DE2853787A1

DE2853787A1 - Akustische alarmschaltung

Info

Publication number: DE2853787A1
Application number: DE19782853787
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Droz; Jean-Philippe Lebet
Original assignee: Gillette Co LLC
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1977-12-12
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1979-06-13
Also published as: US4180808A; FR2411437A1

Description

The Grilotte Company, Boston, Massachusetts, Y.St.A.

Akustische Alarnschaltung

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Erzeugung eines hörbaren, charakteristischen Signals. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schaltung, die von einer ITiedergleichspannungsquelle steuerbar und so auslegbar ist, daß ein Alarm auslösbar ist, wenn ein zugeordneter Schalter geschlossen ist. Die Schaltung kann in einer Stundenuhrvorrichtung, z.B. in einem Wecker oder in einer Armbanduhr, wie auch in vielen anderen Fällen verwendet werden, in denen ein einzigartiger Ton in einer Alarmsituation, wie z.B. bei einer Türglocke, beim !Telefon usw., erwünscht ist.

Elektromagnetische Meßwandler mit selbsttätigen Schwingelementen sind hinlänglich bekannt und werden im allgemeinen durch eine Hiedergleichspannungsquelle, z.B. eine 1,5 "Volt -Gleichspannungsquelle, bei Schließen eines Eontaktschalters betätigt. Weiterhin sind Meßwandler der elektrodynamischen oder keramischen

SÖ9824/OS1?

π _

(piezoelektrischen) Art hinlänglich, "bekannt, und viele werden durch Kleinleistungsschaltungen angeregt, die die !Technologie der digitalen integrierten Schaltung verwenden, wie z.B. durch Aufbauen der aktiven Komponenten unter Verwendung der CMOS (Komplementäre Metalloxydhalbleiter) Technologie.

Bei Steuern eines Meßwandlers, wie z.B. einer piezoelektrischen Scheibe, ist es bekannt, daß bei Erhöhung der Spannung am Meßwandler, die Kräfte und Beanspruchungen am Meßwandler und die Leistungsfähigkeit des letzteren entsprechend verbessert werden.

Bislang war die Frequenz oder die Wellenform des den Schwingmeßwandler steuernden Signals nicht flexibel genug, um künstlerische Gesichtspunkte, wie z.B. die Harmonie des vom Meßwandler ausgesendeten Tons zu berücksichtigen. Die Ansteuerung des Meßumwandlerelements erforderte typischerweise eine Schalttransistorschaltung und getrennte Komponenten, um eine Schwingschaltung zu bilden.

Derartige Probleme sind im wesentlichen durch die erfindungsgemäße Schaltung ausschaltbar, die einen Meßwandler mit einer Spannung steuert, die viel höher als die der Spannungsquelle ist und in eindeutiger V/eise die Eigenkapazität des zugeordneten Meßwandlers verwendet. Anpassungsfähigkeit wird durch Verwendung eines vielstufigen binären Teilers erzielt, um viele Wellen mit

Bruchfrequenz zu erzeugen, die in jeder gewünschten Weise durch den Konstrufceur zu modulieren sind, um eine Vielfalt an Tönen und Harmonien "bei Betätigung des Alarm-Meßwandlers in sehr zuverlässiger Weise zu erzielen.

Ziel der Erfindung ist es, für ein hörbares, bei einer Vorrichtung, wie z.B. einem Wecker oder einer Taschenuhr, verwendbares Alarmsignal zu sorgen, wobei die Vorrichtung ein Signal mit einem charakteristischen Ton erzeugt. Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, eine anruibare Alarmschaltung zu schaffen, die, wenn sie angesteuert wird, einen Leistungsverbrauch von Full hat. Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, für eine Schaltung zum Aussenden eines kennzeichnenden Tons zu sorgen, die durch eine einzige Niedergleichspannungsquelle steuerbar ist. Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, für eine elektronische Schaltung zum Betätigen eines piezoelektrischen, akustischen Meßwandlers zu sorgen, die die Eigenkapazität des piezoelektrischen Meßwandlers als kapazitive Komponente ihres eigenen Ansteuerungsoszillators verwendet. Gemäß der Erfindung werden diese Ziele durch eine elektronische Schaltung erreicht, die von einer Hiederspannungsquelle gespeist wird und einen geringen Leistungsverbrauch aufitfeist. Die Schaltung kann insbesondere einen selbstanlaufenden Spannungsvervielfacher aufweisen, der die Spannung auf ein ausreichendes Niveau für eine genormte Einspeisung es? höht und die Leistungsfähigkeit eines zugeordneten Meßwandlers

285378?

verbessert.

Die Schaltung erzeugt auch ein Eingangsfreguenzsignal zur Modulation des akustischen Tons. Diese Eingangsfrequenz steuert einen binären Teiler mit einer Vielzahl von Ausgängen. Mindestens zwei Ausgänge des binären Teilers sind kombiniert, um ein Signal zur Modulation eines eingeblendeten Schwingkreises mit einem piezoelektrischen Meßwandlerelement zu erzeugen. Die Eigenkapazität des piezoelektrischen Meßwandlers trägt unmittelbar zu der EG-Zeitkonstanten des ihn steuernden Auftastoszillators bei.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung wird nunmehr an Hand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die ein Schaltbild einer akustischen Alarmschaltung mit einem selbstanlaufenden Spannungsvervielfacher zeigt, der einen Kippgenerator, einen Binärzähler, eine logische Schaltung und ein Meßwandlerelement aufweist.

Ein selbstanlaufender Spannungsvervielfacher 11,15 ist in gestrichelten Linien dargestellt und weist einen Tantalelektrolytkondensator 12 von 10. Mikrofarad bei 16 Volt auf. Der Kondensator 12 ist elektrisch parallel zu einer Reihenschaltung einer ersten Diode 13, die als Durchschiagsschutz eines zugeordneten Transistors dient, und einer zweiten Diode 14 geschaltet. Die beiden Dioden 1J und 14 sind von der Art 11T 914.

•09824/0017

Ein Kippgenerator 15 ist in gestrichelten Linien dargestellt und weist einen PKP-Transistor 16 nit einem Emitterwiderstand 17 und einem Basiswiderstand 18 auf. Ein Kondensator 19 ist elektrisch zum Basiswiderstand 18 parallelgeschaltet. "Vervollständigt wird der Kippgenerator 15 durch einen Hocitfreauenzferrittransformator 20 mit einer Primärwicklung 21 und einer Rückkopplungswicklung 22. Die Primärwicklung 21 ist einerseits mit dem Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 16 und des selbstanlaufenden Spannungsvervielfachers 11,15 zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden 13 und 14 und anderseits im allgemeinen mit einem Ende der Rückkopplungswicklung 22 verbunden. Das andere Ende der Rückkopplungswicklung 22 ist elektrisch mit einem "Verbindungspunkt zwischen einer Seite des Kondensators 19 und dem Widerstand 18 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 19 und des Widerstandes 18 ist mit der Basis des Transistors 16 verbunden.

Der Transistor 16 ist ein pnp-Transistor der Art 2N3702. Andere Transistortypen, wie z.B. npn-Transistoren, können in herkömmlicher Art verwendet werden. Ein variabler Rückkopplungswiderstand 17, der verwendet werden kann oder auch nicht, weist tj'pischerweise einen Widerstandsbereich von 180 bis 200 Ohm auf und sorgt für mehr Stabilität gegen Fertigungsunterschiede beim zugeordneten Transistor.

909824 /091t

Der Basiswiderstand 18 kann einstellbar sein und typischerweise einen Wert von 50,000 O*¹™ aufweisen. Der Kondensator 19 weist 22 Pikofarad auf. Der Transformator 20 besitzt ein Windungsverhältnis im wesentlichen von 7^;1· So x-jeist die Primärwicklung 21 z.B. 147 Windungen und die Rückkopplungswicklung 22 23 Windungen in der zweckmäßigen Wicklungsorientierung auf. Die Induktivität der Primärwicklung ist im wesentlichen 0,026 Henry. Bei allen Wicklungen wird ein genormter Kupferdraht eines Durchmessers von 0,1 mm verwendet.

Eine G-leichspannungs quelle von 1,5 Volt oder eine Batterie 23 ist elektrisch zwischen dem freien Ende des Rückkopplungswiderstandes 17 und einem ersten Kontakt eines Schalters 24 verbunden. Der zweite Kontakt des Schalters 24 ist elektrisch mit dem gemeinsamen Kontaktpunkt der Wicklungen 21 und 22 verbunden. Das freie Ende des Rückkopplungswiderstandes 17 ist elektrisch zwischen die Reihenschaltung der Diode 13 und des Kondensators 12 geschaltet.

Eine Seite des Kondensators 12 ist elektrisch über eine Leitung 25 und die andere Seite über eine Leitung 26 mit den Leistungsklemmen eines 14-stufigen Binärzähler/Teilers 27 verbunden. Der Teiler 27 kann von der Art der Pa.SCA sein, wie er in dem RCA-Handbuch SSD-2O3C als COS/MOS-integrierte Schaltung auf den Seiten 109 bis 113 beschrieben ist, worauf hier Bezug genommen wird.

109824/0917

285378?

Die Leitung 25 ist mit einem Hochspannungskontaktstift 16 und die Leitung 26 mit einem Kontaktstift 8 der Spannung Full verbunden, wie es in der Beschreibung des Teilers 27 detailliert dargelegt ist.

Die Leitung 2G ist einerseits mit dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung der Dioden 13 und 14 und andererseits mit dem Teiler 27 verbunden, z.B. mit dem Eingangskontaktstift 10, wie es in der Beschreibung des Teilers 27 dargelegt ist. Der Teiler weist eine Anzahl Ausgänge auf, die jeweils einer Binärstufe entsprechen. Von der Ausgangsstufe 2 geht eine Leiter 38 und von der Ausgangsstufe 2 eins Leiter 29 ab, wobei der Leiter am anderen Ende mit einer ersten Eingangsklemme eines CDER Gatters 30 und der Leiter 29 mit seinem anderen Ende mit einer zweiten Eingangsklemme des ODER-Gatters 30 verbunden ist.

Der Ausgang des ODER-Gatters 30 ist mit einer Austastoszillatorschaltung ^vj^L\- verbunden, die in gestrichelten Linien dargestellt ist. Insbesondere ist der Ausgang des ODER-Gatters 30 mit einer ersten Eingangsklemme eines NOR-Gatters 31 verbunden. Der Ausgang des NOR-Gatters 31 ist mit einem Ende eines Widerstandes

32 von 20,000 0hm, der einstellbar sein kann, sowie mit einem Eingang eines Inverters 33 verbunden. Der Ausgang des Inverters

33 ist mit einer Seite eines Kondensators 37 von 22 Nanofarad verbunden. Die andere Seite des Kondensators 37 ist mit einem

109834/031?

28537a?

-TT-

Ξϊι&θ eines Keramikmeßwaiidlei's, wie z.B. eines piezoelektrischen Heßwandlers verbunden. Das andere Ende de ρ Feßwandlers 35 ist elektrisch mit dem anderen Ende des Widerstandes 32 wie auch mit einer zweiten Eingangskiemme des HOR-Gatters 31 über einem Widerstand 36 von 500,000 Ohm verbunden.

Der Austastoszillator 34- ist ähnlich wie die in dem RCA - GOS ' KOS-Datenbuch SSD-203c, 1975, auf den Seiten 518 bis 53« beschriebenen Oszillatoren, worauf hier Bezug genommen wird. Logische Elemente, die mit dem CBiSR-Gatter 30, dem NOR-Gatter 31 und dem Inverter 33 äquivalent sind,..können auf einem einzigen Chip der Hummer 4-001 aufgebracht sein, Ttfxe aus Seite 32 des ROA-Kataloges hervorgeht, auf den hier Bezug genommen wird. Der piezoelektrische Meßwandler 35 ist in Form einer flachen, dünnen Scheibe ausgebildet, wie sie von der Fa. National Manufacturing, Japan unter der Fr. EFB- 54-6C02 hergestellt wird. Der Heßwandler 35 weist eine Abmessung von 27 mm für die Keramikplatte sowie von 20,2 mm für den Durchmesser der piezoelektrischen Keramik auf. Der Resonanzwiderstand ist 200 Ohm und die Resonanzfrequenz beträgt 4-,6 IcHz bei einer elektrostatischen Kapazität von 19,500 Pikofarad.

Im Betrieb bilden die Schaltungen 11 und 15 einen selbstanlaufenden Spannungsvervielfacher mit einem Kippgenerator. Bevor irgendeine Schaltung betätigt wird, muß der Schalter 24- in seine

- -12 -

geschlossene Stellung gebracht werden, um die Batterie an die Oszillatorschaltung 15 anzuschließen. Das Ein- oder Ausschalten des Schalters 24 kann von Hand oder in Reaktion auf eine vorbestimmte Alarmeinstellung einer zugeordneten Taschenuhr oder eines Uhrmechanismus automatisch vorsichgehen. Wenn der Schalter 24 sich in seiner geöffneten Stellung befindet, ist der Leistungsverbraiich gleich Hull und der Heßwandler 35 wird entregt. Der Leistungsverbrauch Bull bei Alarmbereitschaft ist insbesondere 'bei mit kleinen Batterien bestückten Einrichtungen, wie z.B. bei Armbanduhren oder sonstigen Uhren, von Wichtigkeit.

In der geschlossenen Stellung des Schalters 24 ist die Spannung der Batterie 23 an den Kippgenerator 15 gelegt. Hierdurch wird der Transistor 16 in den leitenden Zustand beaufschlagt und es wird ein Strcmpfad über den Emitter und den Kollektor des Transistors 16 und die Primärwicklung 21 gebildet. Der Strom in der Primärwicklung 21 steigt an, bis der Transistor 16 gesättigt ist. Ist die Sättigung des Transistors 16 erreicht, so induziert die zugeordnete Rückkopplungswicklung 22, die mit dem elektromagnetischen Feld des Transformators 20 in Phase gebracht worden ist, eine Spannung an der Wicklung 22, die den Transistor in einen Sperr- oder nicht leitenden Zustand bringt, während der Rückkopplungswiderstand 17 die Stabilität des Oszillators 15 vergrößert.

824/091?

_ 13 -

Wenn der Transistor 16 sich in seinem Sperrzu.stand "befindet, wird die Energie in der Wicklung 21 freigesetzt und der Anstieg der induzierten Spannung wird durch, die Diode 14- zwecks Aufladung des Kondensators 12 aufgefangen. Der Kondensator 12 wird auf eine Spannung aufgeladen, die wesentlich höher als die der Batterie 23 ist. Spannungen, die 8 "bis 10 mal höher als die der Batterie 23 sind, können erzielt werden. Diese Spannung wird an den Teiler 27 über die Leitungen 25 und 26 und an das Gatter 30 und den Auftastoszillator JA- über Leitungen 39 "und 4-0 gelegt. Da genormte CMOS-Schaltungen typischerweise einen Spannungsbereich von ungefähr 3 ^>is 15 "Volt aufweisen, ist die Verwendung des Kondensators 12 als Spannungsquelle mehr als angemessen.

Über die Leitung 28 wird an den Eingangskontaktstift des Teilers

27 ein Rechteckwellensignal in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Schaltungskomponenten in dem Oszillator I5 abgegeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transformator 20 in der bekannten Weise abgestimmt, um für eine Frequenz von 9,5 kHz plus oder minus 5/^ an. dem Eingangskontakt stift des Teilers 27 über den Leiter 28 zu sorgen.

!Folglich sorgt der elektrolytische Kondensator 12 für eine doppelte Arbeitsfunktion, und zwar als Spannungsquelle für die nachfolgende Digitalschaltung und als Spannungsquelle für den Meßwandler. Weiter wird die vom Kondensator 12 an die Leitung

28 gelegte Eingangsfreauenz zur Modulation des letzten akustischen

$09824/091?

Sons benutzt. Diese Eingangsfrequenz wird einer "binären Teilerkette eingegeben, wie z.B. der des Zählers 27, der 14 Stufen aufXfeist. In Abhängigkeit von der Kombination der zu kombinierenden Ausgänge am Ausgang des Binärzählers 27 sind verschiedene Signale erzielbar. Insbesondere kann eine große Menr^e an Modulationssignalen durch Kombination von mindestens zwei binären Ausgängen des Zählers 27 erzielt werden, um eine zusammengesetzte Frequenzwelle zu erzeiigen, die an den Auftastoszü=- lator J4 zu legen ist. Es hat sich als technisch besonders vorteilhaft, wie auch als ästhetisch angenehm herausgestellt, die 2^ und 2 -'-Ausgänge des binären Zählers 27 mit der Leitung 28 bzw. der Leitung 29 zu verbinden. Eine solche Kombination der Ausgänge bei der erfindungsgemäßen Schaltung sorgt für einen charakteristischen, ästhetisch angenehmen Ausgang, der beim Anlagen an die logische Schaltung des Auftastoszillators 34-den Laut einer Grille simuliert. Ein anderer ästhetisch angenehmer Laut kann durch die elektrische Verbindung der Ausgänge 2 und 2 des Binärzählers 27 mit den Leitungen 28 bzw. 29 erzeugt werden. Die Taktfrequenz der zusammengesetzten Wellenform und die ITrequenzkomponenten dieser Wellenform des rechteckwellenförniigen Ausgangssignals des Binärzählers 26 sind leicht aus herkömmlichen Berechnungsregeln ableitbar. Die Modulationsfrequenz und die Frequenz des Schwingmeßwandlers nähern sich einander, um die Harmonie des ausgesendeten Tons zu modifizieren. Weiterhin wird eine Amplitudenmodulation der zusammenge-

909824/0917

setzten Wellenform, die dem Austastoszillator V4- zugeführt ist, durch eine Stromentnahme erzeugt, die auftritt, "ßrn rVc? Kf-R-wandler aktiviert wird, um einen Tonschritt zu sinulieren. Dies stellt einen weiteren !Faktor bei der Bestimmung der charakteristischen Töne des Heßwandlers mittels der erfindungsgemäßen Schaltung dar.

Das ODER-Gatter 30 kombiniert mindestens 2 rechteckförmige Teilfrequenzwellen des Ausgangs des Binärzählers 27 und der Ausgang des ODER-Gatters 30 wird verwendet, um einen unabhängigen Oszillator einzublenden, dev auf eine Freouenz angestimmt ist, die mechanischen und alcustischen Eigenschaften des elekt ro akustischen Meßwandlers 35 angepaßt ist. Im Betrieb wird das ODER-Gatter 30 einen verhältnismäßig hohen Ausgang aufweisen, wenn ein Eingang oder beide Eingänge hoch sind. Wenn beide Eingänge gering sind, wird der Axis sang des ODER-Gatters 30 klein sein.

Sind beide Eingänge oder ein Eingang des HOR-Gatters 31 hoch, dann ist der Ausgang des ITOR-Gatters 21 gering. Sind beide Eingänge des FOR-Gatters 31 gering, so ist der Ausgang hoch.

Am Ausgang des ODER-Gatters 30 erscheint eine zusammengesetzte Welle der kombinierten Frequenzen der gewählten Eingänge vom Ausgang des Binärzählers 27. Diese Wellenform wird verwendet, um den Austastoszillator JM- in herkömmlicher Weise ein- und auszuschalten. Von Wichtigkeit ist, daß der Austastoszillator 3^

■009824/0917

der erfiiidungsgemäßen Schaltung 34- den Kondensator 37 in seiner Schaltung nicht erfordert, da die Eigenkapazität des Meßwandlers 35 als kapazitive Komponente ihres eigenen Steueroszillators verwendbar ist. Hierdurch wird das Erfordernis einer zusätzlichen Komponente eliminiert.

Der Widerstand 36 sorgt für einen Eingangs schutz des ITOH-Gatters 31 und sein Widerstandswert kann hoch genug gexfählt werden, um die durch den piezoelektrischen Meßwandler 35 an den Kondensator 37 gelegte Spannung in "bekannter Weise zu verdoppeln. Zwecks Anpassung an die Impedanz und zwecks Verbreiterung der Wahl des Widerstandwertes des Widerstands 32, kann der Kondensator 37 elektrisch in Reihe mit der Eigenkapazität des Meßwandlers 35 angeordnet werden. Die durch Kombination des Kondensators 37 und der Eigenkapazität des Meßivandlers 35 gebildete Kapazität trägt mit den Widerständen 36 und 32 in bekannter Weise dazu bei, die Frequenz des akustischen Signals einzustellen.

Es kann auch ein Spannungsvervielfacher als Kern mit einer Wicklung gebildet werden, falls eine geeignete Frequenzquelle z.B. in einem Uhrengehäuse an einem Meßpunkt verfügbar ist. Auch der Austastoszillator 34· kann in bekannter Weise modifiziert werden, um in geeigneter Weise die Taktfrequenz des ausgesandten Tons wie auch die Frequenz des letzteren zu steuern.

Ho/'Ht

809824/0917

Claims

BERLIN 33 8MÜNCHEN80

Dr. RUSCHKE & PARTNER

^fSf PATENTANWÄLTE

Tel. (030)8 26 38 95/8 264481 BERLIN - MÜNCHEN Tel. (089) 98 03 24 / 98 72

Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse:

Quadratur Berlin Quadratur München

TELEX: 183786 TELEX: 522767

G 1639

Patentansprüche

Λ . - ■

. 1. Akustische Alarmschaltung, gekennzeichnet durch eine eine Energiequelle bildene und. eine Eingangsfrecmenz erzeugende Schalteinrichtung, durch eine mit letzterer elektrisch verbundene Zähleinrichtung, die die Eingangsfreauenz aufnimmt und eine Anzahl Teilfrequenzausgänge erzeugt, durch eine logische Schaltung, die elektrisch mit mindestens zvrei Teil- j

frequenzausgängen der Zähleinrichtung verbunden ist und ein : moduliertes, zusammengesetztes Signal erzeugt, und durch

einen eingeblendeten Oszillator mit einem tonerzeugenden Meßwandler, der elektrisch mit dem modulierten, zusammengesetz- ; ten Signal gekoppelt ist und ein hörbares Ausgangssignal er- \ zeugt.

ORIGINAL WSPECTED
2. Akustische Alarmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heßwandler eine Sigenkapazität aufweist, die unmittelbar zur Zeitkonstanten des eingeblendeten, den Heßwandler steuernden Oszillators "beiträgt.
3. Akustische Alarmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßwandlerelement ein piezoelektrischer Meßwandler ist.
-. Akustische Alarmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung ein binärer Teiler ist, der vierzehn Teilfrequenzausgänge aufweist.
5. Akustische Alarmschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen selbstanlaufenden Spannungsvervielfacher aufweist.
6. Akustische Alarmschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendbarkeit in einer Stundenuhreinrichtung, wobei die Schalteinrichtung eine Eingangsfrequenz von ungefähr 9₅5 kHz erzeugt, die Zähleinrichtung ein Binärzähler mit 14 Teilfrequenzausgangen ist, die elektrisch mit der Schalteinrichtung zwecks Aufnahme der Eingangsfrequenz ver-
853787
bunden sind, wobei die logische Schaltunp.; elektrisch mit den Ausgängen 2^y und 2 -' zur Erzeugung eines modulierten, zusarimengesetzten Signals verbunden sind, und wobei das hörbare Ausgangssignal den Laut einer Grille aufweist.
9 0 9 8 2 -4 / 0 9 \ 1