DE2021394A1

DE2021394A1 - Akustische Warnschaltung

Info

Publication number: DE2021394A1
Application number: DE19702021394
Authority: DE
Inventors: Potter Bronson M
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-05-01
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1970-11-12
Also published as: US3638223A

Description

Akustische Warnschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Schalter, der zwei in Kollektor- bzw. in Basisschaltung zusammengeschaltete Transistoren enthält und bei Anschluß an eine Spannung zwischen beispielsweise-5 und 50 V eine Resonanzlast in ihrer natürlichen Resonanzfrequenz zum Schwingen bringt.

Durch die Erfindung sollen v.-arrigerate und Oszillatorschaltungen _; mit Resonanzlasten verbessert, verbilligt und in Festkörperbauv.eise mit hoher Ausgangsleistung geschaffen werden. Weiterhin soli ein verbesserter wirkungsgrad und eine weitgenende Unempfindlichkeit gegen Versorgungsspannungsschwankungen erreicht 'werden, und die Schaltung soll sich in integrierter Bauweise auf einem einzigen Halbleiterplättchen ausbilden lassen. Die akustischen Warngeräte sollen sich insbesondere· für Kraftfahrzeug-Armaturenbretter, RücKwärtswarnanlagen, Telefone, Feuerwarngeräte und dergl. eignen.

Die Erfindung sieht zu die;-^m Zwecke vor, daß der Wandler mit elnc;m Anschluß an eine Traa.jistordchaLtung mit einotn in Kollektopüchaltung und einorn In Basiaychaltung betriebenen Tfarifiistor , angeGchl-ossen wird und mit meinem anderen Anschluß an Masse

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angeschlossen wird, wobei er jedoch mit den"entsprechenden Vorteilen in einer Oszillatorrückkopplungsschleife liegt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Wandler an eine zweite elektronische Schaltung mit in Kollektor*· bzw. in Basisschaltung betriebenen Transistoren angeschlossen und in Reihenresonanz mit einer Spitzenschwingspannung betrieben werden, welche über die Versorgungsspannung hinausgeht.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, daß sie sich für sehr leistungsfähige und wirksame akustische Alarmgeräte eignet, wobei ein Piezowandler in einer Brückenschaltung verwendet wird, oder auch in einer Schaltung mit zwei Sätzen aktiver Elemente, wobei diese beiden Sätze und der Wandler so miteinander verbunden sind, daß zwei schwingende Stromquellen gebildet werden, deren eine die andere in einen gegenphasigen Schwingungszustand versetzt und außerdem diese Schwingung durch die natürliche Frequenz des Wandlers synchronisiert wird.

Die Erfindung schafft Leitungsstufen, welche keine Widerstände in den von hohem Strom durchflossenen Zweigen benötigen. Vielmehr sind zwei Transistoren vom gleichen Leitungstyp in Kollektor- bzw. Basisschaltung so zusammengeschaltet, daß der Wandler sowohl vom Emitter des in Kollektorschaltung betriebenen Transistors gespeist wird, als auch die Basis-Emittervorspannung des in Basisschaltung betriebenen Tiansistors liefert. Sämtliche Transistoren können vom gleichen Leitungstyp sein (npn oder pnp)₄ Sämtliche Teile der integrierten Schaltung können in geilngem Abstand angeordnet sein, und die Herstellung läßt sich nach bekannten Verfahren der integrierten Schaltungstechnik durchführen,

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Warngerät, welches einen piezoelektrischen Wandler verwendet tmd eine

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symmetrische Schaltung aufweist, welche eine Verdopplung der Betriebsspannung zur Speisung des Wandlers ermöglicht.

Fig. la ein schematisches Schaltbild des Brückenoszillators nach Fig. 1.

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Fig. 2 die Schaltung einer einfachen und sehr billigen Ausführungsform, welche sich insbesondere zur Herstellung mit : diskreten Bauelementen eignet ι

Fig. β eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 2j bei weicher ein Widerstand in einem einen hohen Strom ^l führenden Zweig durch einen Transistor ersetzt ist, wobei \ sich diese Schaltung zur Ausbildung in integrierter Form eignet

Fig. 4 eine weitere Abwandlung der in Fig. jj gezeigten Schaltung, welche einen Widerstandsspannungäaeiler zur Erleichterung des Anschwlngens innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs aufweist und

Fig. 5 ein der Fig. 1 ähnliches Schaltungsbild zur Veranschaulichung einer typischen Wechselspannungsresonanzlast,

