DE19701945A1 - Fernschaltung mit mechanischem Ultraschall-Schwinger - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die schnurlose Fernschaltung eines elektrischen Gerätes, insbesondere einer Lichtquelle, mittels Ultraschall nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Stand der Technik

Solche schnurlosen Fernschaltungen mittels Ultraschall sind besonders als Fernbedienung bei Geräten der Unterhaltungselektronik bekannt.

Sie bestehen aus einem separaten freibeweglichen Ultraschallsender und einem mit dem zu schaltendem Gerät verbundenen Empfänger.

Der Ultraschall wird vom Sender durch eine geeignete Elektronik erzeugt und vom Empfänger durch eine Elektronik ausgewertet und in entsprechende Schaltimpulse (Ein/Aus, Wahl von Fernsehkanälen, Lautstärkereglung usw.) verwandelt.

Da Sender und Empfänger nicht durch Leitung verbunden sind, bedürfen beide einer gesonderten Stromversorgung.

Beim Empfänger ist diese bereits durch das zu schaltende elektrische Gerät gegeben.

Der Sender hingegen ist nicht mit dem Netz verbunden. Sein Gebrauchsvor­ teil besteht gerade darin, schnurlos und frei beweglich zu sein.

Das führt zu dem erheblichen Nachteil, daß der Sender eine Batterie erfordert.

Der Batteriebetrieb mindert den Komfort durch Betriebsunterbrechung und Batteriewechsel.

Er erhöht die Betriebskosten und belastet die Umwelt.

Diese Nachteile sind wohl Grund da für, daß sich die bei der Unterhaltungs­ elektronik heute übliche Fernbedienung bei Lichtschaltern nicht durchge­ setzt hat.

Solche Schalter für Deckenleuchten sind zur Zeit einerseits mit dem Netz und andererseits mit der Lichtquelle verbunden.

Der Aufwand zur Verlegung dieser Leitungen, heute meist unter Putz, ist erheblich.

Er steigt weiter an, wenn von zwei oder mehr Stellen eine Lichtquelle zu schalten ist (Wechselschalter).

Es ist bei der bisherigen Art von großem Nachteil, daß Schalter und Leitung ortsfest sind und bei Änderung der Nutzung des Raumes oder zusätzlichen Lichtquellen hohe Kosten durch Neuverlegung und nachfolgende Renovierung anfallen.

Bei Deckenleuchten kommt bei Nutzung einer heute üblichen Fernbedienung mittels Ultraschall oder Infrarot hinzu: Während man bei Geräten der Unterhaltungselektronik im Falle des Batterieausfalles der Fernbedienung diese Geräte auch direkt bedienen kann, sind Deckenleuchten meist nicht normal zugänglich.

Bei Lichtschaltern muß prinzipiell das Einschalten am Raumeingang möglich sein, auch wenn die Lampe einen gut erreichbaren Direktschalter hat. Es ist nicht zumutbar, daß man bei Batterieausfall einer am Eingang plazier­ ten Fernbedienung in den dunklen Raum zur Lampe gehen muß.

Nachteilig ist der Batteriebetrieb bzw. der erforderliche Netzanschluß auch bei Alarmanlagen, welche bei Öffnen von Türen oder Fenstern Licht­ quellen oder eine Warnakustik einschalten sollen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Fernschaltung elektri­ scher Geräte, insbesondere für Lichtquellen, zu ermöglichen, bei der der manuell betätigt Schalter ohne Kabel zu diesem Gerät und zum Netz auskommt und weder eine Batterie noch andere Hilfsenergie erfordert.

Es soll die Schaltung eines elektrischen Gerätes von einer beliebigen Anzahl solcher im Raum verteilter Schalter möglich sein, die sowohl an der Wand befestigt als auch wie die bekannten Fernbedienungen frei beweglich sein können.

Neben dem für Lichtquellen üblichen Ein/Aus-Schalter sollen wahlweise auch Bedienfunktionen wie Hell/Dunkel-Regelung möglich sein.

Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß der Schalter oder, bei mehr als einer Funktion, das Bediengerät Ultraschall aussendet, der durch einen oder mehrere mechanische Schwinger erzeugt wird und diese Schwinger durch einen handbetätigten Schlagmechanismus mit einem oder mehreren Bedienele­ menten erregt werden.

Um eine genau definierte Ultraschallquelle mit gut auswertbarer Frequenz zu erreichen, sind Ringe oder Kreisplatten aus Materialien mit geringer Dämpfung, wie gehärteter Stahl, Glas oder Keramik besonders geeignet.

Besonders gute Ausstrahlungen erreicht man mit Ringen mit Doppel-T-Profil, bei denen der innere Abstand zwischen den Schenkeln dieses Profils als Resonanzstrecke zur Verstärkung der Eigenfrequenz dieses Schwingers ausgebildet ist.

