DE4227601C1

DE4227601C1 - Tonrufansteuerung für Lautsprecher

Info

Publication number: DE4227601C1
Application number: DE19924227601
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Berns; Gerrit Willem Nijmolen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-08-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Tonrufansteuerung für Lautspre cher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Elektroakustische Wandler sind notwendige technische Einrich tungen bei der akustischen Nachrichtenwiedergabe; die Nach richtenübermittlung umfaßt dabei definitionsgemäß sowohl (Sprache als auch Tonsignale. In Telefonen wird für die Schallerzeugung ein Lautsprecher oder alternativ ein Piezo wandler eingesetzt. Der Lautsprecher in sogenannten Komfort telefonen ist beispielsweise für die Leistungsmerkmale "Lauthören" und "Freisprechen" bei der Übermittlung von Spra che ausgelegt.

Die technische Entwicklung solcher Komforttelefone geht da hin, den bereits für die Sprachübermittlung vorhandenen Laut sprecher auch für die Erzeugung des Tonrufsignals zu benut zen. Als Alternative dazu bestünde auch die Möglichkeit, zu sätzlich einen Piezowandler einzusetzen, durch den sich je doch der Platzbedarf in dem Komforttelefon erhöhen würde. Da bei der Erzeugung von Tonrufen ganz bestimmte Lautstärkepegel im Verhältnis zur verfügbaren Tonrufeingangssignalleistung im Fernsprechendgerät erreicht werden müssen, muß eine elektro nische Tonrufansteuerung für den Lautsprecher einen großen Wirkungsgrad aufweisen. Da andererseits der Wirkungsgrad von Lautsprechern niedriger ist als bei Piezowandlern, kann nur ein sehr verlustarmes Ansteuerprinzip angewendet werden.

Für die Ansteuerung werden gewöhnlich aktive elektronische Halbleiterbauelemente (Transistoren) verwendet, die zu einer Verstärkerendstufe angeordnet sind. Wegen des schlechten aus steuerungsabhängigen Wirkungsgrades der im A-, B- oder C-Be trieb (stetige Arbeitsweise) arbeitenden Verstärkerschaltun gen sind die Schaltungen als Tonrufansteuerung für elektro akustische Wandler nachteilig.

Es ist jedoch aus der Literatur "Analoge Schaltungen und Schaltkreise" von M. Seifart, VEB Verlag Technik Berlin, 1982, Seiten 160 ff.; Radio Fernsehen Elektronik 24 (1975), Heft 23, Seiten 753 ff.; Radio Fernsehen Elektronik 24 (1975), Heft 24, Seiten 789 ff.; Funkschau 1966, Heft 21, Seiten 653 ff. und Elektronik 1963, Heft 11, Seiten 327 ff. bekannt, Transistoren im Schalterbetrieb (unstetige Arbeits weise) als sogenannte Schaltverstärker zu betreiben. Der Vor teil dieser unstetigen, im Schalterbetrieb arbeitenden Ver stärkerschaltungen liegt darin, daß ein sehr hoher und aus steuerungsunabhängiger Wirkungsgrad erreichbar ist. Werden die einzelnen Transistoren darüber hinaus in einer Brückenschal tung bei gegenphasiger Ansteuerung der Brückentransistoren angeordnet, so kann man bei einer für alle Transistoren glei chen Betriebsspannung eine doppelt so große Ausgangsleistung erzielen. Durch die gegenphasige Ansteuerung der Brückentran sistoren liegt außerdem an einem in dem Diagonalzweig der Brückenschaltung angeordneten Lastwiderstand immer die volle Spannung an.

So ist aus der DE-A1-35 05 478 eine Tonrufansteuerung für elektroakustische Wandler bekannt, die in einer Brückenschal tung angeordnete elektronische Schaltelemente und eine Steu ereinrichtung aufweist. Für die Tonrufansteuerung werden die Schaltelemente im Schalterbetrieb zur Aussteuerung des im Diagonalzweig der Brückenschaltung angeordneten elektroaku stischen Wandlers paarweise gegenphasig von der Steuerein richtung angesteuert und dadurch ein Stromfluß im Diagonal zweig erzeugt. Der elektroakustische Wandler ist in einer be vorzugten Ausführungsform als Lautsprecher mit einem zu die sem in Reihe geschalteten Kondensator ausgebildet. Dadurch wird ein Schwingkreis gebildet, dessen Resonanzfrequenz auf eine vorgegebene Zeitdauer (t₂-t₁) abgestimmt ist, während der Diagonalzweig auf annähernd gleichem Potential gehalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tonrufansteuerung für Lautsprecher aufzubauen, mit der bei einem zur Tonrufansteue rung konstanten Energieangebot der Wirkungsgrad (akustische Abstrahlung zu elektrischer Eingangsleistung) der Lautspre cher verbessert wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der in dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Tonrufansteuerung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale ge löst.