In Fig. 2 sind ein Transistor 10 und ein Transistor 12 mit Hilfe eines Widerstandes 14 zu einer sogenannten common base- common collector Schaltung 11, die an sich bekannt ist, zusammengesehaltet. Die Basis 16 des Transistors 10 liegt über einen Wandler 20 an dem auf Masse liegenden negativen Anschluß 18. Während des ! Auftretens von Schwingungen kanndLe Basis wegen der Diode 24 nicht negativer als 0,6 V gegenüber dem Emitter 22 werden. Bei j dieser Verbindung der common collector-common base Schaltung 11 * der Transistoren 12 bzw. 10 kann ein Anschluß 26 des Wandlers . j 20 mit Masse 18 verbunden sein. Auf diese Weise kann der Wandler, mit einer Schwingungsamplitude von der Höhe der Betriebsspannung ^; ausgesteuert werden, und er steuert die Schwingfrequenz dadurch, j daß er bei seiner Reihenresonanzfrequenz einen niederohmigen V.eg zwischen Basis Ib und Masse Ib bietet.

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In Fig. 3 ist der Widerstand 14 durch einen Transistor 28 ersetzt. Vorzugsweise ist er an die Schwingschaltung mit Hilfe des Wandlers 20 und einer Diode j50 angeschlossen. Die Diode ^O hat eine niedrige Impedanz, beispielsweise von 10 Ohm, so daß die Leitung 26 des Wandlers 20 noch wirksam an die Masseleitung 18 angeschlossen ist, wenn die Schaltung 11 schwingt, aber den in Basisschaltung betriebenen Transistor 28 schaltet, dessen Basis an die Spannungsquellenanschlüsse 18 und J58 über die nie-" derohmigen Widerstände j54 und J6 angeschlossen ist.

In Fig. 4 ist der Widerstand j50 durch die Spannungsteilerwiderstände 40 oder 42 ersetzt. Dadurch verringert sich die Verstärkung der Schaltung 11 in bekannter Weise, so daß diese Schaltung nicht streng monostabil oder bistabil wird und ein Schwingen auch bei niedriger Versorgungsspannung sichergestellt bleibt.

In Fig. 1 sind die beiden common collector-common base Schaltungen 11 und 111 gemäß Bg. 4 zweimal verwendet. Es ist bereits festgestellt worden, daß die Leitung 26 des Wandlers 20 zu einem Punkt geführt werden muß, zwischen dem und Masse eine niedrige Impedanz vorliegt, damit die Schaltung 11 schwingt. Es ist einzusehen, daß die Schaltung 111, wenn die Leitung 26 über den Wandler 20 beispielsweise positiv wird, so umschaltet, daß die Leitung 26 auf negative Werte gebracht wird. Das bedeutet, daß die Leitung 26 an die Anschlüsse 38 und 18 über eine negative Impedanz angekoppelt wird, so daß das Kriterium für ein Auftreten von Schwingungen erfüllt ist.

Die Funktionsweise läßt sich etwas einfacher erläutern, wenn man die Schaltung 11 derart regenerativ betrachtet, daß die Leitung 26 über den Wandler auf eine positive Spannung gebracht wird. Dieser positive Impuls kann als Einschaltimpuls für den Traneistor 110 betrachtet werden. Hierdurch nähert sich das , .. Potential des Kollektors 108 des Transistors 110 dem Potential seines Emitters 122. Die Basis II7 des Transistore 110 nähert

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sich dem Potential des Emitters 109 und schaltet den Transistor 112 afc». Auf diefee Weise sind die Schaltungen 11 und 111 spiegelbildliche Impedanzen, die jeweils füreinander Rückschlüsse negativer niedriger Impedanz über den Wandler 20 zu den Leitungen 38 und 18 bilden.

Die Transistoren 44 und 46 sind vorteilhaft gegenüber eingebauten Widerständen, wie es auch für den Translator 28 in Fig. 3 anstelle des Widerstandes 14 in Fig. 2 gilt. Die Transistoren 44 und 46 werden über Widerstände 48 und 50 in bekannter Weise geschaltet. .

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann als Brückenoszillator aufgefaßt werden, wie es durch die Prinzipschaltung nach Fig. la ; dargestellt ist. Sie kann als aus vier Schaltkreisen bestehend angesehen werden. Die Schaltung 11 ist ein Schalter, die Schaltung lllein zweiter, der Transistor 46 ein dritter und der Transistor 44 der letzte Schalter. Wenn die Schalter 46 und 111 eingeschaltet sind, dann sind gleichzeitig die Schalter 11 und 44 offen, und der Wandler liegt in einer Polarität an der vollen Versorgungsspannung. Wenn die Schalter 11 und 44 eingeschaltet und die Schalter 46 und 111 ausgeschaltet sind, liegt der Wandler mit entgegengesetzter Polarität an der vollen Versorgungsspannung. Auf diese Weise wird dem Wandler während jederSchwingungsperiode die volle Betriebsspannung zweimal aufgedrückt.

Typische Werte für die Bauelemente der Schaltung nach Fig. 1 sind die folgenden

Widerstände 40 und 140 10 kOhm

Widerstände 42 und 142 10 kOhm

Widerstände 15 und II5 10 kOhm

Widerstände 48 und 50 10 kOhm

Widerstände 52 und 54 1,5 kOhm

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Die Dioden sind Siliziumdioden, für die Transistoren 10, 12, 110, 112, ~55 und 46 ist h_fe größer als 50. Der Wandler 20 schwingt nominal mit 2800 Hz und ist ein piezoelektrischer Wandler wie er in dem vorerwähnten Sonalert-Gerät verwaidet wird.

Fig. 5 veranschaulicht, daß die dargestellte Brückenschaltung auch für andere Arten von Wandler benutzt werden kann. Die Bauelemente sind die gleichen wie in Pig. I, außer daß anstelle des akustischen Wandlers ein auf eine Funkfrequenz abgestimmter Reihenschwingkreis 45 verwendet ist. Als Last eignen sich ferner Stimmgabeloszillator, Piezotransformatoren, Autohupen und andere Geräte, deren Impedanz bei der gewünschten Betriebsfrequenz um so viel niedriger als bei anderen Frequenzen ist, daß die Gesamtverstärkung der common base-common collector Schaltung oder-Schaltungen genügend hoch ist, um Schwingungen anzufachen.

In den dargestellten Ausführungsformen werden die verschiedenen Schwingschaltungen durch zwei Transistorschaltungen gebildet, deren erster in Kollektorschaltung und deren zweiter in Basisschaltung betrieben wird. Diese besondere Anordnung wird aus Gründen einer geringen Zahl aktiver Bauelemente und leichter Herstellbarkeit bevorzugt, jedoch falleh auch andere Anordnungen unter den Bereich der Erfindung. So ist der Aspekt der Erfindungj welcher sich auf die common collector-common base Schaltung bezieht, nicht auf das Transistorpaar beschränkt. Beispielsweise kann auch eine größere Anzahl von Transistoren zusammengefaßt werden, um die gleiche Funktionsweise wie das vorerwähnte Transistorpaar zu ergeben; auch eine solche Ausführungsform soll hier unter dem Begriff common collector-common base Schaltung verstanden werden.

Die Eigenschaft der negativen Impedanz der common colledorcofflrnon base Schaltung ist außerordentlich ausgeprägt und bietet in eiern beschriebenen Brückenoszillator bedeutende Vorteile.

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Unter dem generellen Aspekt der Erfindung, nämlich der Speisung eines piezoelektrischen akustischen Wandlers mit Hilfe eines Brückenoszillators zur Erzeugung eines zusätzlichen Effektes im Sinne einer außerordentlich großen Ausgangslej&ung bei einer vorgegebenen Leistungsquelle,können auch andere Arten aktiver Bauelemente hier nutzvoll angewendet werden. Innerhalb des Bereiches der Erfindung sind zahlreiche Variationen von Einzelmerkmalen möglich.

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Claims

Patentansprüche

1.) Schaltungs anordnung mit mindestens einem elektronischen Schalter,, der zwei in Kollektor- bzw. in Basisschaltung zusammengeschaltete Transistoren enthält, und bei Anschluß an eine Spannung zwischen beispielsweise 3 und 50 V eine Resonanzlast in ihrer natürlichen Resonanzfrequenz zum Schwingen bringt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß der Resonanzlast (20) an einen Punkt (18) angeschaltet ist, zwischen dem und Masse ein Widerstand herrscht, der klein, Null oder negativ ist, und daß der andere Anschluß der Resonanzlast an den elektronischen Schalter (11) angeschaltet ist, wobei diese Anschaltungen derart sind, daß die Resonanzlast den elektronischen Schalter bei ihrer Serienresonanzfrequenz schwingen ! läßt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine aktive Schaltung (11, 111) so mit der zweiten Leitung der Resonanzlast (20) verbunden ist, daß sie durch sie geschaltet wird, wenn die Resonanzlast den elektronischen Schalter mit ihrer.Resonanzfrequenz zum Schwingen bringt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r ch gekennzeichnet , daß das aktive Element (11) einen Transistor (12) enthält, der als Lastwiderstand wirkt und den Wirkungsgrad der Gesamtschaltung heraufsetzt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (11,111) einen zweiten elektronischen Schalter (111) mit Transistoren (110,112) enthält, welche die Resonanzlast (20) zusätzlich zu dem ersten elektronischen Schalter (11) an den anderen Pol der

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Versorgungsspannungsquelle anschaltet. .-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h

g e k e η η ζ ei ohne t , daß die elektrorischen Schalter einen ersten und einen zweiten Transistor (12 bzw. 10) enthalten deren Emitter (9*22) zusammengeschaltet und über eine Diode (24) an die Basis des zweiten Transistors (10) angeschaltet sind, um die Sperrspannung der Basis gegenüber den Emittern zu be- · grenzen, und daß die Basis des zweiten Transistors (10) mit der ersten Zuleitung der Resonanzlast (20) verbunden sind, daß der Kollektor des ersten Transistors (12) mit der Versorgungsspannungsklemme (38) und der Kollektor des zweiten Transistors (10) mit der Basis des ersten Transistors (12) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch

g e k en η ζ eic h η e t , daß die Basen des ersten und zweiten Transistors (12,10) über einen Widerstandsspannungsteiler (40,42) an die Versorgungsspannungsklemme (.38) angeschlossen sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch

g e k e h η ζ eich η et, daß die. Transistoren des elektronischen Schalters vom gleichen Leitungstyp sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d ar d ure h

g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Transistoren und die zugehörige Schaltung auf einem einzigen Halbleiterplättchen aufgebaut sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da durch

g e k e η ή ζ e i c h η e t , daß der zweite Anschluß der Resonanzlast (20) an einen Punkt angeschlossen ist, zwischen ■dem und der entsprechenden Versorgufrgsspannungsklemme der Widerst and Null herrscht, derart, daß die Schaltungsanordnung mit der Reihenresonanzfrequenz der Resonanzlast (20) schwingt.

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10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß der Resonanzlast (20) an einen Punkt angeschlossen ist, zwischen dem und der Versorgungsspannungsklemme ein niederohmiger Widerstand herrscht, derart, daß sowohl die Schaltung schwingt als auch ein zugeordneter Transistor oder eine Transistoranordnung schaltet und dabei Antriebslei&ung für de Resonanzlast gespart wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Anschluß der Resonanzlast (20) an einen Punkt negativen Widerstandes über eine Transistorschaltung mit einem in Kollektorschaltung und einem in Basisschaltung betriebenen Transistor angeschlossen ist, so daß die Resonanzlast (20) für jede dieser Transistor-• schaltungen eine zweifache Rolle spielt, derart, daß die eine jeweils die andere in einen um l80° verschobenen Schwingungszustand zwingt, so daß praktisch mehr als die Versorgungsspannung an der Resonanzlast '(20) liegt»

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß der Resonanzlast (20) an einen Punkt negativer Impedanz angeschlossen ist, welcher durch eine zweite Schaltung mit einem in Kollektorschaltung und einem in Basisschaltung betriebenen Transistor gebildet wird und die Lastimpedanz jeder dieser Schaltungen durch Transistoren (44 bzw. 46) gebildet wird, wobei die Reeonanzlast (20) für jede dieser Schaltungen eine zweifache Rolle spielt, indem sie jede mit der Eigenfrequenz der Resonanzlast schwingen IaSt₅ wobei jede dieser Schaltungen die andere Schaltung mit einer um l80° verschobenen Phase zu schwingen zwingt^ derart, daß praktisch die doppelte Betriebsspannung an aks> H@aonanzlast (20) liegt«

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13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h

g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Transistoren und die ihnen zugeordnete Schaltung auf einem einzigen Halbleit erplättchen ausgebildet sind.

14. Elektronische Festkörperschaltung mit mindestens einem . Paar aktiver Elemente und einem piezoelektrischen, Töne aussendenden Wandler, wobei diese Elemente zu einer Oszillatorschaltung zusammengefügt sind_/die mit der natürlichen Schwingfrequenz des die Resonanzfrequenz der Schaltung bestimmenden Wandlers schwingt, nach den vorstehenden Ansprüchen, da d u r c h ge k e η η ζ ei c h η e t , daß zur Erzeugung eines Warnsignals zwei Sätze (11,111) aktiver Elemente die Schwingschaltung bilden, wobei jeder Satz mit dem Wandler (20) verbunden ist und die beiden Sätze untereinander so verbunden sind, daß zwei schwingende Spannungsquellen gebildet werden, wobei jeweils die eine die andere so steuert, daß sie in entgegengesetzten Phasenlagen schwingen wobei die Sätze in entgegengesetzter Weise an die Zuleitungen des Wandlers angeschlossen sind und ihre Leistungsausgänge sich zur Speisung des Wandlers addieren.

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