DE3505478A1

DE3505478A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb eines piezokeramischen elektro-akustischen wandlers

Info

Publication number: DE3505478A1
Application number: DE19853505478
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 7900 Ulm Rall
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-02-16
Filing date: 1985-02-16
Publication date: 1986-08-21
Also published as: DE3505478C2

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-UL/Sar/lh
Theodor-Stern-Kai 1 UL 84/l46

D-6000 Frankfurt 70

Beschreibung

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb eines piezokeraitiischen elektro-akustischen Wandlers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines piezokeramischen eloktro-akustischen Wandlers an einer mit einer Rechteckspannung
geschalteten Transistor-Doppelgegentaktendstufe.

Anstelle des Wechselstromweckers im Fernsprechapparat oder einer zusätzlichen Telefonklingel werden in zunehmendem
Maße elektronische Schaltungen verwendet, die eine Folge
von Tönen erzeugen. Diese Töne können von billigen piezokeramischen Schallwandlern abgestrahlt werden, deren Wirkungsgrad jedoch sehr schlecht ist. Da Fernsprechapparate über die Teilnehmeranschlußleitung gespeist werden und

dus Ajiruforgan durch einen Kondensator von beispielsweise 1 \iF gegen diese Leitung abgeriegelt ist, ist eine möglichst gute Anpassung der aus der Rufwechselspannung entnehmbaren begrenzten elektrischen Leistung an den Schallwandler vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines piezokeramischen elektro-akustischen Wandlers anzugeben, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad ergeben.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein piezokeramischer elektro-akustischer Wandler sich im wesentlichen wie ein Kondensator verhält. Dadurch, daß dieser Kondensator nicht ständig umgeladen sondern vorher entladen wird, läßt sich etwa 50 % des üblicherweise erforderlichen Betriebsstromes einsparen, so daß eine erhebliche Wirkungsgraderhöhung erzielt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine weitere Wirkungsgraderhöhung läßt sich dadurch erzielen, daß in Reihe mit dem Wandler eine Induktivität geschaltet wird, die so bemessen ist, daß jeweils während der Entladezeit des Wandlers eine Halbschwingung auftritt. In der Regel werden die Tonruffrequenzen von einer Frequenzteilerschaltung erzeugt. Dadurch lassen sich phasenstarre Zeitintervalle mittels einer einfachen Logik ableiten, mit der nahezu ohne Zusatzaufwand die den Wandler aussteuernden Transistoren in gewünschter Weise geschaltet werden können .

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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

PlG. 1 Schaltung einer Doppelgegentaktendstufe mit Wandler ;

PlG. 2 Prinzipschaltbild der PIG. 1 in einem ersten Schaltzustand;

PIG. 3 zeitlicher Verlauf des Betriebsstromes I_ß;

FIG. 4 vereinfachte Schaltung nach FIG. 1 in drei weiteren aufeinanderfolgenden Schaltzuständen ;

FIG. 5 zeitlicher Verlauf der Wandlerspannung UL·, des Wandlerstromes I_w und des Betriebsstromes I_ß;

FIG. 6 vereinfachte Schaltungsanordnung nach FIG. 1 mit zusätzlicher Induktivität L.

In FIG. 1 ist eine Transistor-Doppelgegentaktendstufe dargestellt mit den Transistoren Tl bis T4. Die Transistoren werden jeweils an ihrer Basis-Emitter-Strecke mit Rechteckspannungen U., U₂, U_ bzw. U. geschaltet. Die Last, hier ein piezokeramischer elektro-akustischer Wandler W, liegt mit ihrem einen Anschluß zwischen dem Verbindungspunkt des Emitters des Transistors Tl und dem Kollektor des Transistors T2 und mit ihrem anderen Anschluß am Verbindungspunkt des Emitters des Transistors T3 mit dem Kollektor des Transistors Τ4. Mit U„ ist die Betriebsspannung , mit I_ der Betriebsstrom und mit C ein Pufferkondensator bezeichnet.

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Dio Aiisteuerschaltung, die die Rechteckspannungen liefert, ist an den Steuerstrecken der Transistoren angeschlossen, also an den Anschlußpunkten e, f, g, h, i, j, k und 1.

Die jeweils zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren T2 und Tk geschalteten Dioden Dl und D2 sind normalerweise nicht vorgesehen. Ihre Funktion wird später erläutert.

In FIG. 2 ist zur Erläuterung der Arbeitsweise die Transistor-Doppelgegentaktendstufe vereinfacht dargestellt. Gleiche Schaltungspunkte sind mit gleichen Buchstaben bezeichnet. Die Transistoren sind wegen ihrer als Schalter betriebenen Funktion als Umschalter Sl und S2 dargestellt. Üblicherweise werden die in FIG. 1 gezeigten Transistoren Tl bis Τ4 derart angesteuert, daß die den Transistoren entsprechenden Umschalter in FIG. 2 einmal in der gezeigten Stellung liegen, bei der also die Schaltungspunkte A mit m und B mit 1 verbunden sind. Anschließend werden die Schalter umgeschaltet, derart, daß nun die Schaltungspunkte A mit h und B mit η verbunden sind. Diese Umschaltung erfolgt mit der Frequenz der steuernden Rechteckspannung.

