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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Hörgerät, das teilweise durch einen
Kondensator mit hoher Kapazität
mit Energie versorgt wird.
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Die
meisten Hörgeräte werden
durch eine austauschbare Batterie mit Energie versorgt. Üblicherweise
werden Metall-Luft-Zellen wie z. B. Zink-Luft-Zellen wegen ihrer
stabilen Ausgangsspannung während
ihrer Betriebsdauer zur Energieversorgung von Hörgeräten eingesetzt. Metall-Luft-Zellen
verwenden Luft zur Aktivierung der Zelle. Sie werden aktiviert,
wenn Luft, insbesondere Sauerstoff, in die Zelle eintreten kann.
Vor der Benutzung ist die Batterie durch einen Abziehstreifen versiegelt,
der eine oder mehrere kleine Öffnungen überdeckt,
die es der Luft ermöglichen,
eine Luft-Kathodenanordnung innerhalb der Zelle zu erreichen. Zum
Aktivieren der Batterie wird der Abziehstreifen entfernt, und Luft
wird in die Batterie eingelassen. Die Batterie wird dann in das
Hörgerät eingesetzt.
Die Ruhespannung einer frischen Zink-Luft-Zelle beträgt typischerweise 1,4
Volt. Während
der Benutzung sinkt die Ausgangsspannung der Batterie zeitlich langsam
bis zum Ende der Batterielebensdauer, wo die Ausgangsspannung schneller
fällt.
Die Lebens- oder Betriebsdauer der Batterie ist diejenige Dauer,
innerhalb derer die Batterieausgangsspannung größer als die minimale Betriebsspannung
der Schaltung ist, die die Batterie versorgt. Die Messung erfolgt
in Amperestunden. In einem analogen Hörgerät beträgt die minimale Betriebsspannung
typischerweise 0,9 Volt.
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Hörgeräte des Stands
der Technik können eine
Batteriealarmschaltung haben, die den Benutzer alarmiert, wenn die
Ausgangsspannung der Batterie unter eine bestimmte Schwellenspannung
fällt.
Somit beträgt
die Schwelle bei einem analogen Hörgerät typischerweise 0,9 Volt.
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Die
Entwicklung von Hörgeräten mit
digitalen Schaltungen, z. B. digitalen Signalprozessoren, hat die
Anforderungen an Batterien erhöht,
die zur Energieversorgung von Hörgeräten eingesetzt
werden. Beispielsweise arbeiten die digitalen Schaltungen nicht
bei einer Versorgungsspannung unter 1,1 Volt. Ebenso steigt der
für die
Versorgung der digitalen Schaltungen benötigte Strom als Funktion eines
zunehmenden Ausgangsvolumens des Hörgeräts schnell an, und von den
Digitalschaltungen gezogene Ausgleichsströme neigen dazu, größer zu sein und
kürzere
Anstiegs- und Abfallzeiten zu haben, als die von analogen Schaltungen gezogenen
Ausgleichsströme.
Dies bedeutet, dass Benutzer digitaler Hörgeräte eine verkürzte Batterielebensdauer
erleben, und in einigen Fällen
sogar eine extrem verkürzte
Batterielebensdauer.
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Das
Dokument Neuteboom H et al: "A DSP-BASED
HEARING INSTRUMENT IC' IEEE JOURNAL
OF SOLID-STATE CIRCUITS, IEEE INC. NEW YORK, US, Band 32, Nr. 11,
1. November 1997, Seiten 1790–1806
offenbart ein Hörgerät, umfassend ein
Gehäuse,
einen Eingangswandler zum Umwandeln eines akustischen Eingangssignals
in ein erstes elektrisches Signal, einen Signalprozessor zum Erzeugen
eines zweiten elektrischen Signals basierend auf dem ersten elektrischen
Signal, einen Ausgangswandler zur Umwandlung des zweiten Signals
in Schall, eine Energiequelle zum Versorgen wenigstens des Signalprozessors
mit Energie, sowie einen parallel zur Energiequelle geschalteten
Kondensator.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hörgerät mit einer
Elektronikschaltung anzugeben, die geringe Ausgleichsströme mit langsamen
Anstiegs- und Abfallzeiten zieht, so dass eine das Hörgerät mit Energie
versorgende Batterie eine lange Lebensdauer, d. h. Betriebsdauer,
aufweist.
