Bau einer elektrischen Halbsekunden-Pendeluhr Teil 2 -Der elektromagnetische Antrieb

Manche Zeitgenossen sind der Meinung, alle Zeitmesser, in die man eine Batterie einsetzen muß, heißen Quarzuhren. Dabei ist eine elektromechanische Uhr ihrem Wirkprinzip nach eigentlich eine mechanische Uhr, und viele uns von dort bekannten Gesetzmäßigkeiten gelten für sie ebenso. Elektrisch ist nur die Energie, die unsere Uhr am Laufen hält.


Unser Zeitnormal ist ein mechanisches Schwingsystem, meistens sind es Pendel oder Unruhen. Während dessen Schwingung findet ständig eine Energieumwandlung statt, und das Schwingsystem ist umso unempfindlicher, desto größer diese hin- und hergeschobene Energiemenge ist. Beschränken wir uns im Folgenden auf das Pendel, da sich ja der Text auf die Halbsekunden-Pendeluhr bezieht. Wegen der hier stattfindenden Umwandlung von Bewegungs- in Lageenergie und umgekehrt müssen wir es  so schwer wie möglich machen und dafür sorgen, daß der Energieverlust gering bleibt. Anders als bei der Unruh ist uns hier die Möglichkeit, durch eine größere Amplitude und Frequenz die Energie zu erhöhen, versagt. Die Pendelschwingung ist nicht isochron, und das umso mehr, je höher das Pendelgewicht gegenüber der Nullage beim Ausschwingen angehoben wird. Dem System  Pendel wird nun durch Reibung in der Luft und der inneren Reibung der Pendelfeder Energie entzogen, solange wir es nicht noch mit einem Uhrwerk verbinden. Ein oft vernachlässigtes Schlupfloch, durch welches auch Energie entwischt, ist die innere Reibung im Material der Aufhängung, wenn diese beginnt, mit dem Pendel mitzuschwingen. Deshalb soll das Gestell so schwer und massiv wie möglich sein, oder wir befestigen die Uhr eben an einer massiven Wand.




Verbinden wir das Pendel mit dem Uhrwerk, entziehen wir ihm zusätzlich Energie. Bei der mechanischen Uhr geschieht diese Verbindung durch die Hemmung, die den freien Ablauf des federbelasteten Laufwerkes hemmt und ihm den Takt des Schwingsystems aufzwingt, wobei sie ihm im gleichen Rhythmus Energieimpulse zur Auslösung entzieht und durch die Hebung wieder zuführt. Bei der elektromechanischen Uhr gibt es eine vergleichbare Antriebsbaugruppe, die aber völlig andere Aufgaben übernehmen muß. Das Laufwerk ist nicht federbelastet, sondern wird angetrieben und ist hier vergleichbar mit einem Zählwerk. Es gibt nun zwei Arten, wie das Schwingsystem diesen Antrieb steuert.


Beim direkten Antrieb ist das Schwingsystem selbst der Motor (es gibt sogar den Begriff "Motorpendel"). Das Pendel wird durch elektromagnetische Kraftimpulse angetrieben und treibt durch einen Fortschaltmechanismus das Laufwerk. Während dieses Antriebes müssen auch im richtigen Moment durch eine geeignete Mechanik die Kontaktschlüsse gesteuert werden.

direkter Antrieb bei Alexander Bain

Der indirekte Antrieb ist eigentlich nichts weiter wie eine mechanische Uhr, die eine Hemmung mit einer elektrischen Nachspannvorrichtung besitzt. Das Nachspannsystem entspricht einer mechanischen Hemmung, die aber nicht den Ablauf des Laufwerkes hemmt, sondern einen Energiespeicher blockiert. Das Schwingsystem löst diese Blockierung, die gespeicherte mechanische Energie gibt ihm den Kraftimpuls. Ist der Energiespeicher entladen, schließt er einen Kontakt, wodurch er, während das Schwingsystem seinen Ergänzungsbogen schwingt, durch einen Elektromagneten wieder bis zum Einrasten der Blockiermechanik (=Hemmung) gespannt wird. Während dieses "Aufzugsvorgangs" wird auch das Laufwerk vom Nachspannmechanismus weitergeschalten, so daß das Schwingsystem davon "entlastet" wird. Solche Uhren, die es als Pendeluhr (Synchronome) und Unruhuhren (GUB Elektrochron) gibt, erreichen wegen der konstanten Antriebsenergie und der Entkopplung des Schwingers vom Laufwerk sehr hohe Gangleistungen.

