparend. Eine höhere Frequenz kann bei den von uns festgelegten Energieverhältnissen mit den derzeit bekannten Technologien in der Elektronik noch nicht bewältigt werden. Bei der ausgewählten Frequenz 4,19 MHz wurde die derzeit ideale Abstimmung bezüglich Energieaufwand und Herstellungskosten gefunden.

Neben der hohen Stoßfestigkeit des AT-Quarzes ist sein Temperaturverhalten eine besonders positive Eigenschaft. Die bisher verwendeten Quarze im X-Schnitt (Biegeschwinger 16 bzw. 32 kHz) oder im DT-Schnitt (Flächenscherungsschwinger, z.B. 262 kHz) haben eine parabolische Temperaturabhängigkeit. Frequenzänderungen bei Temperaturen unter oder oberhalb des Umkehrpunktes (Scheitelpunkt der Parabel) addieren sich. Diese Quarze sind deshalb für den Betrieb bei extremen Temperaturen nicht geeignet.

Der hochfrequente Quarz im AT-Schnitt hingegen hat ein Temperaturverhalten entsprechend einer Glelchung dritten Grades. Frequenzänderungen bei hohen oder tiefen Temperaturen werden kompensiert. Die Temperaturkurve ist S-förmig. Sie gleicht einem llegenden S, wobei man durch geringe Anderung des Schnittwinkels die Kurve so drehen.kann, daß sie im Bereich der Raumtemperatur praktisch waagerecht verläuft. Die Abbildung zeigt typische Temperaturkurven verschiedener AT-Quarze. Die Abweichung bei 0^oC und + 40^oC liegt im Durchschnitt unter 4 x 10^-6. Besonders dadurch ergeben sich die zusätzlichen Anwendungsgebiete

Die Alterung eines Steuerquarzes hängt im wesentlichen von seiner Verarbeitung, der Befestigung im Halter sowie der Sauberkeit und Dichtheit des Gehäuses ab. Die Alterung wird von der Frequenz nicht beeinflußt. Deshalb gelten für den hochfrequenten Quarz dieselben Bedingungen wie für die niederfrequenten Quarze, die sich in der Praxis schon bewährt haben. Alterungsraten von 2-5 x 10^-6 pro Jahr reichen für die Steuerung von Uhren aus, zumal der Wert ständig abnimmt und die Frequenz der Uhr vom Benutzer mit dem Trimmer in geringem Umfang korrigiert werden kann.

Für den 4 MHz-Quarz werden vorwiegend Gehäuse der Normgröße HC-6 verwendet, da sich dadurch sehr günstige Fertigungsabläufe ergeben. Diese Größe wird bekanntlich für den Farbhilfsträgerquarz in Farbfernsehgeräte eingesetzt, dessen Frequenz ebenfalls im 4-MHz-Bereich liegt.

2. Elektronik

lm Chrometron-Quarz-Werk CQ 2002 findet erstmals bei unseren Quarzuhren ein integrierter Schaltkreis in CMOS-Technik Anwendung. Nur bei dieser Technologie ist es möglich, einen hochfrequenten Oszillator mit einem Energieaufwand zu betreiben, der einer Trockenbatterie (Babyzelle) angepaßt ist und damit eine Laufzeit von mehr als einem Jahr garantiert. Die bisher verwendete Bipolar-Technik scheidet wegen des höheren Energiebedarfs aus.

Der integrierte Schaltkreis besteht aus den Funktionsgruppen:

Oszillator
Treiber
Frequenzteiler.

Dank des guten Wirkungsgrades des Chrometron-Schrittschaltwerkes war es möglich, den Treiber ohne zusätzliche externe Bauelemente an den Wandler anzupassen. Der Oszillator zeichnet sich durch eine hohe Stabilität gegenüber schwankender Batteriespannung aus. Die Frequenzänderung liegt bei weniger als 0.1 x 10^-6s/1OO mV Spannungsänderung, gemessen am Treiberausgang.

Als externe Bauelemente sind außer dem Quarz vorhanden:

2 Festkondensatoren,
eine große variable Kapazität für den Grobabgleich
sowie eine kleine variable Kapazität für den Feinabgleich von außen.

Für die variablen Kapazitäten werden Folientrimmer verwendet, die sich bisher bei CQ 2000 und 2001 sehr gut bewährt haben.

Der Frequenzteiler arbeitet, wie bekannt, mit bistabilen Kippstufen und teilt die Oszillatorfrequenz im Verhältnis 2²² (22 Teilerstufen). Die Ausgangstrequenz beträgt 1 Hz. Das Ausgangssignal mit dem Testverhältnis 1:1 wird in der Treiberstufe differenziert, verstärkt und den Erfordernissen des elektromechanischen Wandlers angepaßt. Die Dauer des lmpulses am Ausgang des Treibers beträgt 31,2 ms. Die Amplitude des Ausgangsimpulses ist nicht spannungsstabilisiert. Eine Spannungsstabilisierung, wie bei bipolaren Schaltkreisen, ist bei der CMOS-Technik nicht möglich. Deshalb wurde der Wandler stabilisiert.

Der große Vorteil der CMOS-Technik besteht darin, daß die gesamte Schaltung mit sehr wenig Strom betrieben werden kann. Trotz der hohen Frequenz von 4 MHz werden nicht mehr als 80-120 µA benötigt.

