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Elektromagnetisches Signalhorn
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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Signalhorn mit einem
an einer Membran befestigten, in Schwingung versetzbaren Anker, der mit einem festangeordneten
Eisenkern zusammenwirkt, welcher eine Erregerwicklung trägt, die über eine in Abhängigkeit
von der Membranstellung steuerbare kontaktlose Unterbrechereinrichtung an eine elektrische
Stromquelle anzuschließen ist.
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Bei derartigen Signalhörnern ist bekannt, die üblicherweise verwendeten
mechanischen Unterbrecher durch eine elektronische Steuerung des Erregerstromes
in der Erregerwicklung zu ersetzen, um auf diese Weise den Verschleiß an den Unterbrecherkontakten
zu vermeiden und damit die Lebensdauer des Signalhornes zu verlängern. Eine solche
Verlängerung der Lebensdauer ist insbesondere bei Signalhörnern erforderlich, welche
frtr Feuerwehr- Unfall- und anderen Behördenfahrzeugen verwendet werden.
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Es ist bei einem elektronisch gesteuerten Signalhorn bekannt, die
Schwingung der Membran zur Erzeugung einer Wechselspannung in einer nahe der Membran
angeordneten Steuerspule zu verwenden. Diese Wechselspannung wird als Steuersignal
einer Verstärkerstufe für den Erregerstrom des Signalhornes zugeführt. Durch die
Wechselspannung am Steuereingang der Verstärkerstufe wird der Erregerstrom sinusförmig
zwischen seinem Maximalwert und dem Wert Null verändert.
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Diese Lösung hat den Nachteil, daß durch die sinusförmige Stromänderung
des Erregerstromes an der Verstärkerstufe eine erhebliche Verlustleistung auftritt,
welche die Stromquelle unnötig belastet. Darüber hinaus erwärmt diese Verlustleistung
das Signalhorn und vor allem die Verstärkerstufe selbst, so daß zusätzliche Maßnahmen
zur Temperaturstabilität der Verstärkerstufe bzw. zur Wärmeabführung erforderlich
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerung des Erregerstromes
von der schwingenden Bewegung der Membran insoweit unabhängig zu machen, daß die
Verlustleistung an der elektronischen Unterbrechereinrichtung für den Erregerstrom
sowie die Auswirkung von Spannungschwankungen der Versorgungsspannung möglichst
gering wird.
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Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß ein beim Aufschlag
des Ankers auf den Eisenkern einen Spannungsimpuls abgebender Sensor über ein Kompensationsglied
mit dem Steuereingang einer Kippschaltung gekoppelt ist, welche die Unterbrechereinrichtung
beim Auftreten eines Sensorimpulses für eine vorgegebene Kippzeit der Kippschaltung
sperrt.
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Durch das Kippverhalten der Kippschaltung wird gewährleistet, daß
der Erregerstrom von der elektronischen Unterbrechereinrichtung schlagartig abgeschaltet
wird, so daß praktisch keine Verlustleistung beim Ein- und Ausschalten des Erregerstromes
auftritt. Die Auswirkung einer Spannungschwankung, die eine Schwankung des Erregerstromes,
des von ihm erzeugten Magnetfeldes und folglich des von diesem Magnetfeld im Sensor
induzierten Spannungsimpulses zur Folge hat, wird durch das Kompensationsglied ausgeglichen,
das in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung aus einem Kondensator und einem
dazu parallel geschalteten Widerstand besteht.
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Einzelheiten der Erfindung sind an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch das
erfindungsgemäße elektromagnetische Signalhorn, Fig. 2.ein Blockschaltbild mit den
elektronischen Bausteinen des Signalhorns, Fig. 3 den genauen Schaltungsaufbau des
in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbildes und Fig. 4 den Strom- und Spannungsverlauf
an verschiedenen Punkten der in Fig. 3 dargestellten Schaltung.
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Das elektromagnetische Signalhorn ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet.
Es besteht aus einem becherförmigen Gehäuse 11, an dessen Stirnseite eine Membran
12 festgespannt ist.
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Die Membran trägt an ihrer Vorderseite einen Schwingteller 13 und
ist an ihrer Rückseite mit einem in Schwingung versetzbaren Anker 14 befestigt.
Der Anker 14 wirkt mit einem Eisenkern 15 zusammen, der am Boden des Gehäuses 11
befestigt ist und der eine Erregerwicklung 16 trägt. Die Erregerwicklung 16 ist
über eine kontaktlose Unterbrechereinrichtung sowie über einen Steckanschluß 17
an eine nicht dargestellte Stromquelle anzuschließen. Die kontaktlose Unterbrechereinrichtung
befindet sich in einer am Boden des Horngehäuse 11 befestigten Elektronikbox 18.
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Zur Steuerung der in Fig. 2 mit 19 bezeichneten Unterbrechereinrichtung
in Abhängigkeit von. der Stellung der Membran 12 ist ein Sensor 20 im Horngehäuse
11 angeordnet, der beim Betrieb des Signalhornes 10 mit dem Aufschlag des Ankers
14 auf den Eisenkern 15 einen Spannungsimpuls abgibt. Der Sensor 20 ist hier als
induktiver Geber ausgebildet, dessen Geberwicklung 21 fest an der Außenseite des
Eisenkernes 15 angeordnet ist und dessen in die Geberwicklung 21 eintauchender magnetisch
leitender Kern am Anker 14 befestigt ist. Bei eingeschalteter Erregerwicklung 16
wird von dieser ein Magnetfluß v erzeugt, welcher den Eisenkern 15 durchsetzt und
der über den Anker 14 und den zwischen dem Anker 14 und dem Eisenkern 15 befindlichen
Luftspalt verläuft. Die Geberwicklung 21 ist dabei je nach Stellung des Ankers 14
von einem mehr oder weniger starken Streufluß ßI der Erregerwicklung 16 durchsetzt.
Beim Aufschlag des Ankers 14 auf den Eisenkern 15 geht dieser Streufluß m sprungartig
auf den Wert Null zurück. Durch die Flußänderung wird in der Geberwicklung 21 ein
Spannungsimpuls zur Steuerung der Unterbrechereinrichtung 19 abgegeben.
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Das in Fig. 2 gezeigte Blockschaltbild des Signalhornes 10 besteht
aus einer Kippschaltung 27 mit einem astabilen Multivibrator 23 und einem monostabilen
Multivibrator 24 sowie
aus einer Unterbrechereinrichtung 19. Der
Sensor 20 ist über den astabilen Multivibrator 23 mit dem Steuereingang des monostabilen
Multivibrators 24 gekoppelt. Der Ausgang des monostabilen Multivibators 24 ist mit
dem Steueranschluß der Unterbrechereinrichtung 19 derart verbunden, daß diese den
Strom in der Erregerwicklung 16 beim Auftreten eines Sensorimpulses für eine vom
monostabilen Multivibrator 24 vorgegebene Zeit sperrt.
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Fig. 3 zeigt den Schaltungsaufbau der einzelnen Schaltstufen des elektronisch
gesteuerten Signalhornes 10. Das positive Potential einer nicht dargestellten Stromquelle
gelangt bei eingeschaltetem Signalhorn 10 über den Steckanschluß 17 auf eine Leitung
25 der Schaltung. Eine weitere Leitung 26 liegt am Horngehäuse 11 und damit auf
Masse. Zwischen beiden Leitungen liegt zunächst ein Widerstand 28 und eine dazu
in Reihe geschaltete Z-Diode 29. Zwischen dem Widerstand 28 und der Z-Diode 29 ist
eine Leitung 30 angeschlossen, die eine von Schwankungen der Eingangsspannung am
Anschluß 17 unabhängige, dem Z-Wert der Z-Diode 29 entsprechende konstante Spannung
führt. Über diese Leitung erhält der astabilie Multivibrator 23 seine Versorgungsspannung.
Der astabile Multivibrator ist in üblicher Weise mit einem ersten Transistor 31
und einem zweiten Transistor 32 versehen, deren Basisanschlüsse jeweils über Schutzdioden
33 und dazu in Reihe geschaltete Kondensatoren 34 kreuzweise mit dem Kollektoranschluß
des anderen Transistors verbunden sind. In der Kollektoranschlußleitung der beiden
Transistoren sind jeweils gleichgroße Widerstände 36 angeordnet, die über zwei in
Reihe geschaltete Dioden 37 mit der Anschlußleitung verbunden sind. Zwei weitere
Widerstände 38 und 39 sind zwischen der Versorgungsleitung 30 und den Anodenanschlüssen
der beiden Schutzdioden 33 angeordnet.
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Der Sensor 20 ist mit seiner Geberwicklung 21 einerseits an Masse
angeschlossen und andererseits über eine Diode 35 und ein dazu in Reihe liegendes
Kompensationsglied 40 mit
der Basis des Ausgangs transistors 31
des astabilen Multivibrators 23 verbunden. Das Kompensationsglied 40 besteht aus
einem Kondensator 41 und einem dazu parallel geschalteten Widerstand 42.
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Das Ausgangssignal des astabilen Multivibrators 23 wird am Kollektoranschluß
des ersten Transistors 31 abgegriffen und über einen Kondensator 45 den monostabileri
Multivibrator 24 zugeführt. Er besteht im wesentlichen aus einem Transistor 43,
dessen Kollektoranschluß über einem Widerstand 44 mit der Leitung 25 verbunden ist
und dessen Basis einerseits über den Kondensator 45 mit dem Ausgang des astabilen
Multivibrators 23 und andererseits über einen Widerstand 4., mit der die konstante
Versorgungsspannung führende Leitung 30 verbunden ist. Der Ausgang des monostabilen
Multivibrators 24 am Kollektoranschluß des Transistors 43 ist über eine Diode 48
ausgeführt. Dieser Ausgang ist am Eingang der kontaktlosen Unterbrechereinrichtung
angeschlossen, die im wesentlichen aus einem mit der Schaltstrecke an die Erregerwicklung
16 angeschlossenen Darlington-Transistor 49 besteht, dessen Steuerstrecke über einen
Widerstand 50 mit dem an die Anschlußleitung 25 angeschlossenen anderen Ende der
Erregerwicklung verbunden ist. Zur Steuerstrecke des Darlington-Transistors 49 ist
ferner die Schaltstrecke eines Steuertransistors 51 parallel geschaltet, dessen
Basis mit dem Kathodenanschluß der Diode 48 im Ausgang des monostabilen Multivibrators
24 verbunden ist. Zum Schutz gegen Überspannung im Hinblick auf die Induktivität
der Erregerwicklung 16 ist die Schaltstrecke des Darlington-Transistors 49 von.einem
Kondensator 52 überbrückt. Alle Transistoren sind NPN-leitend und emitterseitig
auf Masse gelegt.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des elektronisch gesteuerten Signalhorns
anhand der in Fig. 3 gezeigten Schaltung und der in Fig. 4 gezeigten Strom- und
Spannungsverläufe beschrieben. Im Diagramm a der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf
der Spannung U20 des Sensors 20 aufgetragen, die am
Ausgang der
Geberwicklung 21 meßbar ist. Im Diagramm b ist der Verlauf der Spannung U40 am Ausgang
des Kompensationsgliedes 40 aufgetragen, im Diagramm c ist der Ver-.
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lauf der Spannung U23 am Ausgang des astabilen Multivibrators 23 aufgetragen
und im Diagramm d ist der Verlauf der Spannung U24 am Ausgang des monostabilen Multivibrators
24 aufgetragen. Im Diagramm e ist schließlich der Verlauf des Erregerstromes 1 aufgetragen,
der von der Unterbrechereinrichtung 19 ein- und ausgeschaltet wird.
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über den Steckanschluß 17 wird das Signalhorn.10 an die Gleichspannung
eines im Fahrzeug untergebrachten, nicht dargestellten Akkumulators angelegt, welche
höher ist als die Z-Spannung der Z-Diode 29. Nunmehr fließt ein Strom durch den
Widerstand 28 und über die Z-Diode 29 zur Masse.
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Auf der Leitung 30 tritt dabei eine konstante Spannung auf welche
den astabilen Multivi'Lrator 23 zugeführt wird. Der astabile Multivibrator 23 arbeitet
in bekannter Weise5 indem die beiden Transistoren 31 und 32 durch die jeweilige
Umladung der beiden Kondensatoren 34 wechselweise in den stromleitenden und in den
gesperrten Zustand gesteuert werden. Die Grundfrequenz des astabilen Multivibrators
23 ist durch die Werte der Widerstände 38 und 39 sowie der beiden Kondensatoren
34 einstellbar. Die Ausgangsspanung U23 des astabilen Multivibrators 23 am Kollektor
des Ausgangstransistors 31 wird dabei sprungweise so verändert, wie es im Diagramm
c der Fig. 4 dargestellt ist. Die Periodendauer T der Grundfrequenz des astabilen
Multivibrators 23 ist größer gewählt als die Periodendauer t der Eigenfrequenz des
Signalhornes 10 und somit der Frequenz der Geberimpulse, was im Diagramm b der Fig.
4 dargestellt ist.
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Der Transistor 43 des monostabilen Multivibrators 24 wird zunächst
über den Widerstand 46 von der Spannung auf der Leitung 25 in den stromleitenden
Zustand gesteuert. Dadurch erhält der Ausgang des monostabilen Multivibrators praktisch
Massepotential, so daß der Steuertransistor 51 der Unterbrechereinrichtung 19 gesperrt
wird.. Bei gesperrtem Steuertransistbr 51 ist die Basis des Darlingtion-Transistors
49
über den Widerstand 50 mit der Spannung der Versorgungsleitung 25 verbunden5 so
daß dieser Transistor voll in den stromleitenden Zustand gesteuert ist. Es fließt
daher beim Einschalten des Signalhornes 10 über die Erregerwicklung 16 und über
die Schaltstrecke des Darlington-Transistors 49 zunächst der volle Erregerstrom.
Da der Kondensator 45 des monostabilen Multivibrators 24 nunmehr auf die am Widerstand
46 abfallende Spannung aufgeladen wird, steuert dieser Kondensator über den Basisanschluß
den Transistor 43 unverzüglich in den Sperrzustand, sobald der Ausgangstransistor
31 des astabilen Multivibrators 23 stromleitend wird und dadurch das Potential an
seinem Kollektoranschluß sprungweise herabsetzt. Damit wird das Potential am Ausgang
des monostabilen Multivibrators 24 ebenso sprunghaft angehoben, so daß über den
Widerstand 44 und über die Diode 48 ein Steuerstrom zur Basis des Steuertransistors
51 fließt, der diesen in den stromleitenden Zustand umsteuert. Dadurch wird die
-Steuerstrecke des Darlington-Transistors 49 überbrückt und der Erregerstrom I unterbrochen.
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Die Ausschaltdauer Ta der Unterbrechereinrichtung 19 wird durch die
vorgegebene Kippzeit des monostabilen Multivibrators 24 bestimmt. Diese läßt sich
durch die Größe des Widerstandes 46 und des Kondensators 45 einstellen. Nach dem
Umladen des Kondensators 45 über den Widerstand 46 wird die Basis des Transistors
43 erneut positiv, so daß nach Ablauf-der Ausschaltdauer Ta der Transistor 43 wieder
stromleitend wird. Dadurch wird der Steuertransistor 51 erneut in den Sperrzustand
gesteuert und folglich der Darlington-Transistor 49 erneut stromleitend. Der Anker
14 des Signalhornes 10 wird durch das jetzt aufbauende Magnetfeld vom Eisenkern
15 angezogen und induziert dabei in der Geberwicklung 21 einen Spannungsimpuls.
Durch diesen Spannungsimpuls wird nunmehr der astabile Multivibrator 23 erneut angesteuert,
indem er den Ausgangstransistor 31 beim Erreichen seiner Ansprechspannung Ua in
den stromleitenden Zustand umsteuert, folglich den Transistor 23 des monostabilen
Multivibrators 24 sperrt, den Steuertransistor 51
der Unterbrechereinrichtung
19 über die Diode 48 aufsteuert und schließlich den Darlington-Transistor 49 auf
diese Weise sperrt. Der Erregerstrom 1 wird somit erneut für die vorgegebene Kippzeit
des monostabilen Multivibrators 24 abgeschaltet. Dieser Vorgang wiederholt sich
mit jeder Schwingung des Ankers 14.
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Bei einem Ausfall des Sensors 20 oder bei einem Festklemmen der Membran
12 des Signalhornes 10 arbeitet die Unterbrechereinrichtung 19 mit der Grundfrequenz
des astabilen Multivibrators 23 weiter. Diese Grundfrequenz ist kleiner gewählt
als die gewünschte Tonfrequenz des Signalhornes 10. Die Tonfrequenz entspricht der
Aufschlagfrequenz des Ankers 14 am Eisenkern 15 und sie entspricht folglich der
beim Aufschlag im Sensor 20 erzeugten Impulsfrequenz. Demzufolge ist auch die Periodendauer
t der Impuls frequenz kleiner als die Periodendauer T der Grundfrequenz des astabilen
Multivibrators 23. Durch die vom Sensor 20 abgegebenen Spannungsimpulse U20 wird
der Ausgangstransistor 31 des astabilen Multivibrators 22 vorzeitig, d.h. vor dem
Ende der Periodendauer T der Grundfrequenz angesteuert.
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Zur Stabilisierung der Tonfrequenz bei Schwankungen der Versorgungsspannung
iSt das Kompensationsglied 40 vorgesehen, dessen Kondensator 41 von den Spannungsimpulsen
U20 des Sensors 20 auf eine Gegenspannung U41 aufgeladen wird, deren Verlauf im
Diagramm a der Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist. Der Kondensator 41 entlädt sich
jeweils teilweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorimpulsen über den Widerstand
42. Dadurch gelangt beim Auftreten eines Sensorimpulses lediglich die Spannungsdifferenz
zwischen dem Sensorimpuls U20 und der Gegenspannung U41 als Ausgangsimpuls U40 zum
Ausgang des Kompensationsgliedes 40. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise beim
Absinken der Versorgungsspannung bei einer schwachen Akkumulatorbatterie der Erregerstrom
und das von ihm erzeugte Magnetfeld abgeschwächt wird. Als Folge davon werden auch
die Spannungsimpulse U20 des Sensors 20 schwächer, so daß auch
der
Kondensator 41 durch die Spannungsimpulse auf eine geringere Spannung aufgeladen
wird. Folglich wird auch der Kondensator 41 zwischen den einzelnen Spannungsimpulsen
weiter entladen, so daß der am Ausgang des Kompensationsgliedes 40 auftretende Spannungsimpuls
U40 nahezu unverändert bleibt. Der Zeitpunkt zur Ansteuerung der Kippschaltung und
somit die Periodendauer t der Impulsfrequenz des Sensors 20 bzw. die Tonfrequenz
des Signalhornes 10 bleibt daher konstant und unabhängig von Spannungsschwankungen
der Versorgungsspannung. Die mit dem Kompensationsglied 40 in Reihe geschaltete
Diode 35 koppelt den Sensor 20 von der Spannung auf der Versorgungsleitung 30 des
astabilen Impulsgebers 23 ab.
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Um die Tonfrequenz des Signalhornes 10 auch gegen Temperaturschwankungen
unabhängig zu machen, sind im Kollektorstromkreis der Transistoren 31 und 32 des
astabilen Multivibrators 22 die zwei in Reihe geschalteten Dioden 37 vorgesehen,
die den Temperaturgang der beiden Transistoren 31 und 32 des Multivibrators kompensieren.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt,
da der Schaltungsaufbau der einzelnen Schaltstufen wahlweise geändert werden kann.
Die Verwendung einer Z-Diode 29 zur Erreichung einer konstanten Versorgungsspannung
für den astabilen Multivibrator 23 ist nicht zwingend erforderlich. Die Ansteuerung
einer monostabilen Kippstufe durch die Spannungsimpulse U20 des Sensors 20 reichen
bereits aus, um den Erregerstrom I durch die Unterbrechereinrichtung zu steuern.
Der astabile Multivibrator 23 hat daher hauptsächlich den Zweck, beim Ausfall des
Impulsgebers dessen Funktion zu übernehmen, damit die Erregerwicklung nicht verbrennt.
Wird ein astabiler Multivibrator verwendet, dessen Aus-gangssignale vom Geber 20
ausgelöst werden und dessen Signallänge durch einen entsprechend eingestelltes Tastverhältnis
die gewünschte Ausschaltzeit Ta des Erregerstromes hat, so kann auf dem monostabilen
Multivibrator 24 verzichtet werden. Ferner kann anstelle eines induktiven
Impulsgebers
auch ein kapazitiver oder ein optischer Sensor verwendet werden. Dabei ist wesentlich,
daß der Steuerimpuls jeweils mit dem Aufschlag des Ankers 14 am Eisenkern erzeugt
wird. Als Kompensationsglied können anstelle eines RC-Gliedes auch andere Schaltungsanordnungen
verwendet werden, durch die Schwankungen der Geberimpulse kompensiert werden. So
wäre beispielsweise als Kompensationsglied eine Reihenschaltung zweier Widerstände
denkbar, von denen der eine spannungsabhängig ist (VDR) und dessen Spannungsabfall
als Steuerspannung zur Ansteuerung der Kippschaltung verwendet wird.
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L e e r s e i t e