-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Steuersystem für Alarmtongeber.
-
Zu
den Sirenen, die in Alarmtonsystemen in Fahrzeugen verwendet werden,
zählen
piezoelektrische Tongeber oder Lautsprecher, die durch die Fahrzeugbatterie
mit Strom versorgt werden. Für
den Fall, daß die
Fahrzeugstromversorgung versagt oder unterbrochen wird, wird eine
Hilfsbatterie als Notstromversorgung bereitgestellt, um zu gewährleisten, daß die Sirene
weiterhin betätigt
werden kann. Zum Beispiel sind die meisten Fahrzeugalarmsysteme
so ausgelegt, daß die
Sirene betätigt
wird, falls die Fahrzeugbatterie getrennt wird, wenn das Alarmsystem betriebsbereit
ist.
-
Die
Hilfsbatterie ist jedoch normalerweise nur in der Lage, die Sirene
mit circa 6–9
V zu versorgen anstatt mit der Spannung von 12 V, die normalerweise
von der Fahrzeugbatterie eingespeist wird. Dies führt zu einem
starken Abfall der Leistung der Sirene und des von der Sirene erzeugten
Schalldruckpegels. Ein weiteres Problem bei bestehenden Fahrzeugalarmtongebern
ist, daß der
erzeugte Schalldruckpegel über
den Frequenzbereich, für
den die Sirene aktiviert werden soll, beträchtlich variiert, und zwar
in erster Linie wegen des Resonanzverhaltens von Tongebern. Es ist
daher wünschenswert, eine
Sirene bereitzustellen, die einen vorherbestimmten Schalldruckpegel
erzeugt, und zwar ungeachtet der Spannungsversorgung, Signalfrequenz, Temperatur
oder Bauteiltoleranzen.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für Tongeber,
welches eine Umformerschaltung zum Umformen eines Treibersignals
in ein Betätigungsignal
eines Tongebers und eine Treiberschaltung zum Erzeugen des Treibersignals
einschließt
und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Treiberschaltung einen
Mikroprozessor zum Empfang von mindestens einem Eingangssignal repräsentativ
für einen
von mehreren Steuerparametern für
das Tongebersteuersystem und zum Einstellen des Treibersignals unter
Zugrundelegung des mindestens einen Eingangssignals enthält, sodaß der Alarmtongeber
eine vorherbestimmte Schalldruckpegel-Charakteristik aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Steuersystem für Tongeber,
welches eine Umformerschaltung zum Umformen eines Treibersignals
in ein Betätigungssignal
eines Tongebers und eine Treiberschaltung zum Erzeugen des Treibersignals
einschließt
und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Treiberschaltung einen
Mikroprozessor zum Empfang eines für den Spannungspegel des Tongebersteuersystems
repräsentativen
Spannungssignals und zum Einstellen des Treibersignals unter Zugrundelegung
des Spannungssignals enthält,
sodaß der Tongeber
eine vorherbestimmte Schalldruckpegel-Charakteristik aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt des weiteren ein Steuersystem für Tongeber,
welches eine Umformerschaltung zum Umformen eines Treibersignals
in ein Betätigungssignal
eines Tongebers und eine Treiberschaltung zum Erzeugen des Treibersignals
einschließt
und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Treiberschaltung einen
Mikroprozessor zum Empfang eines Temperatursignals, welches für die Temperatur
innerhalb eines Gehäuses,
in dem das System und der Tongeber untergebracht sind, repräsentativ
ist, und zum Einstellen des Treibersignals unter Zugrundelegung
des Temperatursignals enthält,
sodaß der
Tongeber eine vorherbestimmte Schalldruckpegel-Charakteristik aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Sirenensteuersystem, das
folgende Einheiten enthält:
- • einen
Transformator mit einer Sekundärspule, die über einen
Tongeber und eine Primärspule verbunden
ist;
- • Schaltelemente,
die mit der Primärspule
verbunden sind, und bei Betätigung
den Stromdurchfluß in
der Primärspule
verursachen; und
- • Steuerelemente
zur Steuerung der Betätigung der
Schaltelemente, sodaß der
Tongeber eine vorherbestimmte Schalldruckpegel-Charakteristik aufweist.
-
Bevorzugte
Realisierungen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen als Beispiel beschrieben, wobei
in
-
1 ein
Diagramm des Schalldruckpegels über
der Frequenz für
eine piezoelektrische Sirene ist;
-
2 einen
Schaltplan einer ersten bevorzugten Realisierung eines Sirenensteuersystems zeigt;
-
3 ein
Zeitablaufdiagramm eines PWM(Pulsbreitenmodulation)- Signals ist;
-
4 einen
Schaltplan einer zweiten bevorzugten Realisierung eines Sirenensteuersystems zeigt;
-
5 einen
Schaltplan einer dritten bevorzugten Realisierung eines Sirenensteuersystems zeigt;
-
6 ein
Diagramm des Schalldruckpegels über
der Frequenz für
ein Sirenensteuersystem ist; und
-
7 ein
Diagramm des Schalldruckpegels über
der Netzspannung für
ein Sirenensteuersystem ist.
-
Der
von einer piezoelektrischen Sirene erzeugte Schalldruckpegel (oder
Ausgangssignal) erreicht das Maximum bei einer Frequenz und fällt für andere
Frequenzen stark ab, wie in 1 gezeigt. Die
Kurven 2 und 4 der 1 zeigen
den Schalldruckpegel, der erzeugt wird, wenn das Treiber- oder Betätigungssignal
einen Frequenzbereich zwischen 1800 und 3600 Hertz durchläuft, um
einen Heulton der Sirene zu erzeugen. Die erste Kurve 2 zeigt
die erzeugten Pegel, wenn ein 12 V Gleichstrom von der Fahrzeugbatterie
zur Verfügung
steht; und die zweite Kurve 4 zeigt die Pegel, die erzeugt
werden, wenn eine Hilfsbatterie des Fahrzeugalarmsystems zur Stromversorgung
der Sirene verwendet wird.
-
Ein
erstes Sirenensteuersystem 6, wie in 2 gezeigt,
ist für
die Sirene eines Fahrzeugalarmsystems vorgesehen. Die Sirene enthält einen piezoelektrischen
Tongeber oder Lautsprecher 8 und das Steuersystem 6.
Das Steuersystem 6 enthält
einen Transformator 10, einen Mikroprozessor 12,
einen Feldeffekttransistor (FET) 14 und zwei Gitterableitwiderstände 16 und 18.
Der piezoelektrische Tongeber 8 dient als Kondensator und
ist der Sekundärspule 20 des
Transformators 10 parallelgeschaltet. Die Primärspule 22 des
Transformators 10 ist zwischen einer Spannungszuführungsleitung 24 und dem
Drain des Transistors 14 geschaltet. Die Spannung V der
Leitung 24 ist normalerweise die Spannung der Fahrzeugbatterie,
circa 12 V Gleichstrom, oder die Spannung der Hilfsbatterie des
Alarmsystems, normalerweise 6 V, falls die Stromversorgung seitens
der Fahrzeugbatterie unterbrochen ist oder ausfällt. Das Gate des Transistors 14 ist
mit dem Ausgangsanschluß 26 des
Mikroprozessors 12 über
den ersten Gitterableitwiderstand 16 verbunden. Die Source
des Transistors 14 ist geerdet mit dem zweiten Gitterableitwiderstand 18,
der auch als Strombegrenzer dient.
-
Wenn
der Transistor 14 unter Spannung gesetzt wird, um die Source
mit dem Drain zu verbinden, wird Strom durch die Primärspule 22 gezogen, um
dadurch einen Sekundärstrom
in der Sekundärspule 20 zu
erzeugen, wodurch der Tongeber 8 aufgeladen wird, damit
er einen Ton abgibt.
-
Sobald
der Tongeber 8 ausreichend geladen ist, kann der Schalter 14 inaktiviert
werden, damit Strom durch den Tongeber 8 gezogen wird,
wenn sich dieser entlädt.
-
Je
höher die
Speisespannung, desto höher die
Aufladung des Tongebers 8. Der Strom in der Sekundärspule 20,
und die Betätigung
des Tongebers 8, wird durch ein Pulsbreitenmodulations-(PWM)Signal 30,
wie in 3 gezeigt, gesteuert, welches an dem Ausgang 26 des
Mikroprozessors 12 erzeugt wird. Der Schalldruckpegel oder
die Energie, die von dem Tongeber 8 erzeugt werden, sind
von der elektrischen Energie- oder Stromversorgung des Tongebers 8 abhängig, welche
von der Zeit und der Frequenz, für
welche der Transistor 14 aktiviert oder angeschaltet wird,
abhängig
ist. Der Transistor ist für
die gesamte Breite W eines Pulses des PWM-Signals 30 angeschaltet.
Eine Erhöhung
oder Verminderung der Pulsbreite W erhöht oder vermindert entsprechend den
von dem Tongeber 8 erzeugten Schalldruckpegel. Die Frequenz
des von dem Tongeber 8 erzeugten Tones wird durch die Frequenz
f des PWM(Pulsbreitenmodulations)-Signals 28, welches in
direkter Beziehung mit der Periode T zwischen den Pulsen steht, bestimmt.
Die Sirene wird daher durch allmähliche
Verminderung der Periode T des PWM-Signals 28 über eine
Reihe von Frequenzen zwischen 1800 und 3600 Hertz des PWM Signals 28 geführt. Die Pulsbreite
W wird in Abhängigkeit
von dem am Eingang 28 des Mikroprozessors 12 erfaßten Spannungpegels
V der Leitung 24 erhöht
oder vermindert. Die Pulsbreite W und die Periode T des PWM-Signals 30 wird
zu jedem gegebenen Zeitpunkt durch Werte bestimmt, die im Speicher
des Mikroprozessors 12 gespeichert sind. Der Mikroprozessor 12 errechnet
die Perioden T für
die erforderlichen Frequenzdurchläufe und die Pulsbreiten W anhand
von in Nachschlagetabellen im Speicher des Mikropozessors 12 gespeicherten
Daten, wobei die Frequenz f als Zeiger für den Zugriff benutzt wird.
Der Pegel der Speisespannung V dient auch als Zeiger zu Daten, die
zur Bestimmung der Ausgangspulsbreiten benutzt werden. Wie nachstehend
beschrieben, können auch
andere Steuerparameter, wie z.B. Temperatur, als Zeiger benutzt
werden. Die zur Bestimmung des Ausgangs-PWM-Signals benutzten Werte
werden gewählt
und gespeichert, um zu gewährleisten,
daß ein
vorgegebener Schalldruckpegel über
das gesamte Frequenzband des Frequenzdurchlaufs erzielt wird, ungeachtet
des Speisespannungspegels V. So kann zum Beispiel der Schalldruckpegel
für den
gewünschten
Frequenzdurchlauf auf 116 dba eingestellt werden. Die Schalldruckpegel
und die Frequenzen, die benutzt werden können, sind natürlich unterschiedlich
und sind von den Bestimmungen des jeweiligen Landes und dem Typ
des verwendeten piezoelektrischen Tongebers 8 abhängig. Daher
werden die zur Erzeugung der Pulsbreiten W und der Perioden T, d.h.
des Grundarbeitszyklus, benutzten Daten unter Berücksichtigung
der jeweils herrschenden Parameter ausgewählt und gespeichert. Der Eingangsanschluß 28 verbindet
V mit einem Analog-Digital-Umsetzer des Mikroprozessors, welcher
das umgewandelte Signal als Zeiger zu dem kalibrierbaren EEPROM
(EEPROM = electrically erasable programmable programmable read-only
memory = elektrisch löschbarer
programmierbarer Festspeicher)- Speicher des Prozessors benutzt.
Der Pegel der Versorgung V wird benutzt, um den Pulsbreiten-Korrekturfaktor
Cv, aus einer Nachschlagetabelle auszuwählen, welcher
benutzt wird, um die Breite W am Ausgangsanschluß 26 einzustellen.
Die Ausgangspulsbreite (OPW) am Ausgangsanschluß 26 ist dann
Cv × W.
-
Falls
ein Temperaturfühler 37 auf
einer Platine des Systems 6 angebracht wird, wird ein elektrisches
Signal, das von dem Fühler 37 erzeugt
wird, zu dem Mikroprozessor 12 über eine Leitung 36 zurückgeführt. Der
von diesem Signal dargestellte Temperaturwert t wird dann zusammen
mit der Frequenz f und der Speisespannung V als Zeiger für die Nachschlagetabellen
verwendet, um das Ausgangs-PWM-Signal zu erhalten. Die Temperatur
t bezieht sich auf die Umgebungstemperatur innerhalb eines versiegelten
Gehäuses
der Sirene, welches das System 6 und den Tongeber 8 einschließt. Die Temperatur
t wird für
den Zugriff auf eine Temperaturkorrektur-Nachschlagetabelle benutzt,
um den Temperaturkorrekturfaktor Ct zu ermitteln.
Die Pulsbreite am Ausgangsanschluß 26 wird dann von
dem Mikroprozessor wie folgt errechnet: OPW = Cv × Ct × W (1)
-
Der
Mikroprozessor 12 errechnet, wie oben beschrieben, die
Pulsbreiten W und die Perioden T für einen Grundpuls, um eine
vorherbestimmte Grundcharakteristik des Schalldruckpegels zu erzeugen.
Die Pulsbreiten W und Perioden T werden mit Hilfe der Frequenz f
errechnet. Die Frequenz f kann auch für den Zugriff auf eine Frequenzkorrektur-Nachschlagetabelle
zur Ermittlung eines Frequenzkorrekturfaktors Cf dienen. Die Pulsbreite
am Ausgangsanschluß 26 kann
dann wie folgt eingestellt werden OPW = Cv × Ct × Cf × W (2)
-
Das
Steuersystem 6 bietet effiziente und genaue Steuerung des
piezoelektrischen Tongebers 8 mittels Rückführung von Informationen bezüglich der von
dem Tongeber 8 erzeugten Schallenergie. Aufgrund des Schallenergie-Feedbacks
kann der Tongeber 8 mit maximaler Effizienz betrieben werden,
wobei die Toleranzen des Transformators 10 und des Tongebers 8 berücksichtigt
werden sowie auch ein Temperaturdrift der Bauteile. Feedback bezüglich der Schallenergie
ist entweder durch Überwachung
des Stroms der Primärspule 22,
des Stroms der Sekundärspule 20 oder
der Spannung über
der Sekundärspule 20 erzielbar.
-
Ein
für den
Primärstrom
der Spule 22 repräsentatives
Signal wird von der Source des Transistors 14 genommen
und in einen Analogeingang 32 des Prozessors 12 über eine
Diode 34, wie in 2 gezeigt,
eingegeben. Die Diode 34 hat eine Kathode, die mit dem
Eingang 32 verbunden ist, und eine Anode, die mit der Source
des Transistors 14 verbunden ist. Ein geerdeter Kondensator 38 ist über den
Eingang 32 verbunden. Die oberen und unteren Stromgrenzen
sind in dem Mikroprozessor 12 gespeichert, um einen akzeptablen
Primärstrom-Betriebsbereich für den piezoelektrischen
Tongeber 8 zu definieren, und der Mikroprozessor 12 modifiziert
die Pulsbreite W an dem Ausgang 26, um zu gewährleisten,
daß der
an dem Eingang 32 gemessene Strom innerhalb des vorgegebenen
Bereichs liegt. Die Pulsbreite W wird inkrementiert oder dekrementiert
bis der gemessene Strom innerhalb des vorgegebenen Bereiches liegt.
Der Pegel des Feedback-Signals kann verwendet werden, um einen Wert
X zum Einstellen der Pulsbreite am Ausgangsanschluß 26 zu
vorherbestimmten Intervallen zu erzeugen. Zum Beispiel kann die
Ausgangs-Pulsbreite alle Y ms um X% herabgesetzt oder erhöht werden.
Zu dem Zeitpunkt könnte die
Ausgangs-Pulsbreite wie folgt ermittelt werden OPW = OPW = Cv × Ct × Cf (1 + x/100) × W (3)
-
In
einem zweiten Steuersystem 40 wird der Sekundärstrom alternativ
dem Eingang 32 durch Verbindung der Anode der Diode 34 mit
einer Anschlußstelle
zwischen der Sekundärspule 20 und
einem Widerstand 42 zugeführt, der zwischen der Spule 20 und
dem Tongeber 8 angebracht ist, wie in 4 gezeigt.
Ein drittes Steuersystem 44, wie in 5 gezeigt,
veranschaulicht eine weitere Alternative, wo eine Spannung, welche
für die
Spannung über
der Sekundärspule
und dem Tongeber 8 repräsentativ ist,
zwischen zwei Widerständen 46 und 48,
die über den
Tongeber 8 geschaltet sind, abgenommen und der Anode der
Diode 34 zugeführt
werden kann. Die Widerstände 46 und 48 dienen
als Spannungsteiler über
der Sekundärspule 20.
Für das
dritte Steuersystem 44 bezieht sich der in dem Mikroprozessor 12 definierte
Betriebsbereich auf die Spannung über dem zweiten Widerstand 48.
Daher ist die Erfassung von Strom und Spannung und anschließendes Feedback zum
Eingang 32 mit einer nur geringen Anzahl von zusätzlichen
passiven Bauteilen möglich.
-
Die
Sirenensteuersysteme 6, 40 und 44 können die
Schalldruckpegel (SPL)-Charakteristik
des Tongebers 8 in dem Maße steuern, daß eine erwünschte oder
vorgegebene SPL-Charakteristik ungeachtet des Speisespannungspegels
produziert werden kann. Die Kurven in 6 und 7 veranschaulichen
drei SPL-Charakteristiken:
in 6 auf die Frequenz bezogen und in 7 auf
die Speisespannung bezogen. Die natürliche Eigenschaft des Tongebers 8 ist
durch die dünne
Linie dargestellt, und 6 zeigt, wie die natürliche Charakteristik
einen Resonanzpunkt 50 enthält und auf beiden Seiten des Punktes 50 abfällt. 7 zeigt,
wie der Schalldruckpegel (SPL) linear mit der Speisespannung ansteigt bis
ein charakteristischer Zerstörungspunkt 52 des Tongebers
erreicht wird. Um die Zerstörung
des Tongebers bei hohen Speisespannungen zu verhindern und einen
konstanten Schalldruckpegel ungeachtet der Speisesepannung bereitzustellen,
wird der SPL-Frequenzgang
so eingestellt, daß er über einen vorgegebenen
Frequenzbereich konstant ist, indem die natürliche Charakteristik so angeglichen
wird, daß sie
eine gewünschte
vorgegebene Charakteristik, wie fettgedruckt in den 6 und 7 dargestellt,
erzeugt. Eine alternativ flachere Frequenzkennlinie, wie in der
gestrichelten Line in 6 dargestellt, mag wünschenswert
sein, um zu verhindern, daß der
SPL bei hohen Speisespannungen abfällt, wie in der gestrichelten
Linie in 7 dargestellt.
-
Die
Steuersysteme 6, 40 und 44 produzieren eine
konstante Schalldruckpegelausgabe über einen Frequenzbereich und
nutzen dabei den piezoelektrischen Sprecher voll aus. Die konstante
Schalldruckpegelausgabe wird auch unabhängig von der Speisespannung
erzielt, und es können örtliche
Anforderungen und Einschränkungen
berücksichtigt
werden.
-
Die
Steuersysteme 6, 40 und 44 sind Regelsysteme
mit Rückführung, welche
optimale Verwendung des piezoelektrischen Tongebers 8 und
der verfügbaren
Speisespannung ermöglichen,
wobei sie gleichzeitig kompensieren für Bauteiltoleranzen, und Temperaturtoleranzen,
was besonders vorteilhaft ist, wenn der Tongeber 8 mit
einer Notstromversorgung, wie z.B. einer Hilfsbatterie, betrieben
wird. Ein konstant hoher Schalldruckpegel kann von dem Tongeber 8 auch
bei Betrieb nahe dem Zerstörungspunkt des
piezoelektrischen Tongebers 8 erzeugt werden, wobei der
Betriebsbereich des Sirenensystems erweitert wird.
-
Die
Steuersysteme 6, 40 und 44 sind besonders
geeignet für
piezoelektrische Tongeber 8, können jedoch auch vorteilhaft
bei anderen Tongebern, wie z.B. Lautsprechern eingesetzt werden.