DE102013218912A1

DE102013218912A1 - Schallgebervorrichtung sowie Brandmelder mit der Schallgebervorrichtung

Info

Publication number: DE102013218912A1
Application number: DE201310218912
Authority: DE
Inventors: Joerg Tuermer; Matthias Wolfgang Jandl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Bei Brandmeldeanlagen werden akustische Signalgeber genutzt, um bei einem detektierten Brand einen Alarmton, zum Beispiel einen Sirenenton, auszugeben und Personen im Bereich des detektierten Brandes vor der Brandgefahr zu warnen. Es wird eine Schallgebervorrichtung 2 mit einem Schallwandler 4, mit einer Signaleinrichtung 5 zur Versorgung des Schallwandlers f mit einer Signalspannung mit einer Signalfrequenz, mit einer Kontrolleinrichtung 6 zur Kontrolle der Signaleinrichtung 5, wobei die Kontrolleinrichtung 5 ausgebildet ist, die Signalfrequenz in der Signaleinrichtung 5 derart nachzuführen, dass die Schallgebervorrichtung in einer Resonanzfrequenz R betrieben ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schallgebervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Brandmelder mit der Schallgebervorrichtung.
Bei Brandmeldeanlagen werden akustische Signalgeber genutzt, um bei einem detektierten Brand einen Alarmton, zum Beispiel einen Sirenenton, auszugeben und Personen im Bereich des detektierten Brandes vor der Brandgefahr zu warnen.
Die Druckschrift DE 10 2008 003 799 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, betrifft ein Meldesystem, welches unter anderem einen Gefahrenmelder sowie Signalausgabeeinrichtungen, zum Beispiel Sirenen, umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Schallgebervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Brandmelder mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird eine Schallgebervorrichtung vorgeschlagen, welche zur Ausgabe eines Signaltons, insbesondere eines Warntons, Alarmtons oder Sirenentons, geeignet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere ist die Schallgebervorrichtung zur Ausgabe eines für den Menschen hörbaren Signaltons ausgebildet.
Die Schallgebervorrichtung umfasst einen Schallwandler, welcher zur Umwandlung einer Signalspannung in eine Schallwelle als der Signalton ausgebildet ist. Insbesondere ist der Schallwandler ausgebildet, die Signalspannung in den Signalton zu wandeln. Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der Schallwandler als ein kapazitiver Schallwandler und/oder als ein Piezo-Schallwandler ausgebildet. Ein derartiger Piezo-Schallwandler umfasst z. B. mindestens eine Piezo-Scheibe, insbesondere eine kreisrunde Piezo-Scheibe, welche auf einer Metallmembran angeordnet, insbesondere mit dieser stoffschlüssig verbunden ist. Bei der Beaufschlagung der Signalspannung zieht sich die Piezo-Scheibe zusammen beziehungsweise dehnt sich aus, sodass die Metallmembran in Schwingungen versetzt wird und das Schallsignal erzeugt. Derartige kapazitive Schallwandler weisen eine hohe kapazitive Blindlast auf und sind im Vergleich zu Wandlern mit resistiven oder induktiven Verlustmechanismen (z. B. Lautsprechern) besonders vorteilhaft mit der Schaltung der Schallgebervorrichtung anzusteuern.
Zudem umfasst die Schallgebervorrichtung eine Signaleinrichtung zur Versorgung des Schallwandlers mit der Signalspannung, wobei die Signalspannung eine Signalfrequenz aufweist. Die Signalspannung ist insbesondere als eine Wechselspannung ausgebildet. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine positive Signalspannung mit einer negativen Signalspannung abwechselt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine betragsmäßig hohe Signalspannung mit einer betragsmäßig niedrigen Signalspannung abwechselt. Durch die wechselnde Signalspannung beziehungsweise Wechselspannung wird der Schallwandler zum Schwingen angeregt, sodass das Schallsignal erzeugt wird. Die Signalform der Signalspannung kann als eine Sinusform, eine Dreiecksform oder bevorzugt als eine Rechtecksform ausgebildet sein. Die Signalfrequenz bezeichnet bevorzugt die Frequenz mit dem höchsten Energieanteil in der Signalspannung. Insbesondere weist die Signalspannung Wellenabschnitte, insbesondre Vollwellenabschnitte, auf, welche sich mit der Signalfrequenz regelmäßig wiederholen.
Weiterhin umfasst die Schallgebervorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Kontrolle der Signaleinrichtung.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, die Signalfrequenz in der Signaleinrichtung im Betrieb derart nachzuführen, dass die Schallgebervorrichtung in einer insbesondere akustischen Resonanzfrequenz betrieben ist. Die Kontrolleinrichtung ist insbesondere ausgebildet, die Signalfrequenz online, in Echtzeit und/oder kontinuierlich einzustellen, um diese nachzuführen. Besonders bevorzugt setzt die Kontrolleinrichtung einen Steuerkreis oder einen Regelkreis insbesondere in Echtzeit um.
Unter der Resonanzfrequenz ist vorzugsweise die Frequenz zu verstehen, in der die Schallgebervorrichtung den Signalton mit dem höchsten Schalldruck ausgibt oder der Signalton die größte Lautstärke aufweist. Besonders bevorzugt umfasst die Schallgebervorrichtung einen Resonator, welcher mit dem Schallwandler zusammenwirkt und welche gemeinsam die Resonanzfrequenz bestimmen.
Es ist eine Überlegung der Erfindung, dass derartige erfindungsgemäße Schallgebervorrichtungen oftmals sehr lange an ihrem Einsatzort montiert sind. So werden diese Schallgebervorrichtungen z. B. in Brandmeldesystemen, wie diese beispielsweise in öffentlichen Gebäuden, wie zum Beispiel Schulen, Universitäten, Bahnhöfen etc. eingesetzt werden, bei der Erstinstallation integriert und dann gegebenenfalls regelmäßig hinsichtlich der Funktionsfähigkeit geprüft. Allerdings ist es möglich, dass aufgrund von Alterungserscheinungen oder Temperatureffekten sich die tatsächliche Resonanzfrequenz bei der Schallgebervorrichtung verschiebt. Während bei der Erstinstallation die Schallgebervorrichtung gegebenenfalls aufwendig auf die aktuelle Resonanzfrequenz und damit auf den maximalen Schalldruck eingestellt werden kann, werden die Schallgebervorrichtungen im Betrieb hinsichtlich der Resonanzfrequenz üblicherweise nicht nachgeführt. Die Folge ist, dass der Schalldruck oder die Lautstärke der Schallgebervorrichtung aufgrund des Wanderns oder der Verschiebung der Resonanzfrequenz über die Zeit nachlässt. Zwar kann durch die Funktionstests und Wartungen sichergestellt werden, dass der Schalldruck oder die Lautstärke stets über einem Grenzwert liegt, die Schallgebervorrichtungen werden jedoch – genau betrachtet – nicht mit optimalen Betriebsbedingungen angesteuert.
