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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronik zur Ansteuerung eines Buzzers um diesen möglichst verlustleistungsarm und bei einer begrenzten Batteriespannung zugleich hinsichtlich eines erhöhten Schallpegels anzusteuern.
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Als der Buzzer wird ein Schallgeber bezeichnet, der durch ein elektrisches Steuersignal, das eine Steuerspannung oder ein Steuerstrom sein kann, angesteuert wird und dabei einen Schall erzeugt. Der Buzzer kann dabei induktiv aufgebaut sein oder auf einem Piezo-Element basieren. Der Buzzer ist eine Art kleiner Lausprecher.
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Um einen möglichst hohen Schallpegel zu erzeugen, wird die Steuerspannung oder der Steuerstrom entsprechend hoch gewählt oder die Impedanz des Buzzers möglichst niedrig ausgelegt. Dies hat jedoch Grenzen in der Realität und unter Verwendung von Standard-Bauelementen. Wenn die Anforderungen an ein Gerät und damit an eine Elektronik eine möglichst kleine Baugröße umfassen und die Elektronik mit einer Integrierten Batterie arbeiten soll, dann hat die Batterie ebenso möglichst klein ausgelegt zu werden, wodurch die Batteriespannung dann auf eine Batteriezellenspannung begrenz ist.
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Im Stand der Technik werden dann entweder spezielle Buzzer angefertigt, die sehr hohe Entwicklungskosten mit sich bringen, oder es wird eine zweite oder dritte Batteriezelle vorgesehen, oder es wird eine DC/DC Wandler-Elektronik zur Spannungserhöhung mit in der Elektronik des jeweiligen Geräts integriert. Nachteilig dabei sind Entwicklungskosten, Entwicklungszeit, eine erhöhte Baugröße und im Fall des DC/DC-Wandlers zudem eine erhöhte EMV-Ausstrahlung.
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Induktive Buzzer mit einer niedrigen Impedanz, die durch ein Rechtecksignal bei einer gut wahrnehmbaren Frequenz von 2–4 kHz angesteuert werden, erzeugen eine relativ hohe Verlustleistung, die nachteilig ist, da eine Lebendauer der Batterie möglichst hoch sein soll.
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Insbesondere bei einem Gerät, das als eine Brillensuchhilfe ausgebildet und dementsprechend an einem Brillenbügel angeheftet werden können soll, bestehen an die Baugröße und an einen Schallpegel bei nur einer Batteriezelle sehr hohe Anforderungen, deren Optimierung entscheidet, ob das Gerät von Kunden akzeptiert wird oder nicht.
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Aus der
DE 38 05 014 C2 ist ein Brillensuchgerät bekannt, das eine Elektronik mit einem Piezo-Element-Buzzer aufweist, wobei der Buzzer durch eine Steuerspannung angesteuert wird. Nachteilig ist dabei, dass dafür entweder mehrere Batteriezellen vorzusehen sind oder der Schallpegel ziemlich begrenzt ist.
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Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung, um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen, in der Bereitstellung einer Treiber-Elektronik für einen Buzzer, die bei einer begrenzten Batteriespannung einen möglichst hohen Schallpegel und dabei dennoch eine möglichst geringe Verlustleitung durch den Buzzer erzeugen soll.
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Die vorstehenden Aufgaben sowie weitere der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Treiber-Elektronik für einen Buzzer vorgestellt, die ein Steuersignal (U1) für einen vorbestimmten Frequenzbereich und für eine vorbestimmte Impedanz des Buzzers in ein erstes Buzzer-Steuersignal (U2) umsetzt, um dadurch den Buzzer, der zweipolig ist, leistungsoptimiert anzusteuern, die Treiber-Elektronik umfassend:
- – einen ersten Eingangspol (1) und dazu einen ersten Referenzeingangspol (2), wobei der erste Eingangspol (1) mit dem Steuersignal (U1) und der Referenzeingangspol (2) mit einem Bezugspotential (U0) zum Steuersignal (U1) verbunden sind;
- – einen ersten (3) und einen zweiten Ausgangspol (4), wobei der erste Ausgangspol (3) mit einem ersten Pol des Buzzers und der zweite Ausgangspol (4) mit dem zweiten Pol des Buzzers verbunden sind;
- – einen Kondensator (C1), dessen erster Kondensatorpol mit dem ersten Eingangspol (1) und dessen zweiter Kondensatorpol mit dem ersten Ausgangspol (3) verbunden ist;
- – wobei die Kapazität des Kondensators (C1) so dimensioniert ist, dass eine berechnete Zeitkonstante aus der Kapazität des Kondensators (C1) und der Impedanz des Buzzers kleiner als die Hälfte und größer als ein Sechzehntel der Periodendauer des Steuersignals (U1) ist.
