DE102017112461A1

DE102017112461A1 - Verfahren, Empfänger und System zur kombinierten optischen Energie- und Signalübertragung

Info

Publication number: DE102017112461A1
Application number: DE102017112461.6A
Authority: DE
Inventors: Gerd Siebold
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Ein Verfahren zum drahtlosen Betreiben eines Kopfhörers oder Ohrhörers enthält die Schritte Modulieren einer Lichtquelle (D1) mit zu übertragenden Audiodaten, wobei moduliertes Licht entsteht, Empfangen des modulierten Lichts mittels eines photovoltaischen Elements (P), das das empfangene modulierte Licht in eine modulierte elektrische Spannung (U) umwandelt, und Umwandeln der modulierten elektrischen Spannung (U) in hörbaren Schall mittels eines Schallwandlers (W) des Kopfhörers oder Ohrhörers. Dabei betreibt ausschließlich Energie der modulierten elektrischen Spannung den Schallwandler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, einen Empfänger und ein System zur kombinierten optischen Energie- und Signalübertragung.
Hintergrund
Zur drahtlosen Übertragung von Audiodaten auf Kopfhörer oder Ohrhörer sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Meist werden Funkwellen zur Übertragung benutzt, die jedoch störanfällig sind, weil viele Geräte sich einen bestimmten Frequenzbereich teilen. Die Audiodaten können auch optisch als moduliertes Licht zum Hörer übertragen werden. In diesem Fall empfängt der Hörer das modulierte Licht und wandelt es in modulierte elektrische Spannung um, wodurch das Audiosignal wiedergewonnen wird. Das Audiosignal wird dann verstärkt und mittels eines Schallwandlers hörbar gemacht. Da der Hörer drahtlos ist, benötigt er konventionell eine interne Energiequelle, z.B. eine Batterie oder einen Akkumulator, um den Verstärker zu betreiben. Daher wird auch der im Hörer befindliche Schallwandler im Wesentlichen mit der Energie der internen Energiequelle betrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines energieeffizienten und störunempfindlichen Verfahrens zum drahtlosen Betreiben eines Kopfhörers oder Ohrhörers. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines drahtlosen Kopfhörers oder Ohrhörers, der möglichst energieeffizient betrieben werden kann und störunempfindlich ist. Außerdem soll die Energieversorgung des drahtlosen Hörers möglichst einfach und wartungsfrei gestaltet werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einen Empfänger für einen Kopfhörer oder Ohrhörer gemäß Anspruch 6, einen Kopfhörer oder Ohrhörer gemäß Anspruch 9 sowie ein Audio-Übertragungssystem gemäß Anspruch 10 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Empfänger für einen Kopfhörer oder Ohrhörer ein photovoltaisches Element, das mit Audiofrequenzen moduliertes Licht empfangen kann und damit in der Lage ist, sowohl die zum Betrieb des Kopfhörers oder Ohrhörers notwendige Energie als auch gleichzeitig ein wiederzugebendes Audiosignal bereitzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigt

1 ein drahtloses optisches Audio-Übertragungssystem;
2 ein Ausgangssignal eines photovoltaischen Elements, das mit moduliertem Licht beschienen wird; und
3 ein Prinzipschaltbild eines optischen Empfängers mit Gleichspannungsrückgewinnung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein drahtloses optisches Audio-Übertragungssystem mit einem optischen Sender 100, einem optischen Empfänger 200, 200' und einem dynamischen Schallwandler W. Der optische Sender 100 wandelt ein zu übertragendes elektrisches Audiosignal A_in in moduliertes Licht um, das von einer Leuchtdiode (LED) D1 abgestrahlt wird. Dabei können in diesem Beispiel die Eingangsimpedanz und/oder der Frequenzgang des Senders mittels zweier Potentiometer R2, R3 eingestellt werden. Im optischen Empfänger 200, 200' wird mittels eines photovoltaischen Elements P, z.B. einer Solarzelle, das modulierte Licht in eine modulierte elektrische Spannung U umgewandelt. An diese kann direkt ein Schallwandler W angeschlossen werden, der die modulierte elektrische Spannung in akustischen Schall umwandelt. Der Empfänger kann auch eine Schnittstelle X1 für einen anzuschließenden Schallwandler enthalten, z.B. eine Klinkenbuchse. In diesem Beispiel wird ein dynamischer Schallwandler W benutzt, so dass es vorteilhaft ist, einen Koppelkondensator C2, C2' im Stromkreis vorzusehen. Erfindungsgemäß werden der optische Empfänger 200,200' und der Schallwandler W ausschließlich mit der aus dem photovoltaischen Element P gewonnenen Energie bzw. Spannung betrieben. Die vom photovoltaischen Element P gelieferte Energie ist im Wesentlichen die Energie des modulierten Lichts. Vorteilhafterweise wird keine zusätzliche Energieversorgung für den Empfänger benötigt. Gleichzeitig enthält das modulierte Licht die wiederzugebende Audioinformation, die über den Schallwandler wiedergegeben wird. Wie sich herausgestellt hat, reagieren handelsübliche photovoltaische Elemente P schnell genug, um mindestens über den hörbaren Frequenzbereich eine Modulation des empfangenen Lichtes in eine entsprechende Modulation der abgegebenen elektrischen Spannung umzusetzen. Dabei kann ein Frequenzbereich von deutlich über 20 kHz erreicht werden, was für Audioübertragung ausreichend ist. Licht hat gegenüber den üblicherweise benutzten elektromagnetischen Funkwellen nicht nur den Vorteil, dass es mehr Energie überträgt, sondern auch, dass es auf einfache Weise stark fokussiert werden kann. Somit geht wenig Energie verloren, und andere Übertragungssysteme in der Nähe werden praktisch nicht gestört, selbst wenn sie nach demselben Prinzip arbeiten oder sogar baugleich sind. Verschiedene Modulationsverfahren können verwendet werden, z.B. analoge Amplitudenmodulation wie in 1 dargestellt oder digitale Pulsweitenmodulation. Bei Verwendung von Pulsweitenmodulation beruht die Demodulation auf den Wechselstromeigenschaften bzw. der integrierenden Wirkung des Koppelkondensators und des Schallwandlers.
2 zeigt beispielhaft ein Ausgangssignal eines photovoltaischen Elements, das mit amplitudenmoduliertem Licht beschienen wird. Das photovoltaische Element kann z.B. eine Solarzelle sein. Diese erzeugt eine der Lichtstärke entsprechend modulierte elektrische Gleichspannung. Diese enthält normalerweise einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil. Der Gleichspannungsanteil hängt von der verwendeten Solarzelle, vom Umgebungslicht und vom Modulationsgrad des modulierten Lichts des Senders ab. Der Gleichspannungsanteil wird im Empfänger vom Koppelkondensator C2, C2' geblockt bzw. lädt diesen auf. Der Wechselspannungsanteil kann den Koppelkondensator passieren und betreibt den Schallwandler W. Dadurch werden die im modulierten Licht enthaltenen Frequenzen direkt hörbar gemacht. Daher kann die Wiedergabelautstärke des Schallwandlers W verändert werden durch Ändern des Modulationsgrades der Amplitudenmodulation und/oder durch Ändern der Lichtstärke der Lichtquelle D1.
Es ist jedoch in einer Ausführungsform der Erfindung auch möglich, den Gleichspannungsanteil zumindest teilweise zu nutzen, z.B. um damit einen Verstärker oder einen anderen Verbraucher zu betreiben. Dazu kann mindestens ein Teil ΔU des Gleichspannungsanteils genutzt werden.
Zur weiteren Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels zeigt 3 ein Prinzipschaltbild eines optischen Empfängers. Das photovoltaische Element entspricht einer Spannungsquelle 210, die eine modulierte Spannung U_i erzeugt und einen Innenwiderstand R_i aufweist. Auch die abgegebene Spannung U ist entsprechend der Stärke des einfallenden Lichtes moduliert. Durch den Koppelkondensator C2 wird nur ein Wechselspannungsanteil der modulierten Spannung U an den Schallwandler W weitergegeben. Der Gleichspannungsanteil, der durch den Koppelkondensator C2 geblockt wird, kann abgezogen und in eine Versorgungsspannung für einen Verstärker oder einen anderen Verbraucher umgewandelt werden. Da hierbei eine maximale Stromstärke nicht überschritten werden sollte, ist die entsprechende Schaltung hier als Stromquelle 220 dargestellt. Sie kann so ausgestaltet sein, dass sie bei einem Rückgang der Beleuchtung und damit der Spannung U ihre Stromstärke bzw. Stromaufnahme reduziert, um weiterhin eine Audiowiedergabe zu ermöglichen, ohne dass die Spannung U zusammenbricht. Wenn die Spannung zur Versorgung eines Verstärkers genutzt wird, kann der Koppelkondensator C2 an den Eingang des Verstärkers und der Schallwandler W an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen werden. Dabei erfolgt auch hier der Betrieb ausschließlich mit Energie, die das photovoltaische Element P aus dem Licht gewinnt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum drahtlosen Betreiben eines Kopfhörers oder Ohrhörers enthält die Schritte Modulieren einer Lichtquelle D1 mit zu übertragenden Audiodaten, wobei moduliertes Licht entsteht, Empfangen des modulierten Lichts mittels eines photovoltaischen Elements P, das das empfangene modulierte Licht in eine modulierte elektrische Spannung U umwandelt, und Umwandeln der modulierten elektrischen Spannung U in hörbaren Schall mittels eines Schallwandlers W des Kopfhörers oder Ohrhörers, wobei ausschließlich Energie der modulierten elektrischen Spannung den Schallwandler betreibt.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der erfindungsgemäße Kopfhörer oder Ohrhörer bzw. das Verfahren zu seinem drahtlosen Betrieb energieeffizient und störunempfindlich ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Energieversorgung des drahtlosen Kopf- oder Ohrhörers sehr einfach und wartungsfrei ist, weil zum Betrieb des Schallwandlers W keine weitere Energiequelle außer dem photovoltaischen Element P benutzt wird.
Die Erfindung kann vorteilhaft zur optischen Sprach- oder Musikübertragung, z.B. in Systemen zur Besucherführung etwa in Ausstellungen oder Museen, eingesetzt werden, weil das aufwändige Austauschen bzw. Aufladen der Spannungsversorgung der Hörer entfällt. Allgemein ist die Erfindung unter solchen Umständen vorteilhaft einsetzbar, in denen eine eigenständige Spannungsversorgung im Hörer nicht wünschenswert ist.

Claims

Verfahren zum drahtlosen Betreiben eines Kopfhörers oder Ohrhörers mit den Schritten Modulieren einer Lichtquelle (D1) mit zu übertragenden Audiodaten, wobei moduliertes Licht entsteht; Empfangen des modulierten Lichts mittels eines photovoltaischen Elements (P), das das empfangene modulierte Licht in eine modulierte elektrische Spannung (U) umwandelt; und Umwandeln der modulierten elektrischen Spannung (U) in hörbaren Schall mittels eines Schallwandlers (W) des Kopfhörers oder Ohrhörers, wobei ausschließlich die aus dem photovoltaischen Element (P) gewonnene elektrische Spannung den Schallwandler betreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels eines Kondensators (C2) ein Wechselspannungsanteil aus der modulierten elektrischen Spannung abgetrennt wird und der abgetrennte Wechselspannungsanteil den Schallwandler (W) betreibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei keine weitere Energiequelle außer dem photovoltaischen Element (P) zum Betrieb des Schallwandlers (W) benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Modulation der Lichtquelle (D1) eine Amplitudenmodulation mit Frequenzen im hörbaren Frequenzbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem zusätzlichen Schritt Ändern der Wiedergabelautstärke des Schallwandlers (W) durch Ändern des Modulationsgrades der Amplitudenmodulation und/oder durch Ändern der Lichtstärke der Lichtquelle (D1).
Drahtloser Empfänger (200, 200') für einen Kopfhörer oder Ohrhörer mit einem photovoltaischen Element (P) zur Umwandlung empfangenen modulierten Lichts in eine modulierte elektrische Spannung (V); und einer Schnittstelle (X1) zum direkten Anschluss eines Schallwandlers, wobei an der Schnittstelle die modulierte elektrische Spannung ausgegeben wird und ein an die modulierte elektrische Spannung angeschlossener Schallwandler (W) ausschließlich von dieser betrieben wird.
Empfänger nach Anspruch 6, weiterhin mit einem Kondensator (C2, C2'), wobei mittels des Kondensators ein Wechselspannungsanteil aus der modulierten elektrischen Spannung (U) abgetrennt wird und der abgetrennte Wechselspannungsanteil an der Schnittstelle ausgegeben wird.
Empfänger nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Empfänger und der Kopfhörer oder Ohrhörer keine weitere Energiequelle außer dem photovoltaischen Element hat.
Kopfhörer oder Ohrhörer mit mindestens einem Schallwandler (W) und mindestens einem drahtlosen Empfänger (200') nach einem der Ansprüche 6-8, wobei der Schallwandler direkt an die Schnittstelle (X1) des Empfängers angeschlossen ist.
Audio-Übertragungssystem mit einem optischen Sender (100), der ein zu übertragendes Audiosignal (A_in) in moduliertes Licht umwandelt; einem optischen Empfänger (200,200'), der mittels eines photovoltaischen Elements (P) das modulierte Licht in eine modulierte elektrische Spannung (U) umwandelt; und einem dynamischen Schallwandler (W), der an die modulierte elektrische Spannung angeschlossen ist und diese in akustischen Schall umwandelt, wobei der optische Empfänger und der Schallwandler (W) ausschließlich mit der aus dem photovoltaischen Element (P) gewonnenen Energie betrieben werden.
Audio-Übertragungssystem nach Anspruch 10, wobei das modulierte Licht mit Frequenzen im hörbaren Frequenzbereich amplitudenmoduliert ist und durch Ändern des Modulationsgrades der Amplitudenmodulation und/oder durch Ändern der Lichtstärke des optischen Senders die Wiedergabelautstärke des Schallwandlers geändert wird.