Hier setzt die Erfindung an und schlägt vor, die Signalfrequenz der Signalspannung im Betrieb derart einzustellen beziehungsweise nachzuführen, dass die Schallgebervorrichtung in der aktuellen Resonanzfrequenz betrieben ist. Der Vorteil der Erfindung ist somit darin zu sehen, dass auch bei einer wandernden Resonanzfrequenz stets sichergestellt ist, dass die Schallgebervorrichtung mit der Signalfrequenz angesteuert wird, die zu der Resonanzfrequenz führt. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, auf die genaue Erstabstimmung der Schallgebervorrichtung auf die Resonanzfrequenz zu verzichten und die Abstimmung im Betrieb durch die Kontrolleinrichtung durchzuführen. Auf diese Weise ist ein aufwendiger Installationsschritt zu vermeiden.
In der allgemeinsten Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass durch einen Schallaufnehmer, insbesondere ein Mikrofon, die Lautstärke und/oder der Schalldruck Signaltons des Schallwandlers bzw. der Schallgebervorrichtung messtechnisch erfasst wird, wobei die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, die Signalfrequenz derart einzustellen, dass die Lautstärke und/oder der Schalldruck maximal ist, um auf diese Weise die Schallgebervorrichtung in der Resonanzfrequenz zu betreiben. Diese verbesserte Schallgebervorrichtung ist jedoch aufgrund des zusätzlich notwendigen Schallaufnehmers aufwendig.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Schallgebervorrichtung eine Messeinrichtung zur Messung von mindestens einer elektrischen Größe in der Signaleinrichtung aufweist, wobei die mindestens eine elektrische Größe eine IST-Größe für die Kontrolleinrichtung zur Einstellung der Signalfrequenz bildet. Abhängig von der Kontrollstrategie kann die Signalfrequenz so verändert werden, dass die IST-Größe einer SOLL-Größe nachgeführt wird oder dass die IST-Größe in ein Extremum, insbesondere Maximum, geführt wird. Diese bevorzugte Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf eine aufwendige und fehleranfällige Messtechnik zur Aufnahme des Signaltons verzichtet werden kann und somit konstruktiv einfach realisiert werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass die Wirkleistung der Signaleinrichtung oder eine dazu äquivalente elektrische Größe der Signaleinrichtung eine sehr gute Aussagekraft in Bezug auf die Resonanzfrequenz aufweist,
Vorzugsweise wird die Wirkleistung der Schallgebervorrichtung, insbesondere der Signaleinrichtung als die elektrische Größe oder IST-Größe eingesetzt. Bei einer realen Umsetzung der Schallgebervorrichtung wird oftmals nicht die Wirkleistung, sondern eine dazu äquivalente, insbesondere proportionale Größe, genutzt werden. Im Nachfolgenden wird die Wirkleistung oder die dazu äquivalente Größe zusammenfassend als Wirkleistung bezeichnet. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das Maximum der Wirkleistung und die Resonanzfrequenz, also die Signalfrequenz, die zu dem höchsten Schalldruck führt, zusammenfallen, sodass durch eine Einstellung der Signaleinrichtung auf eine maximale Wirkleistung zugleich die Schallgebervorrichtung in der Resonanzfrequenz betrieben wird. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird eine messtechnisch einfach zu erfassende und zugleich aussagekräftige elektrische Größe als die IST-Größe ausgewählt.
Signaltechnisch kann vorgesehen sein, dass die Wirkleistung als ein Produkt der Signalspannung mit einem Signalstrom in der Signaleinrichtung ausgebildet ist. Der Signalstrom kann beispielsweise durch Abgriff eines Spannungsabfalls über einen Widerstand in der Signaleinrichtung messtechnisch erfasst werden und mit Hilfe eines Quadrantenmultiplizierers mit der Signalspannung multipliziert werden, um die Wirkleistung zu erhalten.
Bei einer konstruktiven Realisierung kann wahlweise eine analoge Kontrolleinrichtung eingesetzt werden, wobei beispielsweise über Suchschritte bei der Signalfrequenz das Maximum der Wirkleistung eingestellt wird oder eine digitale Kontrolleinrichtung, welche über entsprechende Algorithmen das Maximum der Wirkleistung einstellt.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine elektrische Größe und/oder die IST-Größe als eine Blindleistung oder dazu äquivalente Größe der Signaleinrichtung – nachfolgend zusammenfassend als Blindleistung bezeichnet – ausgebildet. Bei der Blindleistung wurde festgestellt, dass sich der Schalldruck oder die Lautstärke in einem Bereich der Signalfrequenz um die Resonanzfrequenz linear oder zumindest monoton verhält. Somit ist es zur Umsetzung einer Kontrollstrategie, insbesondere einer Regelung oder Steuerung möglich, eine SOLL-Größe für die Blindleistung vorzugeben und zum Beispiel über eine analoge Kontrolleinrichtung die IST-Größe auf die Soll-Größe durch Veränderung der Signalfrequenz zu regeln.
Die Blindleistung wird vorzugsweise durch ein Produkt der um 90 Grad phasenverschobenen Signalspannung mit einem Signalstrom in der Signaleinrichtung ermittelt.
Es ist bei einer weiteren Kontrollstrategie auch möglich sowohl die Wirkleistung als auch die Blindleistung als IST-Größen zu verwenden. Dabei wird zum Beispiel anhand der Blindleistung eine Richtung der Suchschritte und anhand der Wirkleistung ein Maximalwert durch Variation der Signalfrequenz eingestellt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Schallgebervorrichtung eine Spannungsversorgung, welche zwischen einem ersten Spannungsanschluss und einem zweiten Spannungsanschluss eine Versorgungsspannung bereitstellt. Der Schallwandler weist einen ersten Verbraucheranschluss und einen zweiten Verbraucheranschluss auf. Die Signaleinrichtung umfasst eine Schalleinrichtung zur Verschaltung des Schallwandlers mit der Spannungsversorgung und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtung. Die Steuerung beziehungsweise Schaltung erfolgt derart, dass in einem ersten Schaltzyklus der erste Spannungsanschluss mit dem ersten Verbraucheranschluss und der zweite Spannungsanschluss mit dem zweiten Verbraucheranschluss verbunden ist und in einem zweiten Schaltzyklus der Schallwandler gegenüber der Spannungsversorgung verpolt ist, sodass der erste Spannungsanschluss mit dem zweiten Verbraucheranschluss und der zweite Spannungsanschluss mit dem ersten Verbraucheranschluss verbunden ist. Auf diese Weise wird die Signalspannung mit der Signalfrequenz erzeugt. Diese Ausgestaltung hat schaltungstechnisch zum einen den Vorteil, dass die Spitze-Spitze-Spannung (peak-to-peak) der Signalspannung der zweifachen Höhe der Versorgungsspannung entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einfachen Schaltung trotz begrenzter Versorgungsspannung eine sehr hohe Amplitudenänderung in der Signalspannung zu erreichen. Besonders vorteilhaft kann die Schallgebervorrichtung somit in eine Umgebung oder in eine Vorrichtung integriert werden, in der die Spannungsversorgung eingeschränkt ist, wie zum Beispiel bei einem autark arbeitenden Apparat, insbesondere einem Brandmelder.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Messeinrichtung an dem zweiten Spannungsanschluss oder für andere Ausführungsformen der Schallgebervorrichtung an einem Spannungsanschluss des Schallwandlers angeordnet, um die elektrische Größe zu messen. Insbesondere umfasst die Messeinrichtung einen Messwiderstand, wobei der Messwiderstand in Reihe in dem zweiten Spannungsanschluss angeordnet ist und wobei die Messeinrichtung die an dem Messwiderstand abfallende Spannung als Messspannung aufnimmt, die proportional zu dem Signalstrom in der Signaleinrichtung ist.