Bei der erfindungsgemäßen Tonrufansteuerung für Lautsprecher, wobei dieser im Diagonalzweig einer durch Transistoren gebil deten Brückenschaltung angeordnet ist und wobei die Transi storen im Schalterbetrieb zur Aussteuerung des Lautsprechers paarweise gegenphasig angesteuert werden und dabei Ströme im Diagonalzweig erzeugen, werden die Transistoren mit einem Verhältnis von Signalbreite zu Signalperiode eines die Ströme bestimmenden Ansteuerungssignals, das kleiner als 1 : 2 ist, angesteuert. Durch diese gezielte Ansteuerung der zu einer Brückenschaltung angeordneten Transistoren wird für den Laut sprecher der Wirkungsgrad (akustische Abstrahlung bezogen auf die elektrische Eingangsleistung) verbessert. Durch die Brüc kenschaltung bleibt darüber hinaus ein für den Lautsprecher erzeugtes Ausgangssignal symmetrisch, weshalb auch nur unge radzahlige harmonische Oberwellenanteile im Ausgangsspektrum enthalten sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der er findungsgemäßen Tonrufansteuerung ist ein maximaler Wirkungs grad des Lautsprechers erreichbar, wenn das Verhältnis von Signalbreite zu Signalperiode des Ansteuerungssignals 1 : 8 be trägt.

Weitere Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für Fernsprechendgeräte mit den Leistungsmerkmalen "Freisprechen" und "Lauthören",

Fig. 2 eine Endstufenschaltung des Fernsprechendgerät es zur Tonrufansteuerung für Lautsprecher,

Fig. 3 zeitliche Stromverläufe für in einer Brückenschal tung der Endstufenschaltung fließende Transistorströme.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für Fernsprechend geräte mit den Leistungsmerkmalen "Freisprechen" und "Lauthören". Beim Aufbau einer Gesprächsverbindung muß dem Benutzer zunächst ein Gesprächswunsch angezeigt werden. Dies geschieht dadurch, daß eine z. B. auf einer Zwei drahtleitung (Teilnehmerleitung) a/b übertragene Tonruf wechselspannung TRWS an einen Tonrufkreis TRK des Fern sprechendgerätes gelegt wird. Zur Umwandlung der auf der Zweidrahtleitung a/b übertragenen Tonrufwechselspannung TRWS in hörbare mechanische Schwingungen, sogenannte Ton rufe, ist der Tonrufkreis TRK mit einem Lautsprecher (elektroakustischer Wandler) LSP verbunden. Ist der Benut zer des Fernsprechendgerätes gesprächsbereit, was er z. B. durch Abnehmen eines auf einer Gabel aufliegenden Hörers anzeigt, so wird in dem Fernsprechendgerät zusätzlich ein Sprechkreis SPK aktiviert. Der Sprechkreis SPK ist wie der Tonrufkreis TRK zur Umwandlung von nunmehr auf der Zwei drahtleitung a/b übertragenen Sprachsignalen SFS in hörba re mechanische Schwingungen, sogenannte Laute, mit dem Lautsprecher LSP verbunden. Wie der Tonrufkreis TRK und Sprechkreis SPK im einzelnen aufgebaut sind, wird im fol genden beschrieben.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltungskonzept weist der Tonrufkreis TRK einen Mikroprozessor MP auf, der die programmierbare Tonruffunktionen innerhalb des Tonruf kreises TRK und Wahlfunktionen innerhalb des Sprechkreises SPK steuert. Der Mikroprozessor MP ist in dem Tonrufkreis TRK auf der Sekundärseite eines DC/DC-Wandlers WDL ange ordnet, der eingangsseitig über einen Verpolungsschutz VPS1 und der Reihenschaltung aus einem Kondensator C und einem Widerstand R an die Zweidrahtleitung a/b angeschal tet ist. Mit dem DC/DC-Wandler WDL wird die Tonrufwechsel spannung TRWS potentialfrei in eine Tonrufspannung V_TON umgewandelt, die den Mikroprozessor MP über einen Eingang IN1 eine Endstufenschaltung ESTS des Tonrufkreises TRK und eine Sprechschaltung SS des Sprechkreises SPK versorgt.