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Dabei hat die Treiberelektronik vor allem den Vorteil die Verlustleistung durch die Buzzer-Impedanz zu senken und dabei zugleich einen durch den Buzzer erzeugten Schallpegel zu erhöhen.
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Indem sich der Kondensator während eines positiven Steuersignalanteils auflädt, wird einerseits Strom eingespart und dadurch auch die Batterielebensdauer erhöht. Andererseits wird bei einem Abfall der Steuerspannung die Spannung des Kondensators als negative Spannung am Buzzer wirksam, so dass sich dadurch der Schallpegel weiter erhöht.
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Bei Piezo-Buzzern, die hauptsächlich eine kapazitive Last darstellen und die für einen höheren Schallpegel eine möglichst hohe Spannung im Bereich von Batteriespannungen benötigen, ist die Vollbrückenschaltung gemäß Anspruch 4 und 3 besonders vorteilhaft, womit mit relativ geringem technischem Aufwand und zusätzlicher Baugröße die Treiberspannung für den Buzzer verdoppelt werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
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Es zeigen
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1a eine Treiberelektronik für einen Buzzer, die im Wesentlichen aus einer in Serie geschalteten Kapazität besteht.
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1b Verschiedene Spannungsverläufe bezüglich der Schaltung gemäß 1a.
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2 die Treiber-Elektronik gemäß 1a mit einer vorgeschalteten Halbbrücken-Transistorschaltung.
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3 die Treiber-Elektronik gemäß 1a mit einer vorgeschalteten Vollbrücken-Transistorschaltung.
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4 die Treiber-Elektronik gemäß 1a mit einer vorgeschalteten Halbbrücken-Transistorschaltung und mit einem Bluetooth-Modul, Ladeschaltung und Batterie.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In 1a ist ein Ausführungsbeispiel einer Treiber-Elektronik für einen Buzzer dargestellt, die ein Steuersignal U1 für einen vorbestimmten Frequenzbereich und für eine vorbestimmte Impedanz des Buzzers in ein Buzzer-Steuersignal (U2) umsetzt. Dabei wird der Buzzer, der zweipolig ist, leistungsoptimiert angesteuert. Dabei umfasst die Treiber-Elektronik
- a) einen ersten Eingangspol (1) und dazu einen ersten Referenzeingangspol (2), wobei der erste Eingangspol (1) mit dem Steuersignal (U1) und der Referenzeingangspol (2) mit einem Bezugspotential (U0) zum Steuersignal (U1) verbunden sind;
- b) einen ersten (3) und einen zweiten Ausgangspol (4), wobei der erste Ausgangspol (3) mit einem ersten Pol des Buzzers und der zweite Ausgangspol (4) mit dem zweiten Pol des Buzzers verbunden sind; und
- c) einen Kondensator (C1), dessen erster Kondensatorpol mit dem ersten Eingangspol (1) und dessen zweiter Kondensatorpol mit dem ersten Ausgangspol (3) verbunden ist.
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Die Kapazität des Kondensators (C1) ist dabei so dimensioniert, dass eine berechnete Zeitkonstante TT aus der Kapazität des Kondensators (C1) und der Betrags-Impedanz ZL des Buzzers kleiner als die Hälfte und größer als ein Sechzehntel der Periodendauer Tp des Steuersignals (U1) ist. Die Formel ist: TT = C1·[ZL]. Dabei ist Tp/16 ≤ TT ≤ Tp/2.
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Bevorzugt ist für eine Impedanz, die hier immer für eine Betrags-Impedanz steht, die Kapazität des Kondensators C1 bemessen zu:
bei ZL = 16 Ohm: C1 = 0,1–1 μF; oder C1 = 0,1–10 μF; oder
bei ZL = 32 Ohm: C1 = 0,1-1 μF; oder C1 = 1–10 μF.
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In 1b sind bevorzugte Signalkurven für das Steuersignal U1, die Kondensatorspannung Uc und die Spannung UL am Buzzer dargestellt. Dabei liegt die sich ergebende Zeitkonstante TT bei ca. 1/5 der Periodenzeit Tp. Der gestrichelte Bereich der Spannung UL am Buzzer lässt in bekannter Weise unter Berücksichtigung der Impedanz ZL des Buzzers die Leistungsaufnahme berechnen. Wie leicht ersichtlich, wäre bei einer im wesentlichen ohmschen Impedanz eines magnetischen Buzzers und ohne die Kapazität C1 die Leistungsaufnahme des Buzzers mindestens doppelt so hoch, wie mit Kondensator C1.