Die Messspannung kann bei einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung unmittelbar als die Wirkleistung interpretiert werden, sodass kein zusätzlicher Hardware-Aufwand notwendig ist. Dies resultiert daraus, dass durch die differentielle Versorgung des Schallwandlers mit der Versorgungsspannung und den Abgriff an dem zweiten Spannungsanschluss bereits eine Multiplikation mit der Signalspannung durchgeführt ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet ein Brandmelder zur Detektion eines Brandes mit der Schallgebervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche beziehungsweise wie dieser zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist der Brandmelder ausgebildet, das Schallsignal als ein Alarmsignal auszugeben. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brandmelder energieautark ausgebildet oder über eine Niederspannungsversorgung mit der Versorgungsspannung oder Grundspannung versorgt. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn zum einen die Versorgungsspannung möglichst gering ist und zum anderen der Energieverbrauch ebenfalls möglichst gering ist, um mit den vorhandenen begrenzten Ressourcen eine Maximalausbeute an Schalldruck zu erreichen. Ferner wird durch die Stellung des Signalfrequenz die Schallgebervorrichtung in der Resonanzfrequenz betrieben, so dass auch dadurch eine Maximalausbeute an Schalldruck erreicht wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Brandmelders mit einer Schallgebervorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Diagramm zur Illustration einer Kontrollstrategie der Schallgebervorrichtung in der 1;
3 Ergebnisse einer Simulation zur Erläuterung der Funktionsweise der Kontrollstrategie in der 2;
4 Diagramme mit weiteren Simulationsergebnissen zur weiteren Erläuterung der Kontrollstrategie;
5a–5c Ersatzschaltbilder des Schallwandlers in der 1;
6a–d Schaltbilder zur Illustration einer Verschaltung des Schallwandlers;
7a–d Schaltbilder einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
8a–d Schaltbilder eines nächsten alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung in verschiedenen Schaltzuständen;
9a–f Schaltbilder eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in verschiedenen Schaltzuständen;
10a, b zwei Ausführungsbeispiele einer Steuerspannungsversorgung in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel;
11 ein Schaltdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
12a–h Schaltbilder eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in verschiedenen Schaltzuständen;
13 ein Schaltdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
14 ein Schaltdiagramm einer Messeinrichtung für die Schallgebervorrichtung in der 11.
Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung einen Brandmelder 1 mit einer Schallgebervorrichtung 2 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Brandmelder 1 ist als ein automatischer Brandmelder ausgebildet, welcher selbsttätig einen Brand detektieren kann und über die Schallgebervorrichtung 2 einen Alarmton ausgeben kann. Alternativ kann die 1 auch eine Signalvorrichtung 1 in einer Brandmelde- oder Gefahrenanlage darstellen.
Die Schallgebervorrichtung 2 umfasst eine Spannungsversorgung 3, welche einen ersten Spannungsanschluss VCC und einen zweiten Spannungsanschluss VSS einer Versorgungsspannung bereitstellt. Die Versorgungsspannung ist als eine Gleichspannung ausgebildet und weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe von 40 Volt auf.
Ferner weist die Schallgebervorrichtung 2 einen Schallwandler 4 auf, welcher als ein kapazitiver Schallwandler, zum Beispiel als ein Piezo-Schallwandler, ausgebildet ist. In der Ausbildung als Piezo-Schallwandler weist der Schallwandler 4 eine Piezo-Keramik auf, welcher mit einer Membran verbunden ist und diese bei Beaufschlagung mit einer Signalspannung elastisch verformt, um eine Schallwelle als Signalton zu erzeugen. Der Schallwandler 4 kann als resonanter Schallwandler in einem Resonator (nicht dargestellt) untergebracht sein, um den Schalldruck zu verstärken. Der Schallwandler 4 weist einen ersten Verbraucheranschluss A und einen zweiten Verbraucheranschluss B auf, über den die Signalspannung zum Betreiben des Schallwandlers übertragen werden kann.
Die Schallgebervorrichtung 2 weist eine Signaleinrichtung 5 auf, welche ausgebildet ist, aus der Versorgungsspannung eine Signalspannung zu erzeugen und den Schallwandler 4 mit der Signalspannung zu versorgen, wobei die Signalspannung eine Signalfrequenz f aufweist. Die Schallgebervorrichtung 2 umfasst ferner eine Kontrolleinrichtung 6, welche die Signalfrequenz f für die Signaleinrichtung 5 vorgibt.
Die Schallgebervorrichtung 2 soll bestimmungsgemäß so betrieben werden, dass der Schallwandler 4 in einer akustischen Resonanzfrequenz R schwingt, da bei der Resonanzfrequenz R der Schalldruck und somit die Lautstärke des Signaltons des Schallwandlers 4 am stärksten ist.
Um die Schallgebervorrichtung 2 und insbesondere den Schallwandler 4 in der Resonanzfrequenz R zu betreiben, stellt die Kontrolleinrichtung 6 die Signalfrequenz f für die Signalspannung im Betrieb der Schallgebervorrichtung 2 selbsttätig und in Echtzeit nach. In Echtzeit bedeutet insbesondere, dass die Stellung der Signalfrequenz f innerhalb von einem Zeitraum von kleiner als 1 Sekunde erfolgt.
Die Kontrolleinrichtung 6 ist beispielsweise als ein Stellkreis, ein Regelkreis oder als ein digitales Kontrollmodul ausgebildet und beruht auf der Kontrollstrategie die Signalfrequenz f auf Basis von einer oder mehreren IST-Größen der Schallgebervorrichtung 2, insbesondere der Signaleinrichtung 5, einzustellen. Als IST-Größen werden bei dem Ausführungsbeispiel in der 1 wahlweise die Wirkleistung oder die Blindleistung oder beide elektrische Größen bzw. dazu äquivalente elektrische Größen verwendet.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Umsetzung der Kontrollstrategie.
In der 2 ist ein spannungskontrollierter Oszillator (VCO) 7 dargestellt, welcher ein erstes Rechtecksignal 8a und ein zweites, um 90 Grad dazu phasenverschobenes Rechtecksignal 8b generiert. Obwohl in der 2 der Oszillator 7 als eine analoge Komponente dargestellt ist, kann stattdessen auch eine digitale Komponente verwendet werden.
Ein erster Ausgang 9a des Oszillators 7 ist mit einer Verstärkereinrichtung 10 gekoppelt, welche das Rechtecksignal 8a verstärkt und beispielsweise auf eine Signalamplitude +/–40 Volt setzt. Der Oszillator 7 und die Verstärkereinrichtung 10 bilden damit die Signaleinrichtung 5. Das verstärkte Rechtecksignal wird als die Signalspannung an den Schallwandler 4 übertragen und regt diesen zum Schwingen an.