Zur Steuerung der Wahlfunktionen in dem Sprechkreis SPK ist der Mikroprozessor MP mit der Sprechschaltung SS des Sprechkreises SPK verbunden. In der Sprechschaltung SS werden alle Maßnahmen getroffen, um die auf der Zweidraht leitung a/b übertragenen Sprachsignale SPS durch den Laut sprecher LSP elektroakustisch umzuwandeln. Diese Maßnahmen umfassen z. B. sämtliche Schritte zur Realisierung der Leistungsmerkmale "Freisprechen" oder "Lauthören". Die Sprechschaltung SS ist dazu eingangsseitig über einen elektronischen Gabelumschalter GU, in dem ein Transistor T und ein Schaltelement SEL enthalten sind, und einen weite ren Verpolungsschutz VPS2 an die Zweidrahtleitung a/b an geschlossen und ausgangsseitig mit dem Lautsprecher LSP verbunden.

Zur Steuerung der Tonruffunktion innerhalb des Tonrufkrei ses TRK ist der Mikroprozessor MP über einen Eingang IN2 und Eingang IN3 mit der Endstufenschaltung ESTS verbunden. Die Steuerung der Tonruffunktion beinhaltet u. a. die An steuerung der Endstufenschaltung ESTS mit einer als Melo die bezeichneten Tonruffolge TRF am Eingang IN2, wobei die an den Eingang IN1 der Endstufenschaltung ESTS anliegende Tonrufspannung V_TON die Endstufenschaltung ESTS mit Ener gie versorgt. Die Tonruffolge TRF moduliert eine Aus gangsspannung V_LSP und wird über die Ausgänge OUT1, OUT2 der Endstufenschaltung ESTS dem Lautsprecher LSP zuge führt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Endstufen schaltung ESTS an den Ausgängen OUT1, OUT2 bei angekoppel tem Lautsprecher LSP einen Laststrom I_LSP liefert. Ausgän ge der Sprechschaltung SS werden in diesen Zustand vom Mi kroprozessor MP hochohmig (Leerlauf an den Ausgängen) ge schaltet. Über ein an den Eingang IN3 anliegendes Steuer signal VOL wird die Ausgangsspannung V_LSP der Endstufen schaltung ESTS gesteuert, um damit die Lautstärke (Volume) des Lautsprechers LSP verändern zu können. Es wird nach folgend aber nur der Zustand der maximal auftretenden Lautstärke betrachtet.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der Endstufenschaltung ESTS nach Fig. 1, bei der vier Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 zu ei ner Brückenschaltung angeordnet sind. Die Ausführung der Brückenschaltung in der Fig. 2 ist nur ein Beispiel. Die Brückenschaltung ist alternativ auch mit Feldeffekt-Tran sistoren oder schnell schaltbaren Relais betreibbar. Um mit den in den Brückenzweigen angeordneten Bipolar-Transi storen T1 . . . T4 eine wesentlich größere Leistung verarbei ten zu können, werden diese als Schalter betrieben. Bei diesem Schalterbetrieb (unstetige Arbeitsweise) werden pro Doppel -Brückenzweig zwei komplementäre Bipolar-Transisto ren T1, T3 bzw. T2, T4 in einer Kollektorschaltung betrie ben. Hierzu werden die Emitter der Bipolar-Transistoren T1, T2 zu dem Eingang IN1 der Endstufenschaltung ESTS ge führt und die Emitteranschlüsse der Bipolar-Transistoren T3, T4 jeweils auf Massepotential gelegt. Während die Kol lektoranschlüsse der Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 über die Ausgänge OUT1, OUT2 den Diagonalzweig der Brückenschaltung bilden, sind die Basisanschlüsse der Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 mit einer Steuerschaltung SSCH verbunden. In dem Diagonalzweig der Brückenschaltung ist über die Ausgänge OUT1, OUT2 der Endstufenschaltung ESTS der Lautsprecher LSP angeordnet. Dadurch, daß die Basisanschlüsse der Bipo lar-Transistoren T1 . . . T4 über die Steuerschaltung SSCH und dem Eingang IN2 der Endstufenschaltung ESTS mit dem Mikro prozessor MP nach Fig. 1 verbunden sind, sind beim Anlie gen der Tonrufspannung V_TON an dem Eingang IN1 der Endstu fenschaltung ESTS die Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 und so mit der Laststrom I_LSP in dem Diagonalzweig der Brücken schaltung steuerbar.