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Zudem wird durch den negativen Peak der Spannung UL am Buzzer ein negativer Phasenanteil der Schallwelle erzeugt, was insgesamt zu einer Schallerhöhung sorgt. Mit der vorliegenden Treiber-Elektronik und Dimensionierung kann also sowohl eine Leistungsreduktion als auch eine Erhöhung des Schallpegels erzeugt werden.
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Bevorzugt ist das Steuersignal U1 ein Rechtecksignal mit einer Impedanz, die so niedrig ist, dass das Steuersignal U1 in seiner Signalform nicht wesentlich durch den Strom der durch den Kondensator C1 und den Buzzer fließt beeinflusst wird.
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In 2 ist eine Treiber-Elektronik mit dem Kondensator C1, wie in 1a, und einer zusätzlichen vorgeschalteten Elektronikstufe 5 dargestellt. Durch die Elektronikstufe 5 wird ein Eingangssignal Ue durch eine darin enthaltene Transistor Halbbrückenschaltung zu dem Steuersignal U1 mit niedriger Impedanz umgewandelt. Durch die transistorisierte Halbbrückenschaltung wird eine niedrige Impedanz sowohl zu einer positiven als auch zu einer negativen Flanke hin erzeugt. Dabei wird durch ein bevorzugtes Rechtecksignal als dem Eingangssignal Ue bevorzugt ein Ausgangssignal A1 erzeugt. Bevorzugt entspricht die positive Amplitude im „High”-Zustand einer Batteriespannung UB, mit der die Halbbrücke versorgt wird. Die Spannung im „low”-Zustand entspricht bevorzugt der Masse GND als der negative Versorgungsspannung durch eine Batterie. Zur Ansteuerung der Transistor Halbbrücke umfasst die vorgeschalteten Elektronikstufe 5 eine Steuerschaltung 6, die das Eingangssignal Ue in entsprechende Steuersignale für einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2 der Transistor Halbbrücke umwandelt, so dass es zu keinem gleichzeitigen Durchschalten der Transistoren T1, T2 kommt.
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Die vorgeschaltete Elektronikstufe 5 wird von einer Batteriespannung (UB) in Bezug zu der Masse (GND) mit Strom versorgt. Die Masse (GND) ist mit dem Bezugspotential (Uo) verbunden.
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Die jeweilige Ausgangsspannung des ersten T1 und des zweiten Transistors T2 der Halbbrückenschaltung bilden zusammen das Ausgangssignal A1, das als das Steuersignal U1 in den ersten Eingangspol der Treiber-Elektronik gemäß 1 eingespeist wird. Die Masse GND wird dabei mit dem zweiten Eingangspol der Treiber-Elektronik gemäß 1 verbunden. Damit wird das Steuersignal (U1) zwischen der Masse (GND) und der Batteriespannung (UB) hin und her geschaltet und das Steuersignal (U1) entsprechend niederohmig erzeugt.
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Alternativ oder weiterführend ist in 3 eine Treiber-Elektronik dargestellt, die sich von derjenigen gemäß 2 darin unterscheidet, dass die vorgeschaltete Elektronikstufe (5) anstelle einer Transistor Halbbrückenschaltung eine Transistor Vollbrückenschaltung enthält.
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Dabei ist die erste Halbbrücke mit dem ersten Transistoren T1 und dem zweiten Transistor T2 genauso wie in 2 ausgeführt und angeschlossen und erzeugt die erste Ausgangsspannung, die die Steuerspannung für die nachfolgende Kapazität C1 und den Buzzer bildet.
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Eine zweite Halbbrücke mit einem dritten Transistor T3 und einem vierten Transistor T4 ist genauso aufgebaut und mit Strom durch die Batteriespannung UB und Masse GND versorgt, wie die erste Halbbrücke. Die zweite Halbbrücke erzeugt eine zweite Ausgangsspannung A2, die, im Unterschied zu der Schaltung gemäß 2, nun das Bezugspotential Uo für den nachfolgenden Buzzer bildet.