In FIG. 3 ist der zeitliche Verlauf des Betriebsstroms der Transistor-Doppelgegentaktendstufe dargestellt. Bei jedem Umschalten der Schalter entsteht ein kurzer Umladestromstoß. Der piezokeramische elektro-akustische Wandler enthält im Ersatzbild u.a. eine Kapazität, die bei jedem Umschalten der Schalter Sl und S2 (FIG. 2) umgeladen wird. Dabei fließt einmal der Betriebsstrom vom Schaltungspunkt m über A und den Wandler W über B nach 1 und in der nächsten Halbperiode vom Schaltungspunkt η über B, den Wandler W, über A nach h.

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Der größte Teil des Betriebsstromes fließt lediglich für die Dauer des Utnladens der Kapazität des Wandlers. Der in FIG. 3 gezeigte zweite Impuls entsteht, wenn die Schalter Sl und S2 umgeschaltet haben, so daß dann der Strom von η über B, Wandler W, A nach h fließt. Die für die Schallabstrahlung benötigten Stromanteile sind wie PIG. 3 zeigt, dagegen viel kleiner.

Der Betriebsstrom für die Doppelgegentaktendstufe läßt sich noch erheblich reduzieren. Gemäß der Erfindung werden hierzu jowoila vor den UmschaltZeitpunkten die beiden Ausgänge A und B der Doppelgegentaktendstufe während einer bestimmten Zeitdauer auf ein annähernd gleiches Potential gehalten. Diese Betriebsweise ist in FIG. 4 ausführlich dargestellt.

FIG. 5 zeigt hierzu die jeweiligen Betriebszutände der Schaltung und zwar FIG. 5·! die Spannung am Wandler,

FIG. 5.2 den Wandlerstrom I„ und FIG. 5-3 den Betriebsstrom Ig jeweils als Funktion der Zeit.

Ausgangspunkt sei wieder die Schalterstellung nach FIG. 2. Während dieser Schaltungsstellung liegt gemäß der FIG. 5·1

zwischen den entsprechenden Zeiten t_o und t„ die Betriebe's j

spannung U_ß am Wandler. Nun wird gemäß der Erfindung zunächst der Wandler entladen, wie es FIG. 4.1 zeigt. Gemäß FIG. 5·1 liegt nun für eine bestimmte Zeitdauer (tr-t„) keine Spannung am Wandler. FIG. 5·2 zeigt den zwischen den Zeiten t„ und t^ fließenden Entladestrom. In vorteilhaf-

terweise fließt jedoch, wie FIG. 5.3 zeigt, während dieser Zeit kein Betriebsstrom I_n.

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Nun wird gemäß FIG. 4.2 zunächst der Schalter S2 umgeschaltet. Gemäß FIG. 5.1 liegt nun für diese Zeit von t^ bis t_ eine negative Betriebsspannung am Wandler. In dieser Stellung fließt gemäß FIG. 5·2 wieder ein Ladestrom auf den Wandler, der gemäß FIG. 5· 3 einen kurzen Betriebsstroiii zur Folge hat . In vorteilhafter Weise ist jedoch das Produkt aus Strom und Zeit, also die Ladungsmenge und damit die Leistung, die aus der Betriebsspannungsquelle entnommen wird, nur etwa halb so groß wie bei der zu FIG. 2 mit FIG. 3 erläuterten Betriebsweise.

Ab der Zeit t_ (FIG. 5.1) wird nun gemäß FIG. 4.3 lediglich der Schalter Sl umgeschaltet, so daß wiederum am Wandler keine Spannung steht und die Wandlerkapazität sich entladen kann (FIG. 5·2). Ab der Zeit t,- wird der Schalter S2 umgeschaltet, die Wandlerkapazität wieder gemäß FIG. 5·2 geladen und während dieser Zeit fließt wieder ein Betriebsstrom. Die Schaltzustände zwischen den Zeiten t_ bis t_q (FIG. 5·1) entsprechen den Schaltzuständen zwischen den Zeiten t₁ und t,.. Es ergibt sich somit in Abhängigkeit von der Zeit ein periodischer Spannungsverlauf gemäß FIG. 5.1, ein Wandlerstrom gemäß FIG. 5.2 und ein Betriebsstrom entsprechend FIG. 5-3·

Die in FIG. 4.1 und 4.3 gezeigten Schalterstellungen müssen eine bestimmte Zeit eingehalten werden, die so groß ist, daß innerhalb dieser Zeit der Wandler entladen wird.