Um ein möglichst langes und reines Nachklingen des mechanischen Schwingers zu erreichen, stützt man ihn zweckmäßig an den Schwingknoten (Schwingung des Ringes in seiner Ebene) bzw. der Knotenlinie (Querschwingung einer Platte) und schlägt durch den Schlagmechanismus im Schwingungsmaximum an.

Wesentlich für die Lösung ist es, daß die am zu schaltenden elektrischen Gerät befindliche elektronische Empfängerelektronik das Ultraschallsignal des Senderschalters von allen anderen im Raum denkbaren Schallquellen unterscheiden kann.

Dem dient die oben beschriebene Reinheit der Frequenz des mechanischen Schwingers und seine definierte Abklingkurve, die als Hüllkurve ausgewer­ tet wird.

Zur weiteren Verbesserung der sicheren Identifizierung des Signals wird vorgeschlagen, den Schlagmechanismus so zu gestalten, daß bei einer Betätigung von Hand der mechanische Schwinger zweimal oder mehrmals in genau definiertem Zeitabstand angeschlagen wird und der Ultraschallempfän­ ger diesen Zeitabstand zur Identifizierung auswertet.

Die Erfindung ist auch bei Alarmanlagen, welche bei Öffnung von Fenstern oder Türen Lichtquellen oder akustische Signale schalten sollen, nützlich. Der Schlagmechanismus zur Erregung des mechanischen Schwingers wird hier nicht von Hand, sondern durch die Bewegung des überwachten Objektes ausgelöst.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Lichtschalter mit ringförmiger mechanischer Ultraschallquelle und zugehörigem handbetätigtem Schlagmechanismus (Draufsicht ohne Taster);

Fig. 2 Schnittdarstellung aus Fig. 1 des Ringprofiles als Doppel-T und einen Aufhängungspunkt;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Lichtschalter mit mechanischer Ultraschall­ quelle in Form einer Kreisplatte und zugehörigem handbetätigtem Schlagmechanismus;

Fig. 4 einen Schlagmechanismus für Doppelanschlag mit definiertem Zeitabstand;

Fig. 5 einen Lichtschalter mit Ein/Aus-Funktion und Hell/Dunkel-Taster;

Fig. 6 einen vorgespannten Schlagmechanismus zur Alarmauslösung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik mit Hüllkurven-Auswertung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik mit Mehrfach-Auswertung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schalter, welcher mit nur einem mechanischen Schwinger ausgerüstet ist, hier als Ring (1) ausgebildet, gezeigt, also der klassische Ein/Aus-Schalter.

Dieser Ring ist an vier Aufhängungen (2) lose aufgehängt, welche an den Schwingungsknoten der Schwingform (11) angeordnet sind, so daß der Ring frei schwingen kann. Eine Blattfeder (3) mit einem Klöppel (4) ist in einer Aufnahme (7) eingespannt. An den beiden Drehpunkten (8) ist ein nicht dargestellter Taster gelagert, an dem sich der in Fig. 1 gezeigte Betätigungsstift befindet. Wird der Taster manuell betätigt, lenkt dieser Betätigungsstift mittels der an der Blattfeder (3) befindlichen Schräge (5) die Blattfeder mit dem Klöppel (4) aus. Ist der Stift (6) an der Schräge (5) vorbeigeglitten, schlägt der Klöppel (5) auf den Ring (1), und zwar mittig zwischen den Aufhängepunkten (2).

Der Ultraschall ist ausgelöst. Er verbreitet sich im Raum und erreicht die Auswerteelektronik, welche beispielsweise im Wechsel eine Lichtquelle ein- und ausschaltet.

Es können mehrere solcher Schalter nach Fig. 1 mit dem gleichen Ring, d. h. gleicher Ultraschallfrequenz im Raum vorhanden sein. Diese können teils an der Wand befestigt sein, teils am Sitzplatz liegen. Sie benötigen weder eine elektrische Zuleitung noch eine Batterie.

Blattfedereinspannung (7), Tasterdrehpunkte (8) und die Ringaufhängung (2) sind einstückig mit der Gehäuseplatte (9) verbunden, in der auch Befesti­ gungslöcher (10) für die Wandbefestigung vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt Querschnitt des Ringes (1). Der Abstand zwischen den Schenkeln des Doppel-T-Profiles läßt sich in bekannter Weise so bemessen, daß der dazwischenliegende Raum als Resonanzraum der Ring-Eigenfrequenz dient.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtschalter mit Kreis­ scheiben-Schwinger (15). Der Schlagmechanismus besteht hier wieder aus der Blattfeder (3), welche bei (7) eingespannt ist, und den Klöppel (4) trägt. Bei Betätigung des Taster (12) gleitet der an diesem befestigte Zupfbügel (14) mit seinem Haken über die Blattfeder. Nach Loslassen geht der Taster unter Wirkung der Rückstellfeder (13) zurück, der Zupfbügel spannt die Blattfeder, bis schließlich der Klöppel gegen die Kreisplatte schnellt. Er trifft sie in ihrem Zentrum. Die Schwingform ist durch Linie (16) gezeigt.

Vier Befestigungspunkte (17) befinden sich auf der Schwingungsknotenlinie dieser Schwingform.

Fig. 4 zeigt eine Modifizierung des in Fig. 1 gezeigten Schlagmechanismus. Der Klöppel der ersten Blattfeder (3) ist als Hohlklöppel ausgebildet. Über der Blattfeder (3) ist eine zweite Blattfeder (18) angeordnet und in der gleichen Stelle (7) eingespannt. In ihr ist der zweite Klöppel (20) befestigt, der mit einem Ende durch den Hohlklöppel (19) ragt. Die Betätigung erfolgt wieder durch den am Taster befindlichen Betätigungs­ stift (6), der über die Schräge (5) jetzt sowohl die Blattfeder (3) als auch die auf ihr aufliegende Blattfeder (18) spannt. Es ist nun so eingerichtet, daß das Feder-Masse-System (3/19) schneller schwingt als das Feder-Masse-System (18/20) (z. B. indem bei gleicher Federkonstante der beiden Blattfedern die Masse des Hohlklöppels (19) geringer ist als die des Klöppels (20). Dadurch trifft der Klöppel (20) etwas später auf den Ring (1) als der Hohlklöppel (19). Es werden zwei Signale mit definiertem Zeitabstand abgegeben, die neben der Frequenz und der Abklingkurve zur Identifizierung durch die Auswerteelektronik dienen.

Es ist sichergestellt, daß nicht andere Schallquellen zu nicht gewollter Schaltung führen.

Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf einen Schalter mit zwei Tastern. Der rechte ist der Ein-Aus-Taster (21), wie er zur Betätigung der in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigten Beispiele eines Schlagmechanismus dient.

Der linke ist ein Hell-Dunkel-Taster (22). Er betätigt einen zweiten Schlagmechanismus in gleicher Weise, wobei ein zweiter mechanischer Schwinger erregt wird, der eine andere Eigenfrequenz und andere Kennungen hat. Mit ihm kann durch die Auswerteelektronik zwischen zwei Helligkeits­ stufen der Lichtquelle gewechselt werden. Die Taster haben Schallöffnungen (28) und sind auf einer gemeinsamen Gehäuseplatte (9) drehbar befestigt.

Fig. 6 zeigt einen Schalter, wie er besonders zur Auslösung von Alarmanla­ gen geeignet ist. Der Schlagmechanismus besteht wieder aus Blattfeder und Klöppel (4). Er ist vorgespannt durch den Spannhaken (23), welcher an der Spannwelle (24) sitzt. Die Tastspitze (25) wird gegenüber einem Objekt positioniert, dessen Bewegung zu überwachen ist (Tür, Fenster). Wird die Tastspitze verschoben, gibt der Spannhaken (23) die Blattfeder (3) frei und der Klöppel (4) schlägt auf den mechanischen Schwinger. Die Auswerte­ elektronik löst nun in bekannter Weise Alarm aus (Licht, Akustik).

Durch Ausschwenken des Spannhakens (23) um die Achse der Spannwelle (24) mittels Spanngriff (26), Eindrücken und Zurückschwenken gleitet der Spannhaken (23) unter die seitlich an der Blattfeder befindliche Schräge (5) und spannt den Schlagmechanismus neu.

Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer Auswerteelektronik des Ultraschall­ signals mit Hüllkurvenauswertung. Das vom Ultraschall-Receiver (30) empfangene Signal wird mit einem Impedanz-Wandler/Verstärker (31) vorverstärkt und über ein schmalbandiges Bandfilter hoher Güte (32) frequenz-selektiv weiterverstärkt, um außerhalb des Nutzsignals auftre­ tende Frequenzen wirksam zu unterdrücken. Das so aufbereitete und in seiner Dynamik noch voll erhaltene Signal wird gleichzeitig einem Spitzenwert-Gleichrichter (33) und einem Effektivwert-Gleichrichter (34) zugeführt. Das Ausgangssignal des Effektivwert-Gleichrichters (34) wird über einen Tiefpaß (35) zeitverzögert und mittels eines Komparators (36) mit dem über einen Abschwächer (37) bedämpften Ausgangssignal des Spitzenwert-Gleichrichters (33), welches ein Abbild der Hüllkurve ist, verglichen. Übersteigt das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters (35) das bedämpfte Hüllkurvensignal, so schaltet der Komparator (36). Die Zeitkon­ stanten und Verstärkungen der Anordnung werden nun so gewählt, daß der Komparator (36) nur schaltet, wenn die Hüllkurve des Ultraschallsignals flach abfällt, d. h. der Erreger mit relativ geringer Dämpfung frei ausschwingen kann. Damit werden kurze Signal-Bursts auf der Nutzfrequenz, unabhängig von ihrer Amplitude, sicher ausgeblendet. Der Ausgang des Komparators wird einem Flip-Flop (38) zugeführt, welches bei jeder positiven Schaltflanke des Komparators (36) seinen Ausgangszustand wechselt. Der Ausgang des Flip-Flops (38) steuert einen im Lastkreis befindlichen Leistungsschalter (39) an, der dann z. B. die Deckenleuchte ein- und ausschaltet.

Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild einer Auswerteelektronik, die komplexere Signalbewertungen zuläßt. Auch hier wird das vom Ultraschall-Receiver (30) empfangene Signal mit einem Impedanzwandler/Vorverstärker (31) und einem Bandpaß (32) aufbereitet und daraus mit einem Spitzenwert-Gleichrichter (33) das (niederfrequente) Hüllkurvensignal gewonnen. Dieses wird einem Analog-Digital Wandler (40) hoher Auflösung und relativ geringer Abtast­ rate zugeführt. Geeignet sind hier z. B. preiswerte Dual-Slope-Wandler. Das digitalisierte Signal wird in einem Micro-Controller (41) weiterverar­ beitet, in dem problemlos gleichzeitig eine Hüllkurvenbewertung in Amplitude und Verlauf (Anstieg), eine Messung der zeitlichen Abstände zwischen mehreren Impulsen sowie weitere Bewertungsalgorithmen möglich sind. Der Micro-Controller (41) steuert seinerseits den im Lastkreis befindlichen Leistungsschalter (39) an, der in diesem Fall auch als Dimmer ausgeführt sein kann. Dadurch ist es möglich, bei Verwendung unterschied­ licher Kennungen (Abstände in der Impulsfolge) eine Hell-/Dunkelsteuerung zu realisieren.

Bezugszeichenliste

1

Ringschwinger

2

Ringaufhängung

3

Blattfeder

4

Klöppel

5

Schräge

6

Betätigungsstift

7

Blattfeder-Einspannung

8

Drehbefestigung des Tasters

9

Gehäuseplatte

10

Befestigungslöcher

11

Schwingform des Ringes

12

Taster

13

Rückstellfeder des Tasters

14

Zupfbügel

15

Kreisplatten-Schwinger

16

Schwingform der Kreisplatte

17

Lattenaufhängung

18

zweite Blattfeder

19

Hohlklöppel

20

zweiter Klöppel

21

Ein-Aus-Taster

22

Hell-Dunkel-Taster

23

Spannhaken

24

Spannwelle

25

Tastspitze

26

Spanngriff

27

Oberteil

28

Schallöffnung

29

Resonanzraum

30

Ultraschall-Reseiver

31

Impedanzwandler/Vorverstärker

32

Bandpaß

33

Spitzenwert-Gleichrichter

34

Mittelwert-Gleichrichter

35

Tiefpaß

36

Komparator

37

Abschwächer

38

Flip-Flop

39

Leistungsschalter

40

Analog-Digital-Wandler

41

Micro-Controller.

Claims (6)

1. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes, insbesondere einer Lichtquelle, mittels Ultraschall, welcher von einem Bediengerät ausgeht und auf einen Ultraschallempfänger des elektrischen Gerates wirkt der dieses Signal auf elektronischem Weg in einen Schaltimpuls verwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquelle ein mechanischer Schwinger ist, welcher durch einen handbetätigten Schlagmechanismus erregt wird.

2. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes mittels Ultraschall nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Schwinger ein Ring (1) ist, welcher aus Metall, Keramik oder Glas besteht.

3. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes mittels Ultraschall nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1) ein Doppel-T-Profil hat und der Abstand zwischen den Schenkeln dieses Profils als Resonanzraum der Eigenfrequenz des Ringes dient.

4. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes mittels Ultraschall nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (2) des Ringes an 2 bis 4 der Quadrantenpunkte erfolgt und der Ring (1) durch den Schlagmechanismus (3-7, 18-20) etwa in der Mitte zwischen 2 dieser Quadrantenpunkte angeschlagen wird.

5. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes mittels Ultraschall nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagmechanismus (3-7, 18-20) bei einer Betätigung von Hand in zeitlich definierter Reihenfolge zwei- oder mehrmals auf den mechanischen Schwinger (1, 15) trifft und die Elektronik des Ultraschallempfängers diese zeitliche Reihenfolge zur Identifizierung auswertet.

6. Fernschaltung eines elektrischen Gerätes mittels Ultraschall nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik des Ultraschallempfängers die Eigenfrequenz des mechanischen Schwingers (1, 15) und die Hüllkurve der abklingenden Schwingung zur Identifizierung auswertet.