Die Signalfrequenz f der Signalspannung und damit des ersten Rechtecksignals 8a sowie des zweiten Rechtecksignals 8b werden von der Kontrolleinrichtung 6 als Stellgröße vorgegeben.
Zur Erläuterung der Kontrollstrategie der Kontrolleinrichtung 6 wird zunächst auf die 3 und 4 verwiesen. Die 3 zeigt Simulationsergebnisse der Schallgebervorrichtung 2 in Form von zwei Diagrammen, wobei bei der oberen Kurve die Wirkleistung P sowie die Blindleistung Q bzw. eine dazu äquivalente Größe über die Signalfrequenz f aufgetragen ist.
In dem unteren Diagramm ist der Schalldruck p über die Signalfrequenz f dargestellt. Bei einer Variation der Signalfrequenz f in den Bereichen zwischen 0,2 Kilohertz und 1 Kilohertz ist bei der Kurve des Schalldrucks im Bereich von 0,6 Kilohertz ein deutliches Maximum Mp zu erkennen. Damit bildet die Frequenz am Maximum Mp der Kurve des Schalldrucks p die Resonanzfrequenz R für die Schallgebervorrichtung 2 beziehungsweise den Schallwandler 4.
Betrachtet man die Wirkleistung P und die Blindleistung Q, ist zu erkennen, dass ein Maximum MP der Wirkleistung P mit dem Maximum Mp des Schalldrucks p bei der Resonanzfrequenz R zusammenfällt. Bei der Blindleistung Q ist im Bereich der Resonanzfrequenz R dagegen ein stetig monoton fallendes Verhalten zu erkennen.
In der 4 sind in einer vergrößerten Darstellung nochmals die Wirkleistung P, die Blindleistung Q, der Schalldruck p sowie die Signalfrequenz f dargestellt, wobei den genannten Größen über die Zeit in einem Zeitbereich t von 0 bis 1 Sekunde dargestellt sind. Jede 0,1 Sekunde wurde die Frequenz f um 5 Hertz erhöht. Auch in dieser Darstellung ist wieder zu erkennen, dass die Wirkleistung P das Maximum MP am Maximum Mp des Schalldrucks p aufweist, wohingegen die Blindleistung Q in einem Bereich um die Resonanzfrequenz R monoton ausgebildet ist.
Somit kann zum einen die Kontrolleinrichtung 6 die Kontrollstrategie umsetzen, die Signalfrequenz f auf das Maximum MP der Wirkleistung P zu führen. Alternativ kann ein Soll-Wert für die Blindleistung Q vorgegeben werden, wobei die Kontrolleinrichtung 6 ausgebildet ist, diese durch Änderung der Signalfrequenz f in einem Stell- oder Kontrollkreis nachzuführen. Bei einer Regelung oder Kontrolle auf das Maximum MP der Wirkleistung P ist bei konventionellen, kontinuierlichen und insbesondere analogen Ansätzen der Regelungstechnik mit Problemen zu rechnen, da diese eine Monotonie der Regelgröße voraussetzt. Durch eine digitale Kontrolle, insbesondere bei Einsatz eines Mikrocontrollers, FPGAs oder dergleichen, sind jedoch verschiedene Algorithmen umsetzbar. So kann zum Beispiel die Signalfrequenz f schrittweise erhöht werden, bis die Wirkleistung P wieder kleiner wird und dann auf das Maximum MP zurückgestellt werden. Ebenfalls ist es möglich, das Maximum MP über eine binäre Suche zu finden oder ausgehend von einem Startwert periodisch immer wieder zu höheren oder niedrigeren Signalfrequenzen f zu stellen und zu überprüfen, ob ein neuer Maximalwert MP gefunden werden muss. Letzteres ist besonders dann nötig, wenn zu erwarten ist, dass sich auch während des Betriebs (zum Beispiel durch Selbsterwärmung) das Maximum MP verschiebt. Wenn auch die Blindleistung Q ausgewertet wird, können auch konventionelle Regelungsansätze verwendet werden, da die Blindleistung Q – zumindest in einem beschränkten Bereich um das Maximum Mp – die Monotonieanforderung der Regelungstechnik erfüllt. Hiermit ist es möglich, auf einen festen Soll-Wert zu regeln, was auch mit einer analogen Regelung möglich ist, wenn zum Beispiel ein spannungsgesteuerter Oszillator angesteuert wird. Es ist auch möglich, den Blindleistungswert Q in Kombination mit einer digitalen Kontrolle für die Wirkleistung P für die Richtungsinformation zu verwenden, in welcher die Signalfrequenz f geändert werden soll. Somit ist es möglich, sowohl Blindleistung Q als auch Wirkleistung P gemeinsam zur Kontrolle zu verwenden oder nur eine der beiden Leistungen zur Kontrolle einzusetzen.
Zurückkehrend zu der 2 ist zu erkennen, dass in einer Messeinrichtung 16 das erste Rechtecksignal 8a über den ersten Ausgang 9a und das zweite Rechtecksignal 8b über einen zweiten Ausgang 9b jeweils mit einem Spannungsmesswert, welcher über einen Widerstand R_Sense, der seriell in dem zweiten Spannungsanschluss VSS angeordnet ist, abgegriffen wird, multipliziert wird. Durch den Abgriff des Spannungsmesswerts über den Widerstand R_Sense ist der Spannungswert proportional zu dem Stromfluss durch den Widerstand (R = U/I) und somit durch den zweiten Spannungsanschluss VSS. Bei dem Produkt, welches zum Beispiel in einem Quadrantenmultiplizierer 11a, b erzeugt wird, wird bei der Multiplikation mit dem ersten Rechtecksignal 8a ein Signal der Wirkleistung P und bei der Multiplikation mit der um 90 Grad phasenverschobenen Rechtecksignal 8b ein Signal der Wirkleistung Q erzeugt. Beide Signale Q, P werden nachfolgend parallel zueinander auf zwei getrennten Signalpfaden durch einen Tiefpassfilter TP geschickt und dienen dann als Eingang in ein Kontrollmodul 12. Das Kontrollmodul 12 kann – wie zuvor beschrieben – analog oder digital realisiert sein und wahlweise die Blindleistung Q, die Wirkleistung P oder beide auswerten. Am Ausgang des Kontrollmoduls wird ein Stellwert set_f für die Signalfrequenz f der Signaleinrichtung 5 ausgegeben. Optional kann die Signaleinrichtung 5 eine Steuereinrichtung 14 und eine Schalteinrichtung 15 aufweisen, wobei die Steuereinrichtung 14 die Schalteinrichtung 15 so ansteuert, dass die Signalspannung die Signalfrequenz set_f aufweist.