Beim Entladen der Wandlerkapazität in den Zeitintervallen (t₂-t₁), (t^-t₃), (t₆-t₅) usw. (FIG. 5.1) werden bei

Ausgestaltung der Doppelgegentaktendstufe gemäß FIG. 1 die am negativen Ende b, h, 1 liegenden Transistoren T2 und T4

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in umgekehrtem Sinne vom Wandlerstrom durchflossen. Damit im Halbleiter dabei keine parasitären Dioden in Funktion treten, welche das einwandfreie Arbeiten der Schaltung beeinträchtigen können, ist es vorteilhaft, auf dem gleichen Halbleiterchip, auf dem die Transistoren Tl bis T4 integriert sind, niederohmige Dioden Dl und D2 (FIG. 1) mitzuintegrieren und die Transistoren T2 und Tk durch integrierte Schutzringe zu schützen.

Beim jeweiligen Entladevorgang des Wandlers geht etwas Energie verloren. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß in Reihe mit dem Wandler gemäß FIG. 6 eine Induktivität L geschaltet wird. Mit Hilfe dieser Serieninduktivität L kann diese Energie ausgenutzt werden, wodurch der Ladestrommittelwert und damit der Betriebsstrom der Schaltung weiter reduziert wird. Die Induktivität muß so bemessen werden, daß im Zeitintervall der Spannungslosigkeit des Wandlers, also während den Zeiten (t₂-t.), (t.-t„) usw. in Verbindung mit der Kapazität des Wandlers die Wandlerspannung jeweils eine Halbschwingung ausführt.

Damit der aus der Wandlerkapazität und Induktivität gebildete Schwingkreis beim Überschwingen keine zusätzliche Energie der Betriebsspannungsaquelle entnehmen kann, ist es weiterhin von Vorteil, in die den Betriebsstrom der Doppelgegentaktendstufe führenden Leitung, also z.B. zwischen den Punkten c und d, wie FIG. 6 zeigt, eine in Flußrichtung betriebene Diode D3 zu schalten. Die Schaltpunkte, zwischen die die Diode D3 zu schalten ist, sind auch in FIG. 1 mit c und d bezeichnet.

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Die in KIG. 1 gezeigte Schaltung ist lediglich ein Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Erfindung. Selbstverständlich können an die Stelle von NPN-Transistoren auch PNP-Transistoren mit entsprechender Polarität der Betriebsspannung oder MOS-Schalter gesetzt werden. Auch sind Doppelgegentaktendstμfen mit Vorteil zu verwenden, deren jeweiliger Zweig aus Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehen und die an den Punkten A und B jeweils mit ihren Emittern zusammengeschaltet sind. Auch kann es, je nach Anwendungsfall, vorteilhaft sein, anstelle die Entladung des Wandlers gemäß den FIG. 4.1 und 4.3 nach den Schaltungspunkten h und 1 vorzunehmen, die Entladung auch so durchzuführen, daß die Schalter Sl und S2 nach den Schaltungspunkten m und η schalten.

Ferner kann die Schaltungsanordnung nach FIG. 6 in vorteilhafter Weise auch so ausgestaltet werden, daß statt der Induktivität ein Lautsprecher und statt des Wandlers ein Kondensator verwendet wird.

- Leerseite -

Claims

3J505478

Licoiitiü Putoiit-Vorwultunga-GiiibH PTL-UL/Sar/lh

Theodor-Stern-Kai 1 UL 846

D-6OOO Frankfurt 70

Patentansprüche

IJ Verfahren zum Betrieb eines piezokeramischen elekroakustischen Wandlers (W) an einer mit einer Rechteckspannung geschalteten Transistor-Doppelgegentaktendstufe
(Tl,..., Tk), dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor den Umschaltzeitpunkten (t_g, ti,...) der Spannung an dem Wandler (W) die beiden Ausgänge (A, B) der Transistor-Doppelgegentaktendstufe auf annähernd gleichem Potential gehalten werden (FIG. 1 und FIG. 5.3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in der Tonrufschaltung eines Fernsprechapparates .

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei am glei-

ORIGINAL INSPECTED

chen Pol der Versorgungsspannung (U_R) liegende Ausgangstransistoren (T2, Tk) der Transistor-Doppelgegentaktendstufe (Tl,..., Tk) jeweils mit einer in Sperrichtung geschalteten Diode (Dl, D2) überbrückt sind.

k. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 im Falle einer integrierten Transistor-Doppelgegentaktendstufe, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweils mit einer Schutzdiode (Dl, D2) überbrückter Transistor (T2, Tk) auf dem Halbleiter-Chip mit einem integrierten Schutzring versehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Wandler (W) eine Induktivität (L) geschaltet ist, die so bemessen ist, daß jeweils während der bestimmten Zeitdauer ((tg-t.),...) die Spannung am Wandler (W) eine Halbschwingung ausführt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, für den Fall, daß die Rechteckspannung einer Frequenzteilerkette entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige bestimmte Zeitdauer ((t„-t.),...) aus der Frequenzteilerkette abgeleitet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die den Betriebsstrom der Doppelgegentaktendstufe führende Leitung (zwischen c und d) eine in Flußrichtung betriebene Diode (D3) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (W) als Kapazität und die Induktivität (L) als Lautsprecher ausgebildet sind.