indirekter Antrieb einer Synchronome-Sekundenpendeluhr

Totpunktfeder-Hemmung der GUB Elektrochron

elektromagnetischer Antrieb der GUB Elektrochron

Trotzdem habe ich mich beim Bau meiner Uhr zunächst für den direkten Antrieb entschieden. Wer die zuvor genannten Uhren kennt, kann sich auch denken, warum. Das "Aufladen" des Energiespeichers muß in einer sehr kurzen Zeit geschehen, sozusagen schlagartig. Und dieses Wort umschreibt auch ganz gut die Geräuschentwicklung solcher Uhren. Direkt angetriebene Uhren dagegen haben nur die Fortschalt- und Kontaktmechanik als Geräuschquelle, und beides geht bei einem Halbsekundenpendel noch recht weich vonstatten.


Durch die Energieabgabe des Pendels an das Laufwerk und die -zufuhr durch den Elektromagneten entstehen Stöße auf das Pendel, die dessen Schwingungsdauer beeinflussen. Wie diese Stöße auf die Schwingungsdauer wirken, hängt von deren Lage und Richtung bezogen auf die Nullage des Pendels ab. Ein Stoß von der Mittellage weg verlangsamt die Schwingung, zur Mittellage hin beschleunigt er sie. Das ist eigentlich recht einleuchtend, schwieriger wird es, die wirkliche Kraftrichtung im Einzelnen zu bestimmen, da man sich nicht von der augenblicklichen Bewegungsrichtung des Pendels irremachen lassen darf. Es zählt die Richtung des Impulses.




Beispiel eines Stoß-Bewegungs-Schemas einer direkt angetriebenen elektromechanischen Pendeluhr.

Außerdem steht die Wirkung der Stöße im Verhältnis zu der kinetischen Energie, die das Pendel im Moment gerade hat. Und die nimmt von der Mittellage zu den Umkehrpunkten hin ab. Deshalb sollen ja alle möglichen Störungen möglichst nahe an der Mittellage erfolgen, auch wenn eine mechanische Hemmung dann aufgrund der hohen Geschwindigkeit die größten Probleme hat, überhaupt Kraft zu übertragen. Aber das ist eine Frage des Wirkungsgrades und nicht der Ganggenauigkeit. Für letztere ist ein freier Ergänzungsbogen des Schwingers sehr wichtig.




Schon alleine diese Betrachtung führt schnell zu dem Schluß, daß auch beim elektrisch direkt angetriebenen Pendel höchste Anforderungen an die Qualität aller mechanischen Bauteile, die direkt mit dem Pendel zusammenwirken, gestellt werden müssen. Es geht darum, die bremsenden Stöße, die das Pendel durch die Energieabgabe zum Antrieb des Laufwerkes zwangsläufig erhält, möglichst gleichmäßig zu halten. Nimmt man ein einfaches Pendel und koppelt es mit einer Schubklinke, welches nur ein Rad fortschaltet, kann man das schon gut beobachten. Gibt man dem Rad eine Unwucht und mißt die Pendelfrequenz mit Hilfe eines optischen Aufnehmers und der Zeitwaage, wird man eine Schwankung der Schwingungsdauer  im Rhythmus der Unwucht des Rades feststellen. Das liegt an dem schwankenden Drehwiderstand, der sich als Stoß auf das Pendel bei jeder Fortschaltung überträgt. Deshalb sollten bei allen Pendeluhren, auch bei mechanischen, sämtliche Teile des Räderwerkes ausgewuchtet sein. Bei mechanischen Uhren würde sich eine Unwucht im Räderwerk, die auch durch die Zeiger verursacht werden kann, auf die Stärke der Auslösung und der Hebung auswirken.


Deshalb ist die Anforderung an die Qualität des Laufwerkes bei mechanischen und direkt angetriebenen elektrischen Uhren die gleiche. Auch die Forderung an Zeitdauer, Lage und Gleichmäßigkeit der Antriebsimpulse ist gleich hoch, nur daß sie eben bei elektrischen Uhren anders erzeugt werden. Und da gibt es einige Besonderheiten zu beachten.






Damit der Antriebsimpuls des Elektromagneten so nahe wie möglich im Bereich der Schwingungsmitte erfolgt, wäre ein kurzer, kräftiger Impuls von Vorteil. Hier stoßen wir auf den ersten großen Nachteil des direkten Antriebes, der durch den Effekt der Selbstinduktion von Spulen entsteht. Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem sich verändernden Magnetfeld, so wird in ihm eine elektrische Spannung erzeugt. Dabei ist es egal, woher das Magnetfeld kommt und wie es sich verändert. Als Veränderung zählt, wenn der Leiter sich im konstanten Feld bewegt und dabei Feldlinien schneidet oder wenn sich die Dichte des den Leiter umgebenden Magnetfeldes ändert. Legen wir eine Spannung an unsere Spule, steigt ihr Magnetfeld von Null zum maximalen Wert an. Die Wicklungen der Spule befinden sich also in ihrem eigenen sich verändernden Magnetfeld, wodurch nach dem Lenzsche'n Gesetz dort eine der verursachenden Stromänderung entgegengerichtete Spannung erzeugt wird. Beim Einschalten verlangsamt sie also das Erreichen unseres Arbeitsstromes. Bei unserer Halbsekunden-Pendeluhr zum Beispiel dauert eine Halbschwingung 500ms. Bei einem guten Kontaktwerk dauert der Kontaktschluß 100ms, was übrigens um einiges kürzer als die Hebungsdauer einer mechanischen Hemmung ist. Mit einem Ohmmeter und der Pendelskale läßt sich der Pendelweg, während dem der Kontakt geschlossen ist, leicht ermitteln. Die Zeit ergibt sich, wenn man die Wege mit der Halbschwingungsdauer ins Verhältnis setzt. Ich habe mit dem Oszillographen gemessen, daß bei meiner Pendeluhr nach 2ms die volle Spannung erreicht wird. Die Verzögerung beim Erreichen des Arbeitsstromes durch die Selbstinduktion können wir also bei einer solchen Uhr vernachlässigen.

Ein- und Abschaltstromverlauf durch eine Spule (Quelle: Elektrotechnik von Ing. Werner Großstück)

Die gleiche Wirkung wie beim Schließen des Kontaktes haben wir, wenn wir den Stromfluß unterbrechen. Das zusammenbrechende Magnetfeld der Spule erzeugt wieder eine Spannung in deren Wicklungen, wieder der Ursache entgegen gerichtet und damit in der gleichen Richtung wie die Arbeitsspannung. Die kann aber nicht abfließen, da ja der Kontakt schon geöffnet ist und erreicht schnell Vielfache Werte der Batteriespannung. So kann sie am sich öffnenden Kontakt einen Lichtbogen oder Funken erzeugen, um darüber abzufließen. Dieser Lichtbogen würde in kurzer Zeit die Oberflächen unserer Kontakte zerstören, es entstehen Zunderschichten, die isolierend wirken. Die Uhr würde stehenbleiben. Wenn wir das wissen, können wir nach Möglichkeiten suchen, dem Strom unschädlichere Wege zu bauen. Natürlich ist es aber erst mal besser, schon das Entstehen hoher Spannungen zu vermeiden.
Der konstruktive Kennwert für die entstehende Selbstinduktionsspannung der Spule ist deren Induktivität. Diese hängt davon ab, wie eng die Magnetfeldlinien gebündelt sind. Da wir eine punktuelle Wirkung des Magnetfeldes für den Antrieb brauchen, können wir die Induktivität nicht beliebig absenken. Wir sollten große Spulendurchmesser vermeiden und nach Möglichkeit keine Eisenkerne verwenden. Denn diese erhöhen die Induktivität beträchtlich. Ganz können wir das nicht vermeiden, weil schon der eintauchende Magnet ja einen Eisenkern darstellt.

geschlossener Eisenkreis bei einem Hipp`schen Antrieb

Zum Ableiten des Selbstinduktionsstromes beim Ausschalten gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Früher wurde oft parallel zum Kontakt ein Kondensator geschalten (kennt man vom Zündunterbrecher), in den die Spannung als Ladung abfließen kann. Wesentlich wirkungsvoller ist aber das Kurzschließen des Selbstinduktionstromes direkt an der Spule. Früher wurde dazu durch einen zweiten Kontakt unmittelbar nach dem Öffnen die Spule kurzgeschlossen. Das findet man vor allem bei frühen Uhren von Hipp.

Kurzschlußkontakt (im Bild rechts) an einer Hipp'schen Kontaktwippe

Heute hat man die Möglichkeit, parallel zur Spule eine Diode zu schalten. Die sogenannte Freilaufdiode wird so eingefügt, daß sie zur anliegenden Betriebsspannung in Sperrichtung liegt. Nach dem Öffnen des Kontaktes ist nun die Spule die Spannungsquelle, und die anliegende Selbstinduktionsspannung kann über die Diode abfließen.

Freilaufdiode an der Spule der GUB Elektrochron

Durch den durch die Spule kreisenden Kurzschlußstrom wird aber wiederum ein starkes Magnetfeld erzeugt, welches, da es sehr spät auftritt, den Schwinger unter Umständen abbremsen kann. Um das zu vermeiden, kann man durch Reihenschaltung der Diode mit einem 100 Ohm-Widerstand den Stromfluß begrenzen. Eine solche Schaltung hat sich zum Schutz der Kontakte in der Praxis am besten bewährt. Die Selbstreinigung der Kontakte durch die Reibung ist jetzt größer als der Abbrand. Auch LED sind sehr gut geeignet, und man kann durch ihren Lichtblitz auch optisch die Lage des Impulses kontrollieren.


Die Spule ist aber nur ein Bauteil des Antriebes, sie muß mit einem zweiten Bauteil zusammenwirken, damit ihr elektromagnetisches Feld eine Antriebskraft erzeugen kann. Das können Anker aus Weicheisen, Dauermagneten oder eine zweite Spule sein. Der Kraftwirkung ist es dabei egal, ob die Spule sich mit dem Pendel bewegt und der Magnet feststeht oder umgekehrt. Beide Bauformen wurden schon realisiert, und auch hier muß man den für das eigene Empfinden richtigen Kompromiß finden. Entscheidend ist letztendlich die Qualität und Durchdachtheit der Ausführung.


Was beim direkten Antrieb von Schwingsystemen überhaupt gar nicht geht, ist ein Zusammenwirken von Spulen mit Eisenkern und einem Dauermagneten als Anker. Das würde auf das Pendel wie eine Raste wirken. Es macht wohl niemand absichtlich, aber durch den Restmagnetismus solcher Eisenkreis-Spulen kann es ungewollt dazu kommen.


Bei Brillie- und ATO-Uhren schwingt ein Stab- oder Hufeisenmagnet am Pendel in eine feststehende Spule ein.




Magnetfeld eines Brillié-Pendelmagneten

Es ist meiner Meinung nach die sicherste und wirkungsvollste Anordnung, aber sie hat auch ihre Eigenheiten. Ganz Schlaue werden jetzt an das auf den Pendelmagneten wirkende Erdmagnetfeld denken, aber das kann man vernachlässigen, solange wir die Uhr nicht ständig herumdrehen. Aber denken wir an das zu Beginn Gesagte: ein sich änderndes, in dem Fall sich zum Leiter bewegendes Magnetfeld erzeugt in einem elektrischen Leiter eine Spannung. Es dürfen sich also in der Nähe des pendelnden Magneten keine feststehenden Metallteile befinden. Die im Metall induzierte Spannung würde darin kreisende Ströme, sogenannte Wirbelströme, erzeugen. Dadurch würde ein Teil der Bewegungsenergie des Pendels in elektrische Energie umgewandelt werden und wir würden unser Pendel abbremsen. Die Metallspulenkörper der Brillie sind deshalb geschlitzt, so daß zumindest keine umlaufenden Wirbelströme fließen können. Trotzdem würde ich jegliches Metall in der Nähe des Magneten vermeiden. Manche ATO-Uhren haben gegenüber der Spule einen Ring aus Kupfer montiert, in den das andere Ende des Magneten eintaucht. Hier nutzt man bewußt die Bremswirkung, um das Pendel bei zu großen Amplituden abzubremsen. Wenn man genau hinschaut, dann wird auch die Spule von Messingringen gehalten, das würde ich aus dem Grund nicht so machen. Aber die ATO ist ja auch keine Präzisionsuhr.

Kupferring als "Wirbelstrombremse" an einer ATO

Bei einer Präzisionsuhr sollte man auch schon durch geeignete Kontaktvorrichtungen dafür sorgen, daß die Amplitude nicht zu stark anwächst und nicht versuchen, den Fehler dann nachträglich am Pendel zu korrigieren.




Arbeiten wir mit einer Freilaufdiode, die die Spule kurzschließt, müssen wir daran denken, daß die Kombination Spulenwicklung und sich darin bewegender Magnet einen Generator darstellt, der ebenfalls eine Spannung erzeugt und dem Pendel dadurch Energie entzieht, wenn ein Stromfluß in der kurzgeschlossenen Spule zustande kommt. Bei einer LED kann man das sehr gut durch das Aufblitzen beobachten, das auch auftritt, wenn gar keine Batterie in der Uhr ist. Auch aus diesem Grund ist der zusätzliche Widerstand im Kurzschlußkreis sehr wichtig.


In Hinblick auf die Wirbelströme sind feststehende Magnete, wie sie bei den Bulle-Clocks verwendet werden, natürlich besser. Was diese Sache so kompliziert macht, ist die Stromzuführung zur bewegten Spule, besonders für eine Präzisionsuhr. Wir brauchen von der Pendelaufhängung bis zur Spule zwei voneinander isolierte Metallstäbe. Da käme nur ein Leiterpendel mit zwei Invarstäben in Frage. Natürlich kann man auch einen Invarstab nutzen und einen dünnen Kupferdraht daran isoliert herunterführen, aber das ist sicher nicht so ideal. Außerdem müssen die beiden Pendelfedern zueinander isoliert befestigt sein, oder man hängt das Pendel wie bei Bulle gleich isoliert auf und führt den Strom über extra Federn zu. Aber schön ist das alles nicht, besonders dann nicht, wenn sich das schwere Präzisionspendel auch gut ausbauen lassen soll. Da stört der Magnet am Pendel dann doch weniger.


Zum Abschluß möchte ich noch auf einen Effekt hinweisen, den man nutzen kann, wenn man mehrere Uhren betreibt. Wenn man Schwinger hat, deren Frequenz nahe beieinander liegt und diese miteinander koppelt (das heißt, sie können im Rhythmus ihrer Schwingungen geringe Impulse austauschen), dann tritt Resonanz auf, beide Schwinger schwingen gleich. Man kennt das auf mechanischem Wege von zwei Pendeln, die an einer Aufhängung befestigt sind (was auch ein Beweis dafür ist, daß das Pendel an die Aufhängung Energie abgibt). Durch die Resonanz halbiert sich der Fehler jedes einzelnen Systems. Man kann es so bauen, daß ein System dem anderen seine Frequenz aufzwingt oder daß sie sich beide annähern, sozusagen gleichwertig sind. Die elektrische Variante gestattet uns, das auch mit Uhren zu tun, die räumlich weiter voneinander weg angebracht sind. Bei Brillié gab es das in Form von Zusatzspulen.

Resonanzspulen an einer Brillie

 Das Magnetfeld der Hauptspule induziert im Rhythmus des Schwingers in dieser Spule Stromimpulse. Dann kann man in einfachen mechanischen Uhren am Pendel Magneten anbringen, die wie bei der Hauptuhr in Spulen eintauchen. So wird die elektrische Uhr den mechanischen ihren Takt aufzwingen, da deren induzierter Strom in den Spulen der mechanischen Uhren Magnetimpulse in ihrem Rhythmus erzeugt. Man könnte so sogar zwei mechanische Uhren elektrisch synchronisieren, indem man beide Pendel mit Magneten versieht und die beiden Spulen parallelschaltet.
ATO hat sein Nebenuhrsystem nach diesem Prinzip gebaut, allerdings gibt es hier in der Hauptuhr zwei Kontakte, die vom Pendel genau wie der eigene Arbeitskontakt betätigt werden. Die Nebenuhren haben auch Pendel wie die Hauptuhr, allerdings ohne Kontakt und mit halber Schwingungsdauer. Ihre Spulen erhalten die Impulse von der Hauptuhr und zwingen so die Pendel der Nebenuhren, in ihrem Rhythmus mitzuschwingen.




Nebenuhrsystem ATO