Vor Erläuterung der genauen Funktionsweise einer möglichen Ausführungsform der Signaleinrichtung 5 soll jedoch anhand der 5a–c das elektrische Verhalten des Schallwandlers 4 erläutert werden. Die 5a zeigt ein Ersatzschaltbild des Schallwandlers 4, wobei wieder der erste und der zweite Verbraucheranschluss A, B zu erkennen sind. Elektrisch gesehen kann ein Piezo-elektrischer Schallwandler ähnlich wie ein Keramikresonator oder ein Quarz modelliert werden, wobei die mechanische Resonanz durch die RLC-Serienschaltung (R1, L1, C1) gegeben ist. Weitere Resonanzfrequenzen können entweder durch weitere parallele RLC-Serienschaltungen modelliert werden, wie dies in der 5a dargestellt ist, oder durch komplexere Schaltungen, welche den physikalischen Grundlagen entsprechen, wie dies in der 5b dargestellt ist, wenn zur Schallauskopplung ein Resonator verwendet wird. Bei kapazitiven Wandlern, insbesondere Piezo-elektrischen Schallwandlern mit und ohne Resonator, ist systembedingt eine Kapazität C0 und ein Widerstand R0, dem für die Schallerzeugung relevanten mechanischen Resonanzkreis parallel geschaltet. Die beiden elektrischen Größen R0 und C0 sind an der Schallerzeugung nicht beteiligt, können aber die Verluste des Schallwandlers 4 beeinflussen. Während R0 üblicherweise so groß ist, dass die dadurch entstehenden Verluste vernachlässigbar sind, erzeugt C0 üblicherweise ein kapazitives Grundverhalten des Schallwandlers 4, welches über weite Frequenzbereiche auch nicht durch eine Resonanz von Serienschaltungen kompensiert wird. In der 5c ist ein Ersatzschaltzeichen für den Schallwandler 4 dargestellt, welcher insbesondere die parallel zu dem ersten und zweiten Verbraucheranschluss A, B angeschlossene Kapazität C0 umfasst.
Die 6a und b zeigen ein Schaltbild einer Ansteuerung des Schallwandlers 4. In den 6a und b ist eine massebezogene Schaltung als Schalteinrichtung 15 dargestellt, dabei wird die Spannung am Schallwandler 4 in der 6a von U_AB,1 = U_Vcc,single zu U_AB,1 = 0 Volt in der 6b geschaltet, um die Signalspannung zu erzeugen.
In den 6c, d ist eine differentielle Ansteuerung des Schallwandlers 4 als Schalteinrichtung 15 gezeigt. Die Schalteinrichtung 15 ist in vier Schalter A_H, B_H, B_L, A_l aufgeteilt, die Steuereinrichtung 6 zur Steuerung der Schalter A_H, B_H, B_L, A_l ist nicht dargestellt. Die Schalter A_h und B_h verbinden den ersten Spannungsanschluss Vcc mit dem ersten Versorgungsanschluss A bzw. mit den zweiten Verbraucheranschluss B. Die Schalter A_l und B_l verbinden den zweiten Spannungsanschluss Vss mit dem ersten Versorgungsanschluss A bzw. mit den zweiten Verbraucheranschluss B. Im Betrieb werden in einem ersten Schaltzyklus (1) gemäß 6c die Schalter A_h und A_l geschlossen und die Schalter B_h und B_l geöffnet und die Signalspannung am Schallwandler 4 beträgt U_AB,1 = U_Vcc. In einem zweiten Schaltzyklus (2) gemäß 6d werden die Schalter A_h und A_l geöffnet und die Schalter B_h und B_l geschlossen und die Signalspannung am Schallwandler 4 beträgt zu U_AB,1 = –U_Vcc. Dieser Schaltvorgang wird nicht nur einmal, sondern mit einer Schaltfrequenz durchgeführt, um als Signalspannung eine Wechselspannung zu erhalten.
Um für beide Ansteuerungen, also der massebezogenen und der differentiellen Ansteuerung, die gleiche Spitze-Spitze-Spannung (U_Vpp = |U_AB,1 – U_AB,2|) zu erhalten, ergibt sich die Versorgungsspannung für die massebezogene Schaltung gemäß 6a, b zu U_Vcc,single = U_Vpp und für die differenzielle Schaltung gemäß 6c, d zu U_Vcc = 1 / 2U_Vpp.
Somit ist die benötige Versorgungsspannung Vcc bei der differentiellen Ansteuerung halb so hoch wie bei der massebezogenen Ansteuerung.
Bei der Ansteuerung des Schallwandlers 4 durch die als eine Wechselspannung ausgebildete Signalspannung wird die Kapazität C0 ständig umgeladen. Ein Umladen der Kapazität C0 ohne Benutzung resonanter Elemente (zum Beispiel von Induktivitäten) erzeugt Schaltverluste (Ps) abhängig von der zu schaltenden Spannung (allgemein Upp: Spitze-Spitze-Spannung) und der Schaltfrequenz (fs). Der Schaltstrom ist beim reinen Umladen der Kapazität C0 unerheblich. Die Schaltverluste können wie folgt abgeschätzt werden: P_s = U 2 / pp·C0·f_s.
Bei Schallwandlern mit im Betrieb höheren Frequenzen (zum Beispiel größer als 3 kHz) kann das kapazitive Verhalten teilweise durch Induktivitäten kompensiert werden. Jedoch ist dies bei niedrigeren Frequenzen durch sehr große benötigte Induktivitätswerte nicht praktikabel.
Analysiert man nun unter der Annahme, dass die Ansteuerung der Schalter verlustfrei ist und der Schallwandler 4 ausschließlich als die Kapazität C0 modelliert ist, so ergeben sich die Schaltverluste der beiden Ansteuerungen aufgrund der folgenden Überlegungen:
Beim Umladen der Kapazität C0 wird die Ladung Q = C0·Upp benötigt. Die aus der Versorgungsspannung entnommene Verlustleistung ergibt sich aus der entnommenen Ladung (Q), der Wiederholungsfrequenz dieses Vorgangs (fw) und der Versorgungsspannung (Uvcc). P_Verlust = Q·f_w·U_Vcc = C0·U_pp·f_w·U_Vcc
Bei der gleichen Schaltfrequenz (fs) ergibt sich die Wiederholfrequenz für die Entnahme der Energie aus der Versorgungsspannung für die massebezogene Schaltung gemäß 3a, b zu fw = fs, und für die differenzielle Schaltung zu fw = 2fs. Damit ergeben sich für beide Schaltungen unter gegebener Ansteuerung die gleichen Verlustleistungen: P_Verlust,diff = C0· 1 / 2·U_Vpp·2f_s·U_Vpp = C0·U_Vpp·f_s·U_Vpp = P_{Verlust,single}
Der Vorteil des Ausführungsbeispiels in der 6c, d ist jedoch, dass nur die halbe Versorgungsspannung benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil, der bei der differenziellen Schaltung gemäß 6c und 6d ausgenutzt werden kann, ist, dass es nicht notwendig ist, die zum Entladen der Kapazität C0 benötigte Energie aus der Versorgungsspannung zu entnehmen. Die Entladung kann stattdessen durch einen Entladezyklus geschehen, wie dies in den 7a–d gezeigt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Entladezyklus zur Verdeutlichung mit einem weiteren Schalter C realisiert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Verbraucheranschluss A und B angeordnet ist. Der Schalter C bildet eine Kurzschlusseinrichtung 7, welche den ersten Verbraucheranschluss A und den zweiten Verbraucheranschluss B leitend verbinden kann.
In dem ersten Schaltzyklus (1a) in der 7a ist der Schalter A_h und der Schalter A_l geschlossen und die Schalter B_h und B_l geöffnet. Auf diese Weise wird der erste Spannungsanschluss Vcc mit dem ersten Verbraucheranschluss A und der zweite Spannungsanschluss Vss mit dem zweiten Spannungsanschluss B leitend verbunden. In dem ersten Schaltzyklus gemäß der 7a ist der Schalter C und damit die Kurzschlusseinrichtung 7 geöffnet.
In einem Zwischenzyklus (1b) gemäß der 7b werden alle Schalter A_H, B_H, B_L, A_L geöffnet und dafür der Schalter C geschlossen, sodass die Kurzschlusseinrichtung 7 den Schallwandler 4 und damit die Kapazität CO kurzschließt.
In einem zweiten Schaltzyklus (2a) gemäß 7c sind die Schalter A_h und A_l geöffnet und die Schalter B_h und B_l geschlossen. Ferner ist die Kurzschlusseinrichtung 7 geöffnet, indem der Schalter C geöffnet ist. In diesem zweiten Schaltzyklus ist der erste Spannungsanschluss Vcc mit dem zweiten Verbraucheranschluss B und der zweite Spannungsanschluss Vss mit dem ersten Verbraucheranschluss A verbunden.
In einem nächsten Zwischenzyklus (2b) gemäß der 7d wird wieder der Schaltzustand der 4b hergestellt.
Dadurch, dass die zum Entladen der Kapazität benötigte Energie nicht aus der Versorgungsspannung entnommen wird, ergibt sich die zum Umladen der Kapazität C0 aus der Versorgungsspannung benötigte Ladung zu Q = C0· 1 / 2·U_pp.
Damit ergeben sich die Verluste der Schaltung gemäß der 7a–d zu: P_{Verlust,Figur4} = C0· 1 / 2·U_Vpp·2f_s· 1 / 2·U_Vpp
Somit können durch die Nutzung der Kurzschlusseinrichtung 7 die Verlustleistung für das Umladen der Kapazität theoretisch um bis zu 50% reduziert werden. Solange die Ansteuerung der Schalter als verlustfrei angesehen wird, ist es unerheblich, wie die Entladung realisiert wird, solange sie unabhängig von der Versorgungsspannung Vpp und/oder durch den Kurzschluss der beiden differentiellen Punkte A, B des Schallwandlers 4 erzeugt wird. So ist es auch möglich, für diesen Vorgang die schon existierenden Schalter zu verwenden, wie dies in den 8a–d gezeigt ist.
Im Vergleich zu der Ausführungsform in den 7a–6d werden in den Zwischenzyklen gemäß 8b und 8d wahlweise die beiden Schalter B_l und A_l zum Kurzschließen des Schallwandlers 4 verwendet oder alternativ hierzu die Schalter A_h und B_h.
Die Ausführungsbeispiel gemäß der 7a–d und 8a–d haben somit neben dem Vorteil der niedrigen Versorgungsspannung den Vorteil eines geringen Leistungsbedarfs.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß den 9a–9f wird im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Energie aus der Kapazität C0 nicht durch Kurzschluss zum Beispiel in Wärme umgewandelt, sondern genutzt, um eine Steuerversorgungsspannung 13 zu betreiben. Außer der Versorgungsspannung, mit welcher der Schallwandler 4 betrieben wird, wird bei den meisten Schallgebervorrichtungen 2 auch eine niedere Steuerspannung – im Folgenden mit U_Vdd,low bezeichnet – für das Betreiben der Ansteuerung und Signalgeneration benötigt. Diese niedere Steuerspannung U_Vdd,low versorgt z. B. einen Mikrocontroller und eventuell weitere Peripherieelemente.
Abhängig von den eingesetzten Technologien ist die niedere Steuerspannung U_Vdd,low meist sehr niedrig und beträgt um die 3,3 Volt, es sind jedoch auch deutlich niedrigere Spannungen, zum Beispiel 1,8 Volt, möglich. Die für die Kontrolleinrichtung 6 und Steuereinrichtung 14 benötigte Spannung U_Vdd,low ist damit deutlich kleiner als die Versorgungsspannung der Spannungsversorgung 3 von 40 Volt. Um die Energie in der Kapazität C0 für die Signalversorgungsspannung 13 zu nutzen, werden die Zwischenzyklen in zwei Teilschritte unterteilt.
Wie sich aus der 9a ergibt, wurde die Kurzschlusseinrichtung 7 um eine Steuerspannungsversorgung 13 ergänzt, welche über einen Schalter CA mit dem ersten Verbraucheranschluss A und über einen Schalter CB mit dem zweiten Schalteranschluss B verbunden ist.
In der 9a wird in dem ersten Schaltzyklus (1a) der Schallwandler 4 und somit die Kapazität C0 auf U_AB,1a = 40 Volt vorgeladen. In dem ersten Teilschritt (1b) des Zwischenzyklus in der 9b wird die Kapazität C0 bis auf die Höhe der Steuerspannungsversorgung 13 entladen. In dem zweiten Teilschritt (1c) wird die Kapazität C0 komplett entladen. Die gleiche Prozedur mit umgekehrter Polarität folgt dann in den Schritten 4a–2c in den 9d–9f.
In den 10a und 10b sind zwei unterschiedliche Variationen der Steuerspannungsversorgung 13 dargestellt. In der 10a ist eine Steuerspannungsversorgung 13 dargestellt, welche keine allzu hohen Anforderungen an die Welligkeit der Signalversorgungsspannung erreicht. Bei dieser Steuerspannungsversorgung werden eine Referenzdiode oder Z-Diode D1 mit einem Kondensator C1 parallel geschaltet, wobei der Kondensator C1 größer als die Kapazität C0 des Schallwandlers 4 ausgebildet ist.
Bei höherem Stromverbrauch und/oder höherer Anforderung an die Welligkeit der Schaltung sind eventuell komplexere Schaltungen nötig, wie zum Beispiel in der 10b gezeigt. Dabei kommt bei einem Unterschreiten von ca. 4 Volt der zusätzlich benötigte Strom aus einer Zusatzspannungsversorgung Vdd_μC.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Schallgebervorrichtung 2 ist in der 11 gezeigt. Die Funktionsweise, insbesondere die Schaltzyklen (1a), (1b), (1c) sowie (2a), (2b) und (2c) verlaufen in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel in den 9a–9f, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Zur Umsetzung der Schaltzyklen sind in der Schallgebervorrichtung 2 die Schalter anders, insbesondere durch Transistoren, realisiert sowie teilweise durch Dioden ersetzt. Als Eingangssignale werden differentielle Signale (A_CLK, B_CLK) mit der Schaltfrequenz der Schaltzyklen genutzt. Die verzögerte Ansteuerung der Zwischenzyklen und deren Teilschritte erfolgt jeweils durch ein RC-Glied (R_A, C_A; R:B, C_B) und als Pegelumsetzer arbeitende Dioden (D_CA, D_Ah1, D_Ah2; D_CB, D_Bh1, D_Bh2).
Zusätzlich ist der Schallwandler über den Flankenstrom limitierende Elemente (R/L_A, R/L_B: also kleine Induktiven oder Widerstände) und die Schalttransistoren (Q_Ah, Q_Al; Q_Bh, Q_Bl) angeschlossen. Die Dioden D_Ah, D_Al, D_Bh und D_Bl dienen zum limitieren der Schallgeberspannung auf VCC, sowie als Schalter während einiger Schaltzustände. Für die Verdeutlichung der Funktion, wird nur der Schaltzustand der Transistoren Q_Ah, Q_Al, QJCA, Q_Bh, Q_Bl und QJCB, sowie der Dioden D_A und D_B betrachtet, der Zustand der Steuertransistoren ergibt sich entsprechend.
Ausgangslage ist der Schaltzyklus (1a), in dem die Transistoren Q_Ah und Q_/CA leitend sind, d. h. bei Vernachlässigung der Basis-Emitter-Strecken gilt ca. U_AB,1a = 40 V. Beim Umschalten in den Schaltzyklus (2a) wird zunächst der erste Teilschritt des Zwischenzyklus (1b) durchlaufen, wobei Q_Ah, Q_Al und Q_/CA ausgeschaltet werden (dies geht ohne Verzögerung aufgrund von DA), und gleichzeitig Q_Bl eingeschaltet wird. Die AB-Ausgangsstufe, sowie ein geeignet großer Widerstand R_Ah5 helfen die Querströme an VCC zu reduzieren. Solange Q_/CB noch nicht eingeschaltet ist, fließt der Strom über die Diode D_B nach Vdd_low, wobei es für die Entladung unerheblich ist ob die Schalter Q_Al und Q_/CA noch geschaltet sind, da der Strom auch über die Diode D_Al fließen kann. Damit wird die Spannung am Schallwandler 4 auf ca. U_AB1b = U_Vdd,low entladen.
Im zweiten Teilschritt des Zwischenzyklus (1c) wird Q_/CB eingeschaltet, wodurch die Diode D_B sperrt, und die Spannung am Wandler auf ca. U_AB,1c = 0 V entladen wird. Wird jetzt für den Schaltzyklus (2a) Q_Bh eingeschaltet, wird die Spannung auf U_AB,2a = –40 V geladen.
Bei jedem der gezeigten Schallgebervorrichtungen 2, Schalteinrichtungen 15 bzw. Signaleinrichtungen 5 kann eine Messeinrichtung 13 vorgesehen sein, die wahlweise die Wirkleistung P, die Blindleistung Q oder beide oder dazu äquivalente oder proportionale elektrische Größen aufnimmt und diese als IST-Größen dem Kontrollmodul 12 zuführt.
Bei dem in der 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Besonderheit, dass an dem Widerstand R_sense bereits eine zur ungefilterten Wirkleistung proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Wenn somit die Blindleistung Q für die Kontrolle oder Nachführung der Signalfrequenz nicht eingesetzt wird, ist es ausreichend, die Spannung an R_sense mit einer parallel geschalteten Kapazität zu filtern und eventuell noch zu verstärken.
Die 12a–h zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Schaltzustände 1a–c in den 12a–c und die Schaltzustände 2a–c in den 12e–g den Schaltzuständen in den 9a–f entsprechen, sodass auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird.
Zur Vereinfachung des Aufbaus der Schaltung wird – wie mit den Klammern angedeutet – der der zweite Teilschritt 1c bzw. 2c weggelassen. Somit ist der Kurzschlusszustand gemäß den 12c, 12g als optional anzusehen. Hinzugekommen ist jedoch ein dritter Teilschritt (1d, 2d) gemäß der 12d und 12h. In dem dritten Teilschritt (1d) der 12d sind der Schalter B_h und der Schalter CB geschlossen. Damit kann beim Laden der Kapazität des Schallwandlers 4 auf das Potenzial VCC-Vdd_low der fließende Strom für die Steuerspannungsversorgung 8 genutzt werden und damit die Leistung der Steuerspannungsversorgung 8 erhöht werden. In dem dritten Teilschritt (2d) gemäß der 12h sind der Schalter A_h und der Schalter CA geschlossen, sodass die Steuerspannungsversorgung 8 ebenfalls aufgeladen wird.
Die 13 zeigt ein Schaltdiagramm, welches die Prinzipschaltung in den 12a–h umsetzt, wobei – wie mit der Klammer angedeutet – der Schaltzustand gemäß der 12c, g, also die zweiten Teilschritte, nicht umgesetzt wurden. Aufgrund der Auslassung des Zustands 1c, 2c ist im Vergleich zu dem Schaltdiagramm in der 13 die zweite Diode als Pegelumsetzer aus dem Q_Bh1(bzw. Q_Ah1)-Pfad in den R_CB1(bzw. RA1)-Pfad gekommen. Außerdem sind aufgrund der Bipolartransistoren die Basisvorwiderstände RBI1 und RAI1 vorteilhaft. Somit sind die Pegel umsetzenden Dioden nun: D_Ah, D_CA1, D_CA2, D_CB1, D_CB2, D_Bh
Durch den Einsatz von Induktivitäten für R/L_A und R/L_B können Schaltverluste resonant abgefangen und weiter verkleinert werden. Ausgehend vom Zustand 1a, in dem die Schalttransistoren Q_Ah, QAl und Q_/CA leitend sind, werden beim Umschalten in den Zustand 2a die transienten Teilzustände 1b und 1d durchlaufen. Im Zustand 1b wird die Basis des Transistors Q_BI1 über R_BI1 gegen VSS gezogen, dieser wird damit leitend, und lädt über die Diode D_CB Vdd_low. Die nicht mehr leitenden Transistoren Q/CA und Q_Al werden durch die Diode D_Al ersetzt. Der Schallwandler 4 ist nun auf ungefähr Vdd_low entladen. Unter der Annahme dass Vdd_low in der Realisierung recht klein gegenüber VCC ist, ist der Zustand 1c (vollständige Kurzschlussentladung) nicht realisiert. Im nachfolgenden Zustand 1d wird der über den Transistor Q_Bh2 auf VCC-Vdd_low mit gegenläufiger Polarität (U_B > U_A) aufgeladen. Danach folgt der für den größten Teil des Schaltzyklusses statische Zustand 2a, in welchem die Transistoren Q_Ah, Q_Bl und Q_/CB leiten. Die Zustände der 2. Halbwelle folgen nun mit umgekehrten Vorzeichen.
Eine Messeinrichtung 13 zur Ermittlung der Blindleistung Q oder einer dazu äquivalenten Größe in Form einer Schaltung ist in der 14 gezeigt. Zur Umsetzung der Multiplikation von dem zweiten Rechtecksignal oder einem anderen zur Signalspannung um 90° phasenverschobenen Signal mit dem über den Messwiderstand R_Sense abgegriffenen Spannung für die Messung der Blindleistung Q zu realisieren, ist bei der Schaltung aus der 14 der Einsatz von zwei gegenphasig betriebenen 1-Quadrantenmultiplizieren gezeigt. Um der Umschaltung durch die in der 11 und 13 gezeigten, differentiellen H-Brücke Rechnung zu tragen, muss für die Ansteuerung der CLK mit der doppelten Signalfrequenz verwendet werden. Durch die Brückenschaltung wird in der negativen Halbwelle des Schallwandlers am Shuntwiderstand bzw. Messwiderstand R_sense eine negative Spannung (im Vergleich zum Abgriff einer massebezogenen Schaltung) gemessen. Im oberen linken Bereich der 14 sieht man, dass die auf Masse bezogenen Rechtecksignale 8a, b aufgrund der differentiellen Messung zu einem Multiplikator M_0° für den Realteil mit einer konstanten 1 wird und der Multiplikator M_90° für den Imaginärteil +/–1 alterniert, nun aber mit doppelter Frequenz. Der gezeigte Multiplizierer 11a, b ist ein 1-Quadrantenmultiplizierer der nur mit 0 oder 1 multiplizieren kann. Damit ist das Multiplikationssignal für das 0° Signal die Summe, für das 90° die Differenz der beiden Produkte (am Ende des Multiplizierers).
Der Tiefpassfilterung ist mit den Kondensatoren C1 und C2 als TP umgesetzt, welche zusammen mit R3 und R6 die entsprechende Zeitkonstante bilden. Die Kapazität C_Sense parallel zu dem Messwiderstand R_Sense ist nur eingesetzt, um die Spannungsspitzen an V_Sense über der Grenzfrequenz der in den Quadrantenmultiplizierern 11a, b eingesetzten OPs zu verhindern, und muss so klein gewählt werden, um die Wirk- und Blindleistungsdetektion nicht signifikant zu verfälschen. Das Verhältnis zwischen A_CLK, B_CLK, A_CLK2 und B CLK2 ist in dieser 12 ebenfalls dargestellt. Für die Auswertung der Blind- und Wirkleistungsanteile gilt: U_Blind = U_C1 – U_C2; U_wirk = U_C1 + U_C2 wie schon im vorigen Absatz beschrieben, ist für die Auswertung von P bzw.
Uwirk kein Multiplizierer notwendig, jedoch kann – wenn auch die Blindleistung Q ausgewertet werden soll – auf diese Weise auch die Wirkleistung P ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand ausgelesen werden. Um der Invertierung der Multiplizierer Rechnung zu tragen, sind die Spannungen auf Vdd_μC zu beziehen, oder es ist bei der Auswertung der Blindleistung Q das negative Vorzeichen zu berücksichtigen. Bei der Wirkleistung P kann in diesem Fall auf das Minimum des Spannungssignals Uwirk ausgeregelt werden, welches dem Maximum der Wirkleistung P entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Brandmelder/Signalvorrichtung
2: Schallgebervorrichtung
3: Spannungsversorgung
4: Schallwandler
5: Signaleinrichtung
6: Kontrolleinrichtung
7: spannungskontrollierter Oszillator (VCO)
8a, b: Rechtecksignale
9a, b: Ausgänge
10: Verstärkereinrichtung
11a: Quadrantenmultiplizierer
12: Kontrollmodul
13: Steuerversorgungsspannung
14: Steuereinrichtung
15: Schalteinrichtung
16: Messeinrichtung
VCC: erster Spannungsanschluss
VSS: zweiter Spannungsanschluss
A: erster Verbraucheranschluss
B: zweiter Verbraucheranschluss
P: Wirkleistung
Q: Blindleistung
R: Resonanzfrequenz
f: Frequenz
p: Schalldruck
Mp: Maximum des Schalldrucks
MP: Maximum der Wirkleistung
R_Sense: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008003799 A1 [0003]

Claims

Schallgebervorrichtung (2) mit einem Schallwandler (4), mit einer Signaleinrichtung (5) zur Versorgung des Schallwandlers (f) mit einer Signalspannung mit einer Signalfrequenz, mit einer Kontrolleinrichtung (6) zur Kontrolle der Signaleinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (5) ausgebildet ist, die Signalfrequenz in der Signaleinrichtung (5) derart nachzuführen, dass die Schallgebervorrichtung in einer Resonanzfrequenz (R) betrieben ist.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (13) zur Messung von mindestens einer elektrischen Größe (P; Q) in der Schallgebervorrichtung (2), wobei die mindestens eine elektrische Größe (P; Q) eine IST-Größe für die Kontrolleinrichtung (6) zur Nachführung der Signalfrequenz bildet.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Größe (P; Q) als eine Wirkleistung (P) oder dazu äquivalente Größe der Signaleinrichtung – nachfolgend zusammenfassend als Wirkleistung (P) bezeichnet – ausgebildet ist.
Schallgebervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkleistung (P) als ein Produkt der Signalspannung mit einem Signalstrom in der Signaleinrichtung (5) ausgebildet ist.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (6) zur Stellung der Signalfrequenz ausgebildet ist, so dass die Wirkleistung (P) in einem Extremum, insbesondere in einem Maximum liegt.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Größe als eine Blindleistung (Q) oder dazu äquivalente Größe der Signaleinrichtung – nachfolgend zusammenfassend als Blindleistung bezeichnet – ausgebildet ist.
Schallgebervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistung (Q) als ein Produkt der um 90° phasenverschobenen Signalspannung mit einem Signalstrom in der Signaleinrichtung (5) ausgebildet ist.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (6) zur Stellung der Signalfrequenz ausgebildet ist, so dass die Blindleistung (Q) bei einem vorgebbaren SOLL-Wert liegt.
Schallgebervorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (6) sowohl die Blindleistung (Q) als auch die Wirkleistung (Q) als IST-Größen nutzt.
Schallgebervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Spannungsversorgung (3), welche zwischen einem ersten Spannungsanschluss (Vcc) und einem zweiten Spannungsanschluss (Vss) eine Versorgungsspannung bereitstellt, wobei der Schallwandler (4) einen ersten Verbraucheranschluss (A) und einen zweiten Verbraucheranschluss (B) aufweist, wobei die Signaleinrichtung (5) eine Schalteinrichtung (15) zur Verschaltung des Schallwandlers (4) mit der Spannungsversorgung (3) und eine Steuereinrichtung (14) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (14) ausgebildet ist, die Schalteinrichtung (15) derart anzusteuern, dass in einem ersten Schaltzyklus (1a) der erste Spannungsanschluss (Vcc) mit dem ersten Verbraucheranschluss (A) und der zweite Spannungsanschluss (Vss) mit dem zweiten Verbraucheranschluss (B) verbunden ist, und in einem zweiten Schaltzyklus (2b) der Schallwandler (4) gegenüber der Spannungsversorgung (3) verpolt ist, wobei der ersten Spannungsanschluss (Vcc) mit dem zweiten Verbraucheranschluss (B) und der zweite Spannungsanschluss (Vss) mit dem ersten Verbraucheranschluss (A) verbunden ist, um die Signalspannung mit der Signalfrequenz zu erzeugen.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (13) an dem zweiten Spannungsanschluss die elektrische Größe (P; Q) misst.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (13) einen Messwiderstand (R_Sense) umfasst, wobei der Messwiderstand (R_Sense) in Reihe in dem zweiten Spannungsanschluss (Vss) angeordnet ist, wobei die Messeinrichtung (13) die an dem Messwiderstand (R_Sense) abfallende Spannung als Messspannung aufnimmt.
Schallgebervorrichtung (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannung als Wirkleistung (Q) ausgebildet ist.
Brandmelder (1) mit der Schallgebervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.