DE2201156B2

DE2201156B2 - Tonsignalgenerator

Info

Publication number: DE2201156B2
Application number: DE2201156A
Authority: DE
Inventors: Darryl Frederic Redmond Wash. Proctor (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-01-11
Filing date: 1972-01-11
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2201156C3; CA968036A; US3742492A; DE2201156A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Tonsignalgenerator zur Abgabe von Signalen im hörbaren Bereich, mit einem <in eine Speisequelle angeschlossenen piezoelektrischen Wandler.

Ein Tonsignalgenerator der eingangs genannten Art isi aus der US-PS 32 77 465 bekannt, bei dem Luft- und Reibungsverluste dadurch kompensiert werden, diiß eiüe kontinuierliche Schwingfrequenz an den Wandler ungelegt wild. Dies führt zu einer starken Belastung der

Speisequelle infolge der kontinuierlichen Ansteuerung des Oszillators.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Tonsignalgenerator zu schaffen, der eine niedrigere Betriebsenergie erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem Tonsignalgenerator wird bei abklingender Schwingungsamplitude und Unterschreitung einer vorbestimmten Maximalamplitude durch die momentane Schwingung ein Zusatzsignal zugeführt, das der momentanen Maximalamplitude, welche die vorbestimmte Maximalamplitude unterschreitet, phasenrichtig zugeführt wird. Die Kombination der eine vorbestimmte Maximalamplitude unterschreitenden momentanen Schwingung mit einem phasenrichtig zugeführten Zusatzsignal ergibt eine momentane Schwingung, die gleich der vorbestimmten Maximalamplitude ist, so daß Reibungsverluste kompensiert werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Tonsignalgenerators anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform de^r Erfindung;

Fig.2, 3, 4, 5 und 6 schematische Schaltungen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung; und

Fig. 2A eine Wellenformdarstellung von Spannungen, die an ausgewählten Punkten der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erscheinen.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Wandler 10 dargestellt, der mit Energie von einem Stromversorgungsteil 11 versorgt wird, wenn der Hauptschalter 12 geschlossen wird. Das Stromversorgungsteil versorgt auch die Zeittaktschaltung 13 und den Steuerschalter 14, wenn der Hauptschalter 12 geschlossen ist. Eine Pegeldetektor- und Vergleichsschaltung 12 ist an die Zeittakschaltung 13 und den Wandler 10 angeschlossen und wird dazu verwandt, um den Spannungspegel an dem Wandler 10 mit der Signalspannung der Zcitlaktschaltung 13 zu vergleichen. Wenn die Spannungspcgel weitgehend gleich sind, wird der gesteuerte Schalter 14 geschlossen, der an die Detektor- und Vergleichsschaltung 15 angeschlossen ist. Der gesteuerte Schalter 14 ist über eine Schaltung 16 mit dem piezoelektrischen Wandler 10 derart verbunden, daß bei Schließen des Schalters 14 ein Signal an den Wandler 10 zum entsprechenden Zeitpunkt in seiner Schwingungs- bzw.

■>" Bewegungsperiode angelegt wird, um ein fortgesetztes Schwingen des Wandlers 10 sicherzustellen. Der Wandler 10 ist vorzugsweise ein Teil des Tonsignalgenerators, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 33 31 970 offenbart ist; wenn der Schalter 12 geschlossen wird, erzeugt die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ein starkes Tonsignal.

Anhand der Fig. 2 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung entsprechend dem in Fig. I wiedergegebenen Grundkonzept beschrieben. In der

^b0 Anordnung der Fig. 2 ist das Stromversorgungsteil über eine Leitung 21 mit Widersländen 22 und 23 verbunden. Der Widerstand 23 liegt in Reihe mit dem Widerstand 24 parallel zu dem Stromversorgungslcil derart, daß der Schaltungspunkt 25 zwischen den beiden

^h'> Widerständen auf einer Spannung liegt, deren Größe von den relativen Werten der Widerstände 23 und 24 abhängt. Ein programmierbarer bzw. steuerbarer Unijunction-Transistor (PUT) 26 besitzt eine Steuer-

elektrode 27, die mit dem Schaltungspunkt 25 verbunden ist. Die Anode 28 ist über eine Leitung 29 und den Widerstand 22 mit dem positiven Anschluß des Stromversorgungsteils 11 verbunden.

Ein Kondensator 30 ist zwischen die Widerstände 22 und 31 geschaltet und bildet ein Tei! der in Fig. 1 angegebenen Zeittaktschaltung. Der piezoelektrische Wandler 10, der ein Teil der Membran eines Tonsignalgenorators bildet, ist zwischen die Schaltungspunkte 25 und 32 geschaltet. Wenn der Schalter 12 geschlossen ist, wird dem piezoelektrischen Wandler über die Widerstände 23 und 31 Strom zugeführt. Hierdurch wird er dann erregt und bewegt sich bzw. schwingt in der bekannten Weise. Wenn der Schalter 12 geschlossen wird, beginnt sich auch der Kondensator 30 mit einer Geschwindigkeit zu laden, die durch den Widerstand 22 gesteuert wird. Die Spannung an der Diode des Transistors (PUT) 26 steigt dann im wesentlichen liniear an. Wenn die Spannung an der Diode 28 die Spannung an der Steuerelektrode 27 überschreitet, wird der Transistor (PUT) 26 leitend, wodurch der Kondensator 30 entladen wird und sich auf die Spannung an dem Wandler 10 entlädt. Der Wandler wird dann erregt und leitet eine positive Auslenkung am Schaltungspunkt 25 ein. In F i g. 2A sind zwei vollständige Perioden dargestellt, bei denen zum Zeitpunkt 7Ϊ am Schaltungspunkt 25 der positive Anstieg beginnt. Die Spannung an der Steuerelektrode 27 ist durch die Wellenform 27 A und die Spannung der Anode 28 durcli die Wellenform 28/4 dargestellt. Die Spannungen sind relativ zu der negativen Spannung des Netzteils 11 dargestellt. Bekanntlich bleibt der Transistor PUT nichtleitend, wenn die Steuerelektrode bezüglich der Anode positiv ist und wird leitend, wenn die Steuerelektrode bezüglich der Anode negativ ist.

Da die Steuerelektrode 27 mit dem Wandler 10 verbunden ist, folgt die Stcucrspannung der im allgemeinen sinusförmigen Wellenform an dem Transistor 26, der bis zum Zeitpunkt Ti nichtleitend ist. Zwischen den Zeitpunkten Ti und Ti wird der erregte Wandler positiv ausgelenkt und die Spannung an dem Punkt 25 beginnt dann, negativ zu werden. Zum Zeitpunkt Ti nähert sich der piezoelektrische Wandler dem Ende einer Schwingungsperiode, aber infolge der Reibung und der Verluste beim Erregen der Membran wird die Auslenkungsampliiudc kleiner. Wenn die Spannung am Punkt 25 kleiner wird als die Spannung an der Anode 28 (zum Zeitpunkt 7*2), wird der Transistor PUT 26 leitend. Der Kondensator 30 entlädt sich dann auf die negative Spannung der Batterie bzw. des Stromversorgungsteils 11 und auch die Spannung an dem Punkt 25 wird über die Steuerschaltung des Transistors PUT auf diese Spannung herabgesetzt. Der Widerstand 24 wird dann nebengeschlossen und die negative Auslenkung des Wandlers nimmt ein in Phase liegendes Signal auf, durch das die Auslenkung beschleunigt wird. Dieses kleine, in Phase liegende Signal bringt die Auslenkung auf den vollen Amplitudenwert, so daß die Schwingung aufrechterhalten wird.

Nachdem der Wandler seine maximale negative Auslenkung erreicht und in entgegengesetzter Richtung zu schwingen beginnt, steigt die Spannung an dem Punkt 25 zum Zeitpunkt Ti wieder über die Spannung an der Anode 25 an und der Transistor PUT 26 wird während des größeren Teils dernächsten Schwingungsperiode des Wandlers in nichtleitendem Zustand gehalten Der Vorgang wird dann bezüglich der Spannung am Punkt 25 wiederholt, der zum Zeitpunkt T* unter die Spannung an der Anode 28 fällt. Die Schwingung des Wandlers wird danach durch das wiederholte Anlegen der Zusatz-^boosting) Signale aufrechterhalten.

Da das Schaltelement 26 nur einen kleinen Bruchteil jeder Schwingungsperiode des Wandlers leitend ist und für die übrige Zeit der Schalter als eine sehr hohe Impedanz erscheint, hat sich ergeberi, daß die dargestellte Schaltung nur einen sehr kleinen Strom aufnimmt, wodurch die Verwendung einer großen Anzahl derartiger Systeme in einem einzigen Telefon-Weckstromkreis möglich ist.

Solange der steuerbare Transistor leitend ist, sind die Anode 28 und die Steuerelektrode 25 beide gleichzeitig

i' negativ geschaltet. Durch den Kondensator 30 ist dann die Spannung an dem Punkt 32 negativ. Der Widerstand 31 wirkt daher als eine Art Puffer für den Wandler bei der festen Wellenform des Schalters; in der Praxis bedeutet das, daß die Spannung an dem Wandler im

-'<> wesentlichen sinusförmig verläuft.

In Fig. 3 ist ein schematisches Scrialtdiagramm einer de,- Fig. 2 ähnlichen Anordnung dargestellt, in der ebenfalls ein programmierbarer bzw. steuerbarer Unijunction-Transistor als gesteuerten Schalter ver-

2^r> wendet ist. In der Schaltung in F i g. 3 sind Widerstände 43, 44 und 45 in Reihe parallel zu dem Stromversorgungsteil 11 geschaltet, während der piezoelektrische Wandler parallel zu dem Widerstand 45 geschaltet ist. Ein Widerstand 42 und ein Kondensator 30 sind in Reihe

J" zwischen den positiven Anschluß des Stroniversorgungsteils 11 und einer Seite des Wandlers 10 geschaltet. Die andere Seite des Wandlers 10 ist mit der Steuerelektrode 47 des Transistors (PUT) 46 verbunden. Die Anode 48 ist mit der Vcrbindungsleitung zwischen

i"' dem Widerstand 42 und dem Kondensator 50 verbunden.

Die Betriebsweise der in F i g. 3 dargestellten Schaltung ist im wesentlichen dieselbe wie die der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, wobei der Widerstand

·"· 45 als Teil der Entladeschaltung für den Kristall 10 wirkt. Wenn, wie im Fall der in F i g. 2 dargestellten Schaltung. das piezoelektiische Element 10 in positiver Richtung ausgelenkt wird, wird die Spannung an der Steuerelektrode 47 des piezoelektrischen Elements positiv

*^r> bezüglich der Spannung an der Anode 48 gehalten; der Transistor (PUl) ist daher nichtleitend, bis der Kristall in den negativen Bereich der Auslenkung kommt. In der vorbeschriebenen Weise wird dann der Transistor (PUT) derart leitend, daß das »Zusatz«-Signal in der

^r><> vorbeschriebenen Weise an den Kristall angelegt wird.

In F i g. 4 ist im wesentlichen dieselbe Schaltung wie in F i g. 3 dargestellt, außer daß der gesteuerte Schalter in der Schaltung der Fig.4 ein gesteuerter Siliziumschalter (SCS) ist. In den Schaltungsanordnungen der

^r>^r> F i g. 3 und 4 ist die Impedanz des Stromversorgungsteils niedriger als im Fall der F i g. 2, die in Verbindung mit einem Stromversorgungsteil mit hoher Impedanz verwendbar ist.

In der in F i g. 5 dargestellten Schaltung sind

«) Widerstände 64 und 65 parallel zu dem Stromversorgungsteil geschaltet und schaffen die Vorspannung für die Basis des Transistors 63. Der Emitter des NPN-Transistors 63 ist mit der Steuerelektrode des Transistors (PUT) 66 und mit der einen Seile des

b^r> piezoelektrischen Wandlers 10 verbunden. Der Kondensator 70 liegt in Reihe mit Widerständen 61 und 62 parallel zu dem Stromversorgungsteil und ist an anderer Seite des piezoelektrischen Wandlers 10 angeschaltet.

Die Anode des Transistors (PUT) 66 ist mit dem Kondensator 70 und dem Widerstand 62 verbunden. Über einen zweiten Kondensator 67 ist der Emitter des Transistors 63 mit dessen Basis verbunden. Die in F i g. 5 dargestellter Schaltung entspricht im Prinzip der Schaltung in Fig. 2, in der im wesentlichen anstelle des Widerstands 23 in Fig. 2 der Transistor 63 verwendet ist. Bei den positiven Auslenkungen bzw. Schwingungen des Wandlers 10 stellt der Transistor 63 einen Widerstand von einigen Ohm dar, da während dieser Zeit der Transistor leitend ist. Während der negativen Auslenkungen bzw. Schwingungen stellt dagegen der Transistor einen Widerstand von einigen Megaohm dar. Wie bei der Schaltung der F i g. 2 vergleicht der Transistor (PUT) das Signal der Zeittaktschaltung (die den Kondensator 70 enthält) mit dem Signal des Wandlers und steuert das Anlegen des kleinen »Zusatz«-Signals in derselben, vorbeschriebenen Weise. In der Schaltungsanordnung der F i g. 6 dient ein PNP-Transistor 75 als Pegeldetektor und der NPN-Transistor 76 als gesteuerter Schalter. Zum besseren Verständnis der Erfindung sind die verschiedenen Schallungskomponenten in Funktionsblocks enthalten, die durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind. Die Basis des Transistors 75 und der Kollektor des Transistors 76 sind mit der Verbindung zwischen den Widerständen 73 und 74 verbunden. Der Emitter des Transistors 75 ist mit dem positiven Anschluß des Stromversorgungsteils über den Widerstand 72 verbunden. Über den Widerstand 71 ist die eine Seite des Wandlers mit dem negativen Anschluß des Stromvcrsorgungsicils und über den Widerstand 74 ist die andere Seite des Wandlers ebenso wie die Basis des Transistors 75 mit dem negativen Anschluß des Stromvcrsorgungsteils verbunden. Über den Kondensator 80 ist die eine Seite des Wandlers mit dem den Pegel feststellenden Transistors 75 verbunden. Die Wirkungsweise der in [■'ig.b dargestellten Schaltung entspricht im allgemeinen der Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, d. h.. wenn Spannung an die Schaltung angelegt wird, fließt augenblicklich ein Strom über die Widerstände 71 und 73, der den Wandler 10 erregt. Gleichzeitig beginnt sich der Kondensator 80 über den Widerstand 72 zu laden. Wenn die Spannung an dem Emitter des Transistors 75 die Spannung an der Basis übersteigt, beginnt der Transistor 75 Strom über den Widerstand 72 und von dem Kondensator 80 zu führen. Der Strom wird dann an die Basis des Transistors 76 zugeführt, so daß der Transistor 76 leitend wird und Strom von der Basis des Transistors 75 aufnimmt, wodurch sichergestellt ist. daß beide Transistoren leitend sind. Der Widerstand 74 wird dann durch den Transistor 76 nebengcschlossen und der piezoelektrische Wandler 10 wird dann entladen und dadurch voll erregt. Der Kondensator 80 wird über die Emitter-Kol-

'·, lcktorzone des Transistors 75 und die Basis-Emitterzone des Transistors 76 vollständig entladen. Der von dem Widerstand 72 gelieferte Strom reicht nicht aus, um die Transistoren 75 und 76 leitend zu halten; die Schaltung kehrt dann in ihren ursprünglichen nichtleitenden

in Zustand zurück. Wenn dies eintritt, wird der nunmehr erregte Wandler in positiver Richtung zu der Seite hin ausgelcnkt. die an die Basis des Transistors 75 angeschlossen ist, der sich garantiert in nichtleitendem Zustand befindet.Gleichzeitig beginnt sich der Kondcnsalor 80 über den Widerstand 72 auf die positive Spannung des Stromversorgungsteils zu laden. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Kondensator 80 laden kann, ist so eingestellt, daß die Spannung an der Basis des Transistors 75 vor der Spannung am Emitter des Transistors 75 liegt (und zwar in der Weise, wie in den Wellenformdiagrammen der Fig. 2A dargestellt ist): der Transistor 75 bleibt daher nichtleitend, bis eine Auslenkung des Wandlers in negativer Richtung wird die Basis des Transistors 75 leicht negativ bezüglich der

2-i ansteigenden Spannung an dem Emitter; der Transistor 75 wirkt daher als eine Pegeldetektorschaltung und eine Spannungsvergleichsschallung, so daß der Transistor 76 zum richtigen Zeitpunkt bei der Auslenkung des Wandlers in negativer Richtung leitend wird. Das kleine

ίο »boosting«-Signal wird dann in der vorbeschriebenen Weise an den Wandler angelegt.

Obwohl sich die Werte der Schaltungselemente bei einer speziellen Schaltung ändern, sind in der in F i g. 2 dargestellten Schaltung die folgenden Werte vcrwcn-

r> det: Die Widerstandswerte der Widerstände 22 und 24 betrugen jeweils ein ΜΩ der Wert des Widerstandes 23 betrug 100 k Ω und der Wert des Widerstands 31 i k Ω; die Kapazität des Kondensators 30 betrug 0.002 nF. Die Versorgungsspannung betrug 26 V, obwohl die hier

4(i beschriebenen Schaltungen innerhalb eines großen Spannungsbercichs arbeiten. Beispielsweise arbeitet die in Fig.5 dargestellte Schaltung mit Spannungen, die von 1,5 V bis 160 V reichen.

Obwohl die hier im einzelnen offenbarten Schaltun-

·»> gen für das Anlegen eines kleinen »Zusatz«-Signals an den Wandler auf einer Seite jeder Periode ausgelegt sind, kann natürlich auch ein Zusatzsignal auf jeder Seile der Periode zugeführt werden. In der Praxis ergibt sich eine sehr geringe Stromentnahme an dem Versorungs-

w teil, obwohl ein beachtliches Tonvolumen erzeugt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tonsignalgenerator zur Abgabe von Signalen im hörbaren Bereich, mit einem an eine Speisequelle angeschlossenen piezolektrischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wandler (10) eine Schalteinrichtung (14,15) angeschlossen ist, die bei abklingender Schwingungsamplitude und Unterschreitung der jeweiligen Maximalamplitude der momentanen Schwingung von einer Steuerschaltung (13) zur Abgabe eines phasenrichtigen Zusatzsignals angesteuert wird, daß die Steuerschaltung (13) eine ein Schwellenspannungssignal abgebende Einheit (30; 50; 67; 80) enthält, deren Schweller.spannungssignal kleiner als ein vorbestimmtes maximales Wandlerausgangssignal ist, daß die Schalteinrichtung (14, 15) eine Vergleichseinheit (26; 46; 66; 76) aufweist, die das phasenrichtige Zusatzsignal zum Wandler (10) durchschaltet, wenn die Amplitude des Wandler-Ausgangssignals etwa gleich der Amplitude des Schwellensignals ist, wobei das phasenrichtige Zusatzsignal eine solche Amplitude hat, daß die momentane Amplitude des Wandler-Ausgangssignals zusammen mit dem phasenrichtigen Zusatzsignal das vorbestimrnte maximale Wandler-Ausgangssignal ergibt, und daß ein Hauptschalter (12) angeordnet ist, der die Speisequelle mit dem Wandler, der Schalteinrichtung und der Steuerschaltung verbindet.

2. Tonsignalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Schwellensignal abgebende Einheit (30; 50; 67; 70; 80) eine Taktschaltung bildet, deren Ausgangsspannung sich zeitabhängig und synchron mit dem Wandler-Ausgangssigrial erhöht.

3. Tonsignalgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergieichseinheit durch wenigstens ein Halbleiterelement (26; 46; 66; 76) gebildet wird, dessen eine Elektrode mit der Taktschaltung und dessen andere Elektrode mit dem Wandler (10) verbunden ist und daß das Halbleiterelement so lange gesperrt bleibt, bis die Spannung an beiden Elektroden etwa gleich sind.

4. Tonsignalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement durch einen programmierbaren Unijunctiontransistor gebildet ist, dessen Gate-Elektrode mit dem Wandler und dessen Anoden-Elektrode mit der Taktschultung verbunden ist.

5. Tonsignalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ein gesteuerter Siliziumschalter (Fig.4) ist, dessen Gate-Elektrode mit dem Wandler und dessen Anoden-Elektrode mit der Taktschaltung verbunden ist.