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Erfindungsgemäß ist ein
Hörgerät vorgesehen
mit einem Gehäuse,
das einen Eingangswandler zum Umwandeln eines akustischen Eingangssignals in
ein erstes elektrisches Signal enthält, einer Signalprozessoreinrichtung
zum Kompensieren eines Hörfehlers
durch Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals basierend auf
dem ersten elektrischen Signal, einem Ausgangswandler zur Umwandlung
des zweiten Signals in Schall, einer Energiequelle zum Versorgen
wenigstens des Signalprozessors mit Energie, und wenigstens einem
parallel zur Energiequelle geschalteten Kondensator zur Versorgung
mit Ausgleichsströmen,
die durch den Signalprozessor gezogen werden, wobei der wenigstens
eine Kondensator einen Superkondensator mit einer Kapazität umfasst.
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Der
Signalprozessor kann ein digitaler Signalprozessor sein.
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Die
Kapazität
des wenigstens einen Kondensators ist vorzugsweise größer als
1 mF, noch bevorzugter größer als
4 mF, sogar noch bevorzugter größer als
10 mF, am bevorzugtesten größer als
20 mF.
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Vorzugsweise
ist die Energiequelle eine Metall-Luft-Batterie wie z. B. eine Zink-Luft-Batterie.
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Der
wenigstens eine Kondensator kann einen schnellen Superkondensator
umfassen, z. B. einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator mit
einem hoch leitfähigen
protonenleitenden Polymerelektrolyt des Typs, wie er offenbart ist
in der technischen Information von Bestcap "A new dimension in "fast" supercapacitors" (Eine neue Dimension in "schnellen" Superkondensatoren),
Scot Tripp, AVX Ltd, Fleet, UK.
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Typischerweise
hat ein Hörgerät ein Gehäuse, das
den Eingangs- und den Ausgangswandler und den Signalprozessor enthält, und
dazu ausgelegt ist, hinter dem Ohr, im Ohr oder im Hörkanal getragen zu
werden, und bei dem die Ausgabe des Ausgangswandlers auf eine Weise
zum Trommelfell geführt wird,
die auf dem Gebiet der Hörgeräte gut bekannt ist.
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Die
Anschlüsse
des wenigstens einen Kondensators sind vorzugsweise zwischen den
Batterieanschlüssen
des Hörgeräts angeschlossen.
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In
einer anderen Ausführungsform
sind die Anschlüsse
des wenigstens einen Kondensators derart an den Signalprozessor
angeschlossen, dass der Abstand zwischen den Anschlüssen und
den Stromversorgungsanschlüssen
des Signalprozessors im Wesentlichen minimiert wird.
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Weitere
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der nachfolgenden
Beschreibung deutlich werden, in der die Erfindung detaillierter
beschrieben wird. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung
wird dort als Beispiel gezeigt und beschrieben. Wie man erkennt,
kann die Erfindung in weiteren anderen Ausführungsformen realisiert werden,
und ihre verschiedenen Details können
in verschiedener offensichtlicher Hinsicht modifiziert werden, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen. Entsprechend sollen die
Zeichnungen und Beschreibungen als rein erläuternder Natur angesehen werden,
nicht als beschränkend:
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1 zeigt
einen Ausdruck der Ausgangsspannung als eine Funktion von Amperestunden
für zwei
Batterien, die durch einen kontinuierlichen Strom belastet werden;
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2 zeigt
einen Ausdruck der Ausgangsspannung als eine Funktion von Amperestunden
für zwei
Batterien, die durch einen kontinuierlichen Strom mit überlagerten
Strompulsen belastet werden;
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3 ist
ein Ausdruck des Stroms, der durch ein digitales Hörgerät gezogen
wird, das Sprache verstärkt,
sowie der resultierenden Batterieausgangsspannung;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hörgeräts;
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5 ist
ein Ausdruck des Stroms, der durch ein erfindungsgemäßes digitales
Hörgerät gezogen wird,
das Sprache verstärkt,
sowie der resultierenden Batterieausgangsspannung;
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6 ist
ein Ausdruck des Stroms, der durch ein erfindungsgemäßes digitales
Hörgerät gezogen wird,
das Sprache verstärkt,
sowie der resultierenden Batterieausgangsspannung;
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7 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hörgeräts, umfassend
eine Telespule, und
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8 zeigt
einen Ausdruck der zweiten harmonischen Verzerrung in einem Telespulensignal
als Funktion der Drehposition von drei verschiedenen Zink-Luft-Batterien.
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1 zeigt
einen Ausdruck der Ausgangsspannung 1, 2 als Funktion
von Amperestunden für zwei
Batterien von verschiedenen Batterieherstellern, die durch einen
kontinuierlichen Strom vom 3,0 mA belastet werden. Man sagt, dass
die Betriebsdauer der Batterie endet, wenn die Batterieausgangsspannung
unter 1,1 Volt fällt.
Man erkennt, dass die Batterie mit der höchsten Ausgangsspannung 1 auch die
kürzeste
Betriebsdauer aufweist. Man bemerkt ferner einen kurzen Fall 3 in
der Ausgangsspannung 2 zu Beginn des Betriebs der anderen
Batterie.
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2 zeigt
einen Ausdruck der Ausgangsspannung 1, 2 als Funktion
von Amperestunden für zwei
Batterien der gleichen Batteriehersteller wie in 1,
jedoch bei einer Belastung mit einem realistischeren Strom, der
aus einem kontinuierlichen Strom von 3,0 mA besteht, dem Strompulse
von 12 mA mit 100 ms Dauer überlagert
sind. Die Dauer zwischen den Pulsen beträgt eine Stunde. Man stellt
fest, dass für
beide Batterien die Ausgangsspannungen 1, 2 gefallen
sind, während
die Betriebsdauer der Batterie mit der höchsten Ausgangsspannung 1 unverändert geblieben
ist, und die Betriebsdauer der anderen Batterie auf den gleichen
Wert gefallen ist. Man stellt ferner fest, dass der kurze Abfall 3 in
der Ausgangsspannung 2 zu Beginn des Betriebs der anderen
Batterie tiefer geworden ist, und dass die Batterieausgangsspannung 2 während des
Abfalls 3 unter 1,1 Volt fällt. Somit würde ein
Hörgerätebenutzer,
der diese Batterie bei diesen Umständen benutzt, eine extrem kurze
Betriebsdauer von 1–2
Stunden erleben.
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3 ist
ein Ausdruck des Stroms 4, der von einem herkömmlichen
digitalen Hörgerät gezogen wird,
das Sprache verstärkt,
sowie der resultierenden Batterieausgangsspannung 5. Das
Sprachsignal ist das künstliche
Sprachsignal von der ICRA-Rausch-CD, entwickelt durch das International Colloquium
of Rehabilitative Audiology. Man beachte, dass die Batterieausgangsspannung
unter 1,1 Volt fällt,
wodurch der Batteriealarm ausgelöst
wird, der den Hörgerätebenutzer
veranlasst oder zwingt, die Batterie auszutauschen.
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Die
Spannungsabfälle
und die entsprechende Unfähigkeit
der Batterie, den benötigten
Strompuls zu liefern, erzeugt ferner eine Verzerrung des Ausgangssignals
des Signalprozessors.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Hörgeräts 10 mit einem Kondensator 12,
der parallel zur Batterie 14 angeschlossen ist, entsprechend
der vorliegenden Erfindung. Das Hörgerät 10 umfasst ein Mikrofon 16,
das den Eingangswandler für
den Empfang von Schall aus der Umgebung und die Erzeugung eines
entsprechenden elektronischen Signals darstellt. Das Mikrofon 16 kann
vom Richt-Typ sein, beispielsweise kann der Eingangswandler mehr
als ein Mikrofon umfassen, wobei verschiedene Eingangssignale zu
einem einzigen Signal kombiniert werden. Das elektronische Signal
wird einem digitalen Signalprozessor 20 über einen A/D-Wandler 18 zugeführt. Gegebenenfalls
kann vor dem A/D-Wandler 18 ein (nicht gezeigter) Vorverstärker vorgesehen
sein. Der digitale Signalprozessor 20 verarbeitet das Signal
entsprechend einer gewünschten
Frequenzcharakteristik- und kompressorfunktion, um ein Ausgangssignal
bereitzustellen, das sich zum Kompensieren der Hörbeeinträchtigung des Benutzers eignet.