Die Mindestspannung beträgt derzeit 2V, so daß zum Betrieb zwei Batterien mit je 1,5V erforderlich sind. Es werden aber vermutlich noch in diesem Jahre Schaltkreise zur Verfügung stehen, die mit 1,2V arbeiten und deshalb mit einer Batterie auskommen.

3. Elektromechanischer Wandler

Diese Baugruppe entspricht im Prinzip dem Chrometron-Quarzwerk CQ 2001. Es wurden jedoch, gegenüber der 1972 vorgestellten Ausführung, eine lmpulsstabilisierüng, sowie einige kleinere Anderungen bzw. Verbesserungen durchgeführt. Die lmpulsstabilisierung, die seit Herbst 1972 auch bei CQ 2001 eingebaut ist, wirkt wie nachstehend beschrieben:

Koaxial zum Sekundenrad ist auf einer Platine ein Hebel drehbar gelagert. An diesem Hebel sind eine Zugklinke und eine zylindrische Schraubenfeder befestigt. Der Angriffspunkt der Feder am Hebel kann wahlweise verändert werden. Die Feder ist am Werksgestell eingehängt und zieht den Hebel mit der Klinke bis an einen einstellbaren Anschlag. Die Kraft der Feder wirkt über die Zugklinke auf die Zähne des Rades. Da die Federkraft stets konstant ist, ist auch das Drehmoment am Sekundenrad stets konstant.

Kommt ein elektrischer lmpuls auf die Drehspule, dreht sich diese um einen bestimmten Winkelbetrag. Dabei lenkt die Spule den Schalthebel aus. Durch diesen Vorgang fällt die Zugklinke in den nächsten Radzahn ein. Die Feder wird hierbei stets gespannt. Hierfür muß das minimale Drehmoment der Spule ausreichen.

Dies ist bei der Batteriemindestspannung gewährleistet. Höhere Batteriespannungen bzw. höheres Spulendrehmoment haben somit keinen Einfluß auf das Drehmoment am Sekundenrad.

Die Kraftübertragung der Drehspule auf den Schalthebel bzw. die Feder erfolgt über ein elastisches, gabelförmiges Kupplungsglied, das die Bewegungen der Spule weich dämpft. Außerdem ist der Wandler CQ 2002 mit Bauelementen für den Einbau einer elektrischen Weckeinrichtung und eines Datumwerkes versehen.

Die außerordentlich weitgehende Verwendung hochwertiger Kunststoffe für präzise Funktionsteile wurde bei der Konstruktion beibehalten, da die bisherigen Erfahrungen ausgesprochen positiv waren.

Das Prinzip des Schrittschaltwerkes mit einer elektrodynamisch wirkenden Drehspule wird auch im CQ 2002 verwendet und wurde hierfür weiterentwickelt, weil dieses Prinzip im Wirkungsgrad, in der Funktionssicherheit und in den Herstellkosten kaum von einem anderen Wandlerprinzip, bei der Verwendung in Großuhrwerken, übertroffen werden kann. Bewußt wurde auch nicht auf die springende Sekunde verzichtet, weil nur durch diese Art der Anzeige mit größtmöglicher Genauigkeit abgelesen werden kann.

Anwednungsbereiche

Wie schon erwähnt, eröffnen sich mit dem hochfrequenten Quarzwerk CQ 2002 neue Anwendungsbereiche, in denen die bisherigen Konstruktionen mit Biegeschwingern, wegen der bekannten Schockempfindlichkeit und Temperaturabhängigkeit, nicht eingesetzt werden konnten. Es seien nur einige genannt:

Präzisionszeitmesser für Kraftfahrzeuge (Zweituhren zum nachträglichen Einbau)
Bordchronometer für Schiffahrt und Luftfahrt Taschenchronometer>
Reisewecker bzw. tragbare Timer
Anwendungen in der Steuer- und Regelungstechnik

Das neue Hochfrequenz-Quarzwerk CQ 2002 wird zunächst in einem Universal-Timer eingebaut. Dieser Zeitmesser, als Terminuhr für den Schreibtisch oder als Wecker gedacht, ist mit Datum, Bdleuchtung und einer Weckeinrichtung ausgestattet. Das akustische Signal wird von einem elektronischen Summer erzeugt. Eine elektronische Intervallschaltung unterbricht den Dauerton nach etwa 5 Sekunden tür jeweils 1 Minute. Dieses Gerät ist handlich und hat ein klar ablesbares Zifterblatt. Die Bedienungselemente sind bequem zu handhaben, der Zeigerrichtknopf liegt unter dem Rückwanddeckel.

Ausblick auf weitere Entwicklungen

Mit der Entwicklung des hochfrequenten Quarzuhrwerkes CQ 2002 wurde ein weiterer markanter Zielpunkt der uhrentechnischen Entwicklung erreicht. Zukünftige Arbeiten dürften sich überwiegend mit der technischen Vervollkommnung dieses Systems und mit dessen rationeller Produktion befassen.

Für die Elektronik wäre zu wiederholen, daß die Spannung zu senken ist, um mit 1,5 V arbeiten zu können.

Das Bemühen um technischen Fortschritt und optimale Qualität sowie das Bestreben, dem Verbraucher ein hochwertiges und trotzdem preiswürdiges Gerät in die Hand zu geben, waren nicht zuletzt die Beweggründe für die Konstruktion des neuen Werkes.

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