Sowohl der Mikroprozessor MP als auch die Steuerschaltung SSCH sind für diese Steuerungsfunktion in herkömmlicher Weise ausgebildet.

Um die Energie, die proportional zur von dem DC/DC-Wandler WDL potentialfrei Übertragenen und an dem Eingang IN1 der Endstufenschaltung ESTS anliegenden Tonrufspannung V_TON ist, an den Lautsprecher LSP abzugeben und dadurch einen Tonruf zu erzeugen, müssen die Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 in der Brückenschaltung so von dem Mikroprozessor MP und der Steuerschaltung SSCH angesteuert werden, daß im Diagonalzweig der Brückenschaltung ein Strom I1, I2 fließt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß entweder die als Schalter betriebenen Bipolar-Transistoren T2, T3 "ge öffnet" und die Bipolar-Transistoren T1, T4 "geschlossen" sind und dabei im Diagonalzweig der Strom I1 fließt oder die Bipolar-Transistoren T1, T4 "geöffnet" und die Bipo lar-Transistoren T2, T3 "geschlossen" sind und dabei im Diagonalzweig der Strom I2 fließt. Die Schaltzustände wer den dadurch realisiert, daß die Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 mit der Tonruffolge TRF Über die jeweiligen Basisan schlüsse von der Steuerschaltung SSCH entsprechend den Zu ordnungen paarweise um 180° phasenverschoben angesteuert werden. Die Tonruffolge TRF ist dabei z. B. gemäß Fig. 3 eine Rechteckimpulsfolge, bei der durch gezieltes Verän dern des Verhältnisses (Tastgrad) von Impulsbreite IP_hBR (Signalbreite) zur Impulsperiode IP_PER (Signalperiode) für jeden Lautsprecher LSP ein maximaler Wirkungsgrad einge stellt werden kann. Bei einem Wert für den Tastgrad, bei dem die Impulsbreite IP_BR in etwa ein Achtel zur Impuls periode IP_PER beträgt, wird für den Lautsprecher LSP der maximale Wirkungsgrad (akustische Abstrahlung bezogen auf die elektrische Eingangsleistung) erreicht. Durch die Brückenschaltung bleibt die Ausgangsspannung LSP (der Aus gangsstrom I_LSP) der Endstufenschaltung ESTS darüber hin aus symmetrisch, weshalb auch nur ungeradzahlige harmoni sche Oberwellenanteile im Ausgangsspektrum enthalten sind.

Bei der Ansteuerung der Bipolar-Transistoren T1 . . . T4 mit der Rechteckimpulsfolge ergeben sich für die Ströme I1, I2 und den Laststrom I_LSP die in Fig. 3 dargestellten Strom verläufe.

Claims

1. Tonrufansteuerung für Lautsprecher, mit zu einer Brücken schaltung angeordneten elektronischen Schaltelementen (T1 . . . T4), mit einer Steuereinrichtung (MP, SSCH), die mit den Schaltelementen T1 . . . T4) verbunden ist und mit dem an die Ausgänge des Diagonalzweigs der Brückenschaltung unmit telbar angeordneten Lautsprecher (LSP), wobei die Brücken schaltung von einem DC/DC-Wandler (WDL) versorgt ist, der eingangsseitig an der Zweidrahtleitung (a/b) liegt, wobei ferner die Schaltelemente (T1 . . . T4) im Schalterbetrieb zur Aussteuerung des Lautsprechers (LSP) paarweise gegenphasig angesteuert werden und dabei Ströme (I1, I2) im Diagonalzweig erzeugen und wobei die Schaltelemente (T1 . . . T4) mit einem Verhältnis von Signalbreite (IP_BR) zu Signalperiode (IP_PER) eines die Ströme (I1, I2) bestimmenden Ansteuerungssignals (TRF) angesteuert werden, das kleiner ist als 1 : 2.

2. Tonrufansteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltelemente (T1 . . . T4) als Bipolar- Transistoren ausgebildet sind.

3. Tonrufansteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Signal breite (IP_BR) zu Signalperiode (IP_PER) 1 : 8 beträgt.

4. Tonrufansteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Ansteuerungssignal (TRF) eine Rechteckimpulsfolge ist.

5. Tonrufansteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das zur Ansteuerung des Lautsprechers (LSP) erzeugte Ausgangssignal (I_LSP) symmetrisch ist.

6. Verwendung der Tonrufansteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Fernsprechendgeräten.