Das Ausgangssignal wird über
einen Sigma-Delta-Wandler 22 einem Ausgangswandler 24 zugeführt. Der
Ausgangswandler 24 wandelt das Ausgangssignal in ein akustisches
Ausgangssignal um. Die Kapazität
des Kondensators 12 beträgt 5 mF.
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5 entspricht 3 und
ist ein Ausdruck des Stroms 4, der durch ein erfindungsgemäßes digitales
Hörgerät während der
Verstärkung
der künstlichen
ICRA-Sprache gezogen wird, sowie der resultierenden Batterieausgangsspannung 5.
Beim Vergleich mit 3 sieht man, dass die Batteriausgangsspannung 5 geglättet ist,
und dass die Spannung nicht mehr unter 1,1 Volt fällt. Somit
ist mit einem erfindungsgemäßen Hörgerät die Betriebsdauer der
Batterie verglichen mit herkömmlichen
digitalen Hörgeräten verlängert worden.
Ferner führen
die kleineren Spannungsabweichungen zu einer kleineren Verzerrung
des Ausgangssignals des Signalprozessors.
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6 zeigt
einen weiteren Ausdruck entsprechend dem in 5 gezeigten
Ausdruck, wobei die Kapazität 20 mF
beträgt.
Man sieht, dass die Schwankungen der Spannung 5 weiter
abnehmen.
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7 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hörgeräts 10,
das eine Aufnahmespule umfasst, nämlich eine Telespule 26.
Das Mikrofon 16 und die Telespule 26 sind an eine Mischerstufe 28 angeschlossen,
und der Ausgang der Mischerstufe 28 ist an den A/D-Wandler 18 angeschlossen.
Bei einem Hörgerät 10 mit
einer Telespule 26 hat der Einbau eines Kondensators 12,
beispielsweise eines Superkondensators 12, zwecks Energieversorgung
einen weiteren Effekt. Der durch die Hörgeräteschaltung 18, 20, 22 gezogene
Strom erzeugt ein Magnetfeld in der Umgebung. Dieses Feld wird durch
die Telespule 26 aufgenommen und verzerrt das Telespulensignal.
Die zweite harmonische Verzerrung kann 30% betragen. In einigen
Hörgeräten des
Stands der Technik wurde dies durch Hinzufügen eines Kompensationsstromwegs
zur Energieversorgungsstromschleife kompensiert, so dass das erzeugte
Magnetfeld abgesenkt wird. Allerdings wird der Kompensationsstromweg
unter der Annahme einer speziellen Energieversorgungsstromschleifengeometrie
gestaltet. Der vorliegende Erfinder hat gezeigt, dass sich diese
Geometrie mit der Drehposition der Batterie ändert. Bei einer Zink-Luft-Batterie
gibt es Luft über
dem Zinkpulver. Dies bedeutet, dass Strom, welcher vom Boden der
Batterie fließt,
wegen dieser Luft keinen direkten linearen Weg zur Spitze der Batterie
finden kann. Stattdessen muss sich der Strom um das Batterievolumen
herum ausbreiten.
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8 zeigt
einen Ausdruck der zweiten harmonischen Verzerrung im Telespulensignal
als Funktion der Drehposition von drei verschiedenen Zink-Luft-Batterien. Man sieht,
dass die Stärke
der Verzerrung für
verschiedene Batterien unterschiedlich ist, und gleiches gilt für die erhältliche
Minimalstärke
der Verzerrung. Wenn ein hochkapazitiver Kondensator an die Schaltung
angeschlossen wird, um die Schaltung mit Ausgleichsströmen zu versorgen,
wird ein gut definierter Stromweg für die Ausgleichsströme errichtet,
die das von der Telespule aufgenommene hohe Magnetfeld erzeugen.
Dann kann ein Kompensationsstromweg gestaltet werden, der im Wesentlichen
unabhängig
ist vom Batterietyp, dem Batterieherstellungsverfahren und der Drehposition
der Batterie.
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In 7 sind
ferner die Kondensatoranschlüsse
eingezeichnet, um zu erläutern,
dass der Kondensator derart an die Schaltung angeschlossen werden
kann, dass die Fläche
der Stromschleife, durch welche die Ausgleichsströme fließen, minimiert wird,
um hierdurch die durch die Ausgleichsströme erzeugten Magnetfelder weiter
zu minimieren.