DE10323219B3 - Sendespulensystem und Fernbedienung für ein Hörhilfsgerät - Google Patents

Sendespulensystem und Fernbedienung für ein Hörhilfsgerät Download PDF

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Abstract

Bei einem Sendespulensystem (1, 11) mit einer ersten mit einer Anregeeinheit (101) verbindbaren und einer zweiten als Teil eines resonant anregbaren Schwingkreises (110) verwendbaren Sendespule (3, 102, 5, 15, 104) sowie mit einem Spulenkern (7, 19) sind beide Sendespulen (3, 102, 5, 15, 104) lose magnetisch miteinander gekoppelt, indem beide Sendespulen (3, 102, 5, 15, 104) nebeneinander auf den Spulenkern (7, 19) gewickelt sind. Eine Anregung der ersten Sendespule (3, 102) führt in der zweiten Sendespule (5, 15, 104) zu einer resonaten Überhöhung der anliegenden Spannung und damit zu einer verstärkten Sendeleistung. Ein solches Sendespulensystem (1, 11) kann z. B. zur Fernbedienung eines Hörhilfsgeräts genutzt werden, da es z. B. eine 200 Bit/s Datenübertragung über einige Meter bei einer Niedervoltspannungsquelle ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sendespulensystem mit einer ersten und einer zweiten Sendespule sowie mit einem Spulenkern und eine Fernbedienung für ein Hörhilfsgerät mit einem solchen Sendespulensystem.
  • Übertragungssysteme, die als Träger z.B. von Spulen erzeugte magnetische Felder verwenden, können Daten drahtlos über kurze Distanzen, d.h. z.B. über einige Dezimeter, energieeffizient übertragen. Solche induktive Übertragungssysteme arbeiten meist bei relativ niedrigen Frequenzen im Bereich von einigen Kilohertz bis einigen Hundert Kilohertz.
  • Die Übertragungstechnologie der langwelligen induktiven Datenübertragung wird aufgrund des Nachteils der geringen Reichweite nur selten eingesetzt. Dieser Nachteil beruht auf der Abnahme der Sendefeldenergie mit der dritten Potenz der Entfernung. Um etwas größere Entfernungen (1-2m) zu überbrücken, werden schon vergleichsweise starke Sendeleistungen mit starken Feldern benötigt.
  • Ein starkes Feld mit einer ausreichenden Feldstärke kann durch eine Spule mit vielen Windungen erzeugt werden. Eine solche Spulen weist eine entsprechend hohe Induktivität und damit auch einen entsprechend hohen Wechselstromwiderstand auf. Der maximale Strom, der durch die Spule geschickt werden kann, ergibt sich aus dem Quotienten von Versorgungsspannung und Wechselstromwiderstand.
  • Gerade bei batteriebetriebenen Geräten steht meist nur eine sehr niedrige Betriebsspannung zur Verfügung. Da die verwendeten Spulen relativ hohe Wechselstromwiderstände, z.B. 1 KΩ, aufweisen, ist der mögliche Sendestrom durch die Spule und damit auch die Sendeleistung stark begrenzt.
  • Das bedeutet, dass eine Vergrößerung der Reichweite mit einigem technische Aufwand verbunden ist, da eine Methode gefunden werden muss, eine höhere an der Spule anliegende Spannung zu erzeugen, insbesondere bei gleicher durch die Batteriespannung gegebener Betriebsspannung.
  • Aus DE 199 15 846 C1 ist ein teilweise implantierbares System zur Rehabilitierung einer Hörstörung bekannt, das eine drahtlose Telemetrieeinrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einem implantierbaren Teil des Systems und einer externen Einheit aufweist.
  • Aus DE 43 26 358 C1 ist eine Induktionsspule bekannt, deren Spulenkörper aus einem Stanzteil mit zwei endseitigen Anformungen besteht, die eine auf den Spulenkörper gewickelte Spulenwicklung seitlich begrenzen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Sendespulensystem und eine Fernbedienung für ein Hörhilfsgerät anzugeben, welche trotz einer begrenzt zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung eine hinreichend hohe Sendeleistung insbesondere zur Datenübertragung zur Verfügung. stellt.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird bei einem Sendespulensystem mit einer ersten und einer zweiten Sendespule sowie mit einem Spulenkern dadurch gelöst, dass die erste Sendespule mit einer Anregeeinheit verbindbar ist, die zweite Sendespule als Teil eines resonant anregbaren Schwingkreises verwendbar ist und die beiden Sendespulen nebeneinander auf den Spulenkern gewickelt sind, so dass beide Sendespule lose magnetisch miteinander gekoppelt sind.
  • Mit dieser Anordnung können ohne zusätzlichen technischen Aufwand sehr starke Sendefelder erzeugt werden, obwohl nur sehr niedrige Betriebsspannungen zur Verfügung stehen. Dazu ist es nötig, dass die beiden Sendespulen lose magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass zwischen den beiden Sendespulen ein wicklungsfreier Raum angeordnet ist. Die lose Kopplung führt bei einer Anregung der ersten Sendespule mithilfe einer beispielsweise alternierenden Betriebsspannungen durch die Anregeeinheit zu einer resonant überhöhten Anregung der zweiten Sendespule. Voraussetzung ist, dass beide Sendespulen nicht vom gleichen Magnetfeld durchflossen werden, wie das bei einer starren Kopplung der Fall ist, bei der beide Sendespulen übereinander und nicht nebeneinander um den Spulenkern gewickelt sind, d.h., dass sie vom gleichen Magnetfeld durchflossen werden.
  • Durch die lose Kopplung ergibt sich eine Erregung der zweiten Sendespule mit einer Phasenverschiebung, die ein Aufschaukeln der an der zweiten Sendespule anliegenden Spannung bewirkt. Aufgrund der größeren Spannung fließt auch ein höherer Strom, der wiederum zu einem wesentlich höheren Sendemagnetfeld führt. Die Sendeleistung ist erheblich stärker als die im Fall der starren Kopplung. Das heißt, das Sendespulensystem arbeitet erheblich effektiver.
  • Durch die Erfindung werden keine zusätzlichen Spannungsvervielfacher mehr benötigt, beziehungsweise es können Batterien mit weniger Spannung verwendet werden, oder es müssen weniger Batterien in Reihe geschaltet werden. Auch dadurch lässt sich Platz beziehungsweise Bauraum sparen.
  • Durch die spezielle Anordnung und der damit bewirkten Funktion können nun auch über weitere Entfernungen energiesparend Daten übertragen werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Möglichkeit der langwelligen Datenübertragung mittels des Sendespulensystems liegt in der problemlosen Durchdringung von Materie ohne diese merklich zu beeinflussen. Gerade bei der Verwendung des Sendespulensystems mit Hörhilfsgeräten ist dies von entscheidender Bedeutung, da im Bereich des Kopf gesendet wird und natürlich keinerlei Beeinflussung des Gewebes erfolgen darf.
  • In einer Vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Sendespule weniger Wicklungen auf als die zweite Sendespule. Dies ermöglicht ein niederohmiges verlustarmes, d.h. stromsparendes, Anregen der ersten Sendespule. Die resonant anregbare zweite Sendespule hat dagegen viele Windungen. Da das Magnetfeld durch die Summe der Ströme in allen Windungen bestimmt wird, ergibt sich dadurch ein starkes Sendefeld. Weist die zweite Sendespule eine größere Windungszahlen als die erste Sendespule auf, ist demnach die Erzeugung von starken Sendefeldern sehr effizient.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sendespulensystems bildet die zweite Sendespule mit einem Kondensator einen Schwingkreis. Zur resonanten Erregung auch bei einer Zweifrequenzanregung beispielsweise zur binären Datenübertragung ist es vorteilhaft, dass der Schwingkreis eine nicht zu hohe Güte, d.h. eine breite Güte-Verteilung aufweist, welche die beiden verwendeten Frequenzen abdeckt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sendespulensystems besteht die erste Sendespule aus zwei Teilspulen, die symmetrisch zur zweiten Sendespule auf dem Spulenkern angeordnet sind. Die Aufteilung in zwei Teilspulen, beispielsweise mit einer Mittelanzapfung hat den Vorteