DE10163262B4

DE10163262B4 - Circuit for physiologically optimized digital setting, detection of electrical, electronic values, produces values from optional staged combinations of series and parallel connections

Info

Publication number: DE10163262B4
Application number: DE10163262A
Authority: DE
Inventors: Hans Wolfgang Diesing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163262A1

Abstract

The circuit has an arrangement of relatively few passive components of the same value and switches. Values resulting from a large number of optionally and multiply staged combinations of series and parallel connections can be set up by coded switch settings in approximately logarithmically staged steps with a high level quantisation of dynamics.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung eines Netzwerkes von passiven Komponenten, nämlich Widerständen, Kondensatoren oder Induktivitäten zur Änderung der Lautstärke im Audiobereich oder der Helligkeit eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a method for designing a network of passive components, namely resistors, Capacitors or inductors to change the volume in the audio range or the brightness of an electrically operated light source, according to the generic term of claim 1

Schichtpotentiometer werden als elektromechanische Sollwertgeber wenn kostenmäßig möglich durch Drahtwendelpotentiometer mit limitierten ohmschen Anschlusswerten oder durch eine Kette von vielen kleinen Festwertwiderständen und metallischen Zwischenabgriffen ersetzt, um störende Abgriff-Übergangs-Widerstände, das sogenannte Schleifer-Rauschen, zu reduzieren, das bei Schichtpotentiometern signifikant ist, durch Abnutzung und Umwelteinflüsse weiter degradiert und zu frühzeitigem Ausfall führt. Mit diesen Ersatzlösungen lassen sich jedoch physiologisch optimierte logarithmische Kennlinienverläufe nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand realisieren, so dass im unteren Abschwächungsbereich deren diskrete Stufung zu grob gerät und störend wahrgenommen wird.Schichtpotentiometer be as electromechanical setpoint generator if possible by cost Wire helix potentiometer with limited ohmic connection values or by a chain of many small fixed resistances and metallic taps replaced to disruptive tap junction resistors, the so-called grinder noise, reduce that with Schichtpotentiometern is significantly degraded by wear and environmental factors and further degraded premature Failure leads. With these replacement solutions However, physiologically optimized logarithmic characteristic curves can not be achieved or only with disproportionate effort realize, so that in the lower attenuation range their discrete Grading too crude and disturbing is perceived.

Aus der JP 6-163220 AA ist ein Widerstandsnetzwerk vorbekannt, welches mit Hilfe von Parallel- und Serienschaltern zwischen zwei Anschlusspunkten T1 und T2 in der Lage ist, unterschiedliche Widerstandswerte zu realisieren.Out JP 6-163220 AA is a resistor network previously known, which with the help of parallel and series switches between two connection points T1 and T2 is able to have different resistance values too realize.

Die US-PS 5,923,159 offenbart ein digitales Potentiometer, welches ein Widerstandsarray umfasst, um eine logarithmische Einstell- oder Schrittfolge zu realisieren.The U.S. Patent 5,923,159 discloses a digital potentiometer which includes a resistor array to realize a logarithmic set or step sequence.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Auslegung eines Netzwerkes von passiven Komponenten, nämlich Widerständen, Kondensatoren oder Induktivitäten zur Änderung der Lautstärke im Audiobereich oder der Helligkeit eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels anzugeben, wobei die Anzahl der jeweils notwendigen passiven Komponenten minimal zu halten ist, andererseits aber möglichst keine wahrnehmbaren Helligkeits- oder Lautstärkestufungen in störender Weise vorliegen.Out The above object of the invention, an evolved Method for designing a network of passive components, namely resistors, Capacitors or inductors to change the volume in the audio range or the brightness of an electrically operated light source specify the number of passive components required is to be kept minimal, but on the other hand, if possible, no perceptible Brightness or volume ratings in disturbing Present way.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The solution The object of the invention is achieved by a method according to the teaching according to claim 1, wherein the dependent claims expedient refinements and developments represent.

Mit dem Verfahren kann eine Schaltungsanordnung aus relativ wenigen n-Festwiderständen gleichen Wertes R mit einem entsprechend komplexen Kodierschalter entwickelt werden, der diese Widerstände in vielen möglichen und komplexen Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen stufenweise so verbindet, dass ein Wertebereich von R/n bis nR in 2ⁿ–1 Stufen mit annähernd logarithmischem Grundverlauf erzeugt wird und zwar mit einer inhärent fraktal-symmetrischen Abstufungs-Struktur, die durch Selektion aus einem überschüssigen Wertevorrat anwendungsspezifisch optimiert werden kann. So lassen sich beispielsweise mit 7 Widerständen 127 verschiedene Werte darstellen, von denen jedoch mehr als 100 so dicht beieinander liegen, dass deren Abstand deutlich kleiner als 5% gerät und damit als Helligkeits- oder Lautstärkeänderung nicht mehr wahrnehmbar ist – also schadlos ausgelassen werden kann.With the method, a circuit arrangement of relatively few n-solid resistors of the same value R can be developed with a correspondingly complex coding switch, which connects these resistors in many possible and complex combinations of series and parallel circuits in steps such that a value range from R / n to nR is generated in 2 ⁿ -1 steps with an approximately logarithmic basic course, namely with an inherently fractal-symmetric grading structure, which can be optimized for specific applications by selection from an excess supply of value. For example, with 7 resistors, 127 different values can be displayed, of which, however, more than 100 are so close to each other that their distance is significantly less than 5% and thus no longer perceivable as brightness or volume change - that can be omitted without damage.

Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung fester Werte über das gesamte Netzwerk lässt sich der resultierende Wertebereich verschieben und/oder stauchen und kann so auf den benötigten Arbeitsbereich optimal angepasst werden.By Series and / or parallel connection of fixed values over the entire network can be the shift and / or compress the resulting value range so on the required workspace be optimally adapted.

Durch Reihenschaltung des Schalter/Widerstände-Netzwerks mit einem festen Referenzwert lässt sich ein Spannungsabgriff erzeugen, der jedoch die Kennlinie verzerrt. Durch zwei komplementär gegenläufig kodierte Netzwerke ist auch eine potentiometrische Anschluss-Konfiguration mit einem Spannungs-Abgriff zwischen zwei Bezugspotentialen ohne Kennlinien-Verzerrung realisierbar.By Series connection of the switch / resistor network with a fixed one Reference value create a voltage tap, but the characteristic distorted. By two complementary opposite Coded networks is also a potentiometric terminal configuration with a voltage tap between two reference potentials without Characteristic distortion can be realized.

Bei der Verwendung von Kondensatoren statt Widerständen lassen sich Wechselstrom-Widerstände über entsprechende Kodierschalter bei einer bestimmten Wechselspannungs-Frequenz einstellen – beispielsweise zur ergonomisch optimierten, störungs- und verlustfreien Zweidraht-Dimmung von Glühlampen und Energiesparlampen bzw. auch anderen Gasentladungslampen mit elektronischem Ballast und zwar ohne Verwendung aktiver Bauelemente, ohne Mindestlast-Erfordernis und ohne Gefährdung durch Überlast oder Kurzschluß. So lässt sich ein Bündel von 7 Block-Kondensatoren mit je einem Wert von ca. 1 μF durch Auslassen bestimmter möglicher Schalterstellungen in 24 relativen Abschwächungsschritten zwischen 94% und 96% vom jeweils vorangegangenen Wert in einer physiologisch quasikontinuierlichen Folge als scheinbar stufenloser Dimmer für handelsübliche Wattagen zwischen 4 und 40 Watt verwenden. Bei höheren Wattagen stellt sich eher eine gewisse Sättigung der Kennlinie ein. Eine Überlastung auch durch Kurzschluß ist nicht möglich.at the use of capacitors instead of resistors can be AC resistors via appropriate Set the code switch at a certain AC frequency - for example for ergonomically optimized, trouble-free and lossless two-wire dimming of incandescent and energy-saving lamps or other electronic ballast discharge lamps and without the use of active components, no minimum load requirement and without endangering through overload or short circuit. So lets a bundle of 7 block capacitors each with a value of approx. 1 μF by omitting certain possible Switch positions in 24 relative weakening steps between 94% and 96% of the previous value in a physiological Quasi-continuous sequence as seemingly stepless dimmer for commercial wattages between 4 and 40 watts use. At higher wattages is more likely a certain saturation of the characteristic. An overload also by short circuit not possible.

Die Kodierung der Schalter kann z. B. durch Verschiebung eines Lochstreifens zwischen Kontaktkämmen, Drehung einer mit Kontaktstiften kodierten Walze oder einer in radialen Leiterbahnen segmentkodierten Scheibe erfolgen deren Kodierung fotolithografisch wie eine Leiterplatten-Struktur reproduziert werden kann.The coding of the switch can z. B. by displacement of a perforated strip between contact combs, rotation of a coded with contact pins Roller or a segmented in radial tracks segmented disk done their coding photolithographically as a circuit board structure can be reproduced.

Die Kodierschalter lassen sich auch durch eine elektronisch kodiert angesteuerte Relais-Matrix ersetzen, um eine Fernsteuerung oder automatische Steuerung der Last mit einem physiologisch optimierten Quantisierungsraster und anderen erfindungsgemäßen Vorteilen zu ermöglichen.The Coding switches can also be electronically coded replace controlled relay matrix to a remote control or automatic control of the load with a physiologically optimized To enable quantization grid and other advantages of the invention.

Die Relais können auch durch elektronische Schalter ersetzt werden, um damit schnelle Digital/Analog- bzw. Analog/Digital-Umsetzer mit angenähert logarithmisch kompandiertem Werteraster effizienter zu realisieren. Damit kann der Realisierungs-Aufwand vom schwerer reproduzierbaren Analog-Teil in den leichter integrierbaren digitalen Hardware/Firmware-Bereich verlagert werden, wo eine entsprechende Komplexitätssteigerung nur unterproportional zu Buche schlägt.The Relays can also be replaced by electronic switches, in order to be fast Digital / analog or analog / digital converter with approximately logarithmic compandered Wertasteraster to realize more efficiently. So that can the realization effort from the harder reproducible analog part into the more easily integrable one digital hardware / firmware area are relocated where appropriate increase in complexity only disproportionately to book beats.

Grundsätzlich lässt sich das Schaltungsprinzip auch auf magnetisch gekoppelte Induktivitäten anwenden – etwa mit getrennt herausgeführten gleichgroßen Teilwicklungen auf einem gemeinsamen Spulenkern. Hierbei ist jedoch auf die gleichsinnige Polung der Teilwicklungen bei der Ansteuerung zu achten. Damit lassen sich digital gesteuerte Drosseln, Transformatoren, Hubmagnete oder dynamische Lautsprecher realisieren, die bislang nicht in einem kommerziell relevanten Umfang zum Einsatz kommen wegen der bauartbedingten Quantisierungs-Problematik von binär gewichteten Teilwindungen. Dieses Konzept wird durch eine parallele Wicklung von gleichgroßen Teilwicklungen und das resultierende logarithmisch kompandierte Quantisierungsraster durch die erfindungsgemäße Verschaltung praktikabel. Der hohe Wirkungsgrad der digitalen Ansteuerung von Teilwicklungen ist vergleichbar mit dem einer getakteten Ansteuerung durch Puls-Weiten-Modulation etwa in Vorschaltgeräten für Gasentladungs-Lampen, Schaltnetzteilen für Computer, Transformatoren für Niedervolt-Halogenlampen oder Lautsprecher bzw. in Klasse-D-Verstärkern für batteriebetriebene Audiogeräte, erzeugt aber deutlich weniger Störspitzen über die Zuleitungen und benötigt deshalb weit weniger Entstörungs- und Abschirmungs-Maßnahmen, um die einschlägigen Zulassungsnormen einzuhalten und minimiert mithin auch die durch die absorbierten Störspitzen verursachten Restverluste d.h. kann den Wirkungsgrad gegenüber einer getakteten Ansteuerung oder Regelung noch potentiell steigern und kann überdies bestimmte Anwendungen durch Unterschreitung der zulässigen Störpegel u.U. erstmals kommerziell ermöglichen.Basically you can apply the circuit principle also to magnetically coupled inductors - for example with separately led out equal-sized partial windings on a common spool core. However, this is on the same direction Pay attention to the polarity of the partial windings in the control. Leave it digitally controlled chokes, transformers, solenoids or realize dynamic speakers, which are not in one commercially relevant scope are used because of the design-related Quantization problem of binary weighted partial convolutions. This concept is achieved by a parallel winding of equal partial windings and the resulting logarithmically companded quantization grid practicable by the interconnection according to the invention. The high efficiency of digital control of partial windings is comparable to that of a clocked control by pulse-width modulation for example in ballasts for gas discharge lamps, Switching power supplies for Computers, transformers for Low-voltage halogen lamps or loudspeakers or in Class D amplifiers for battery-operated Audio equipment, but generates significantly less glitches over the Supply lines and therefore needed far less interference suppression and shielding measures, to the relevant ones Compliance standards and thus minimized by the absorbed spikes caused residual losses i. can reduce the efficiency over one clocked control or regulation still potentially increase and can also certain applications by below the permissible interference level u.U. for the first time commercially possible.

Die Zeichnung stellt das Schaltungsprinzip an einem überschaubaren Beispiel dar, in dem bereits alle Merkmale einer nicht-trivalen Verzweigungs-Struktur erkennbar sind. Aus 4 gleichwertigen Widerständen werden 15 verschiedene Widerstandswerte durch entsprechende Schaltzustände von 12 Schaltern A bis L erzeugt, deren Kodierungen beispielhaft in der darunter dargestellten Tabelle aufgeführt sind. Dies ist grundsätzlich auch mit verschiedenen binär gewichteten Widerstandswerten möglich, jedoch benötigen diese deutlich engere Werte-Toleranzen um Monotoniefehler auszuschließen und erzeugen keine auch nur annähernd logarithmische Wertestaffelung, die den Wertebereich damit physiologisch optimiert, d.h. kleinere Abstände zwischen kleineren Werten und proportional größere Abstände zwischen größeren Werten. Durch diese tendenziell logarithmische Kompandierung gegenüber einer linearen Staffelung wird die Quantisierungs-Dynamik objektiv d.h. kalkulierbar und messbar erhöht bei gleichem Aufwand an passiven Komponenten aber geringeren Anforderungen an deren Werte-Bereich, -Vielfalt und -Toleranzen.The Drawing illustrates the circuit principle in a manageable example, in which already all the features of a non-trivial branching structure are recognizable. 4 equal resistors become 15 different ones Resistance values through corresponding switching states of 12 switches A to L whose codes are exemplified in the below Table listed are. This is basically also with different binary weighted resistance values possible, however need These significantly narrower value tolerances to exclude monotone errors and do not produce even approximate logarithmic value staggering, which thus physiologically optimizes the range of values, i. smaller distances between smaller values and proportionally larger distances between larger values. This tends to be logarithmic companding over one In linear staggering, the quantization dynamics become objective, i.e. calculable and measurably increased at the same expense of passive components but lower requirements at their value range, diversity and tolerances.

Bei dem Ersatz der 4 Widerstände durch 4 Kondensatoren, ergeben sich entsprechend 15 verschiedene Werte des resultierenden Wechselstrom-Widerstands bei einer bestimmten Wechselspannungs-Frequenz. Sinngemäß trifft dies auch für Induktivitäten zu – dabei ist jedoch die phasengleiche und vollständige magnetische Koppelung der 4 Teilwindungen ohne Streufeld- und Hysterese-Verluste bei der verwendeten Arbeitsfrequenz bzw. innerhalb der genutzten Bandbreite vorausgesetzt. Derart ideale Voraussetzungen sind in der Praxis wegen der grundsätzlich kontraproduktiven Bedingungen nur näherungsweise realisierbar. Ein Streufeld kann durch einen weichmagnetischen Kern besser gebündelt werden – durch den jedoch stets gewisse Hystereseverluste in Kauf zu nehmen sind. So muß entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung eine hinreichende Präzision gegebenenfalls durch korrektive Kompensations- oder Abgleich-Maßnahmen in der Ansteuerung bewerkstelligt werden.at the replacement of the 4 resistors By 4 capacitors, there are 15 different ones Values of the resulting AC resistance at a given AC frequency. Analogously, this also applies to inductances - thereby however, is the in-phase and complete magnetic coupling the 4 Teilwindungen without stray field and hysteresis losses in the used operating frequency or within the used bandwidth provided. Such ideal conditions are in practice because of the principle Counterproductive conditions only approximately feasible. A stray field can be better bundled by a soft magnetic core - through However, always certain hysteresis losses are to be accepted. So must accordingly If necessary, sufficient precision can be achieved by the requirements of the respective application Corrective compensation or adjustment measures be accomplished in the control.

Die Umsetzung des Schaltungsprinzips auf elektronische Schalter zur Realisierung schneller Digital/Analog-Wandler bzw. auch in der Umkehrung Analog/Digital-Wandler und anderer schneller Steuerungen findet seine Beschränkungen in der Verfügbarkeit geeigneter elektronischer Schalter, mit möglichst geringen Durchgangswiderständen mit geringer Exemplarstreuung und möglichst geringer Abhängigkeit von den Versorgungs-Last- und Ansteuerungs-Potentialen. Elektromechanische Relais erfüllen diese Bedingung in fast idealer Weise sind aber für eine schnelle Datenwandlung und verzögerungskritische Regelkreise zu träge und für den Dauereinsatz mit ständiger Werte-Änderung zu verschleißanfällig. In erster Näherung werden die vorgenannten Bedingungen aber auch beispielsweise von bilateralen CMOS-Schaltern erfüllt, sofern der Arbeitsbereich entsprechend eingegrenzt wird. Dies ist gängige Praxis bei der monolithischen Integration von Analogschalter-Matritzen in Kreuzschienen-Verteilern und Signal-Koppelfeldern und kann entsprechend auf die Integration von Datenwandlern und anderen schnellen Steuerungen nach dem erfindungsgemäßen Schaltungsprinzip angewendet werden. Die Selektion und Zuordnung bestimmter Schalterstellungen zu einem bestimmten Sollwert kann über fest verdrahtete oder digital abgespeicherte Kennlinien-Tabellen sogenannte Look-up-Tables mit oder ohne nachfolgende Linearisierung bzw. Dekompandierung und Interpolation durch digitale Signalprozessoren erfolgen.The implementation of the circuit principle on electronic switches for realizing fast digital / analog converter or in the inverse analog / digital converter and other fast controls finds its limitations in the availability of suitable electronic switches, with the lowest possible contact resistance with low copy scatter and lowest possible Dependence on the supply load and drive potentials. Electromechanical relays meet this condition in almost ideal fashion but are fast for data conversion and delay critical control circuits too sluggish and for continuous use with constant change in value too wear-prone. As a first approximation, however, the aforementioned conditions are also met, for example, by bilateral CMOS switches, as long as the working area is limited accordingly. This is common practice in the monolithic integration of analog switch matrices in matrix switchers and signal switches and can be applied to the integration of data converters and other fast controllers according to the inventive circuit principle. The selection and assignment of certain switch positions to a specific setpoint can be done via hard-wired or digitally stored characteristic tables so-called look-up tables with or without subsequent linearization or decompilation and interpolation by digital signal processors.

Durch digital gesteuerte Annäherung eines Digital/Analog-Wandlers an den zu digitalisierenden Analogwert und schrittweisen Vergleich, wird dessen digitaler Code-Wert ermittelt – also digitalisiert. Dieser Analogwert kann eine Spannung, ein Strom, ein Sensor-Widerstand, eine veränderliche Kapazität oder Induktivität sein, die ggf. durch ballistischen Ladungsvergleich ohne Umwege über limitierende und verzögernde Verstärkerschaltungen digitalisiert werden können, wenn die Referenzgröße in dem relevanten Wertebereich mit der entsprechenden Auflösung digital einstellbar ist. Ebenso kann der Sensor selbst in seinem Wert digital so eingestellt bzw. beaufschlagt werden, dass er mit einer festen Referenz verglichen werden kann, um daraus die zu messende physikalische Größe, die der Momentanwert des Sensors repräsentiert, rechnerisch oder durch tabellarische Zuordnung aus einer vorangegangenen Eichung zu ermitteln. Diese Verfahren entsprechen dem bekannten Stand der Technik. Hierbei kann jedoch das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip im Sensor integriert oder extern als veränderliche passive Referenz genutzt werden, um die Realisierung zu vereinfachen und/oder die Messdynamik zu verbessern.By digitally controlled approach of a digital / analog converter to the analog value to be digitized and stepwise comparison, its digital code value is determined - ie digitized. This analog value can be a voltage, a current, a sensor resistance, a changeable one Capacity or inductance be, if necessary by ballistic charge comparison without detours over limiting and delaying amplifier circuits can be digitized if the reference size in the relevant range of values with the corresponding resolution digital is adjustable. Similarly, the sensor itself can be digital in value be set or charged so that he with a fixed Reference can be compared to from the physical to be measured Size that the instantaneous value of the sensor is represented, arithmetically or by tabular assignment from a previous calibration to investigate. These methods correspond to the known state of Technology. In this case, however, the inventive circuit principle in the sensor integrated or externally as changeable passive reference can be used to simplify the realization and / or to improve the measuring dynamics.

Claims

Method for designing a network of passive components, namely resistors, capacitors or inductors, for changing the volume in the audio range or the brightness of an electrically operated light source, wherein the components have substantially the same values, the matrix-like in series and in parallel by means of electromechanical or electronic switching devices be connected to obtain a wide range of values, characterized by a number of passive components to obtain a range of R / n to nR in 2 ⁿ -1 stages and approximate logarithmic course in combined series or parallel connection, wherein those representable values of a maximum value are eliminated, whose individual values each have a distance <5% from each other and is no longer perceptible as holiness or volume change in realized level adjustment.

Method according to claim 1, characterized by Network of capacitors as AC resistors for one quasi-stepless brightness controller or dimmer, the capacitors via coding switch each in parallel or in series to sweep the desired Value ranges are connected.

Method according to claim 1, wherein smaller distances between smaller values and proportionally larger distances between larger values chosen become.

Method according to claim 1, characterized in that that the passive components are inductors or equal partial windings on a common soft magnetic core, the Gleichpolpolt or are interconnected and controlled in phase and thus a nearly logarithmic adjustable resulting total inductance as AC choke or generate a corresponding magnetic effect than Primary- or secondary winding a transformer, as an electromagnet, as a solenoid, as a motor or as a dynamic speaker.