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Die Steuerschaltung 6 ist, im Vergleich zu der oben beschriebenen Steuerschaltung gemäß 2, um entsprechende Eingangssignale für die zweite Halbbrückenschaltung erweitert, um diese entsprechend anzusteuern. Dabei ist die Steuerschaltung 6 ausgebildet, die zweite Halbbrücke so anzusteuern, dass das zweite Ausgangssignal A2 invers zu dem ersten Ausgangssignal A1 ist. Die ersten Eingangssignale für die erste Halbbrücke und die zweiten Eingangssignale für die zweite Halbbrücke sind also invers zu einander und synchron zum Eingangssignal Ue. Die Ansteuerung der Transistoren (T1–T4) ist so ausgebildet ist, dass das erste und das zweite Ausgangssignal niederohmig genug sind, um nicht durch den Strom durch den Kondensator C1 wesentlich beeinflusst zu werden.
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Dadurch wird der Buzzer mit der vorgeschalteten Kapazität C1 stets mit einem jedem Phasenwechsel der Eingangsspannung Ue umgepolt und so mit quasi der doppelten Spannung betrieben. Gerade bei Piezo-Buzzern und bei einer niedrigen Batteriespannung von 1,5 V oder 3 V ist diese Schaltung für eine Treiber-Elektronik sehr vorteilhaft.
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Die Transistoren der Treiber-Elektronik gemäß 2 oder 3 sind bevorzugt bipolare Transistoren, um eine Strombegrenzung zu ermöglichen.
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Alternativ dazu sind die Transistoren der Treiber-Elektronik gemäß 2 oder 3 bevorzugt FET oder MOSFET Transistoren, um einen möglichst geringen Gate-Treiberstrom zu ermöglichen.
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In 4 ist eine erweiterte Schaltung und Einbettung der Treiber-Elektronik gemäß einer der vorstehenden Ausbildungsformen dargestellt. Dabei ist die Treiber-Elektronik bevorzugt in einem Brillensuchgerät integriert, die von den Abmaßen so klein, wie möglich, und besonders stromsparend ausgebildet sein. Daher ist die Batterie ebenfalls so klein, wie möglich, auszubilden. Alternativ zu einer Batterie ist darin eine Akkuzelle 13 vorgesehen, die natürlich ebenso für eine Batterie stehe kann. Die Akkuzelle 13 bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass sie nicht ausgetauscht zu werden braucht, und daher fest in ein Gehäuse integriert werden kann. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an das Gehäuse wesentlich, da Wandungen des Gehäuses weniger massiv und stabil ausgeführt zu werden brauchen, da sie fest miteinander verbunden oder verschmolzen sind. Dafür ist eine Ladeschaltung 12 mit vorzusehen, um die Akkuzelle gesichert laden zu können, ohne sie zu überladen oder gar zu unterladen. Weiterhin umfasst das Brillensuchgerät ein Empfangsmodul 10 mit einer Antenne 11, das bevorzugt auf dem Bluetooth Low Energy Standard basiert. Empfängt das Empfangsmodul ein entsprechendes Sendesignal, so erzeugt es das Eingangssignal für die nachfolgende und oben beschriebene Treiber-Elektronik mit Buzzer, gemäß 2.
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Ebenso ist es vorstellbar, dass das Empfangsmodul 10 schon selbst ein Steuersignal U1 für den Buzzer mit der Treiber-Elektronik gemäß 1a erzeugt und die Halbbrücke daher entfallen kann.
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Ebenso ist es vorstellbar, dass dem Empfangsmodul 10 eine Vollbrücke gemäß 3 nachgeschaltet wird, beispielsweise bei Verwendung eines Piezo-Buzzers.
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Weitere mögliche Ausbildungsformen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
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Insbesondere können auch die verschiedenen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, soweit sie sich nicht technisch ausschließen.
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Die In den Ansprüchen genannten Bezugszeichen dienen der besseren Verständlichkeit, beschränken aber die Ansprüche nicht auf die in den Figuren dargestellten Formen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Eingangspol
- 2
- zweiter Eingangspol
- 3
- erster Ausgangspol
- 4
- zweiter Ausgangspol
- 5
- vorgeschaltete Elektronikstufe
- 6
- Steuerschaltung
- 10
- Empfangsmodul
- 11
- Antenne
- 12
- Ladeschaltung
- 13
- Akkuzelle
- 14, 15
- Ladekontakte
- A1
- erstes Ausgangssignal
- A2
- zweites Ausgangssignal
- Tt
- Zeitkonstante
- Tp
- Periodendauer
- U1
- Steuersignal
- U2
- Buzzer-Steuersignal
- Uc
- Kondensatorspannung
- UL
- Spannung am Buzzer
- Ue
- Eingangssignal
- UB
- Batteriespannung
- Uo
- Bezugspotential
- GND
- Masse
- ZL
- Impedanz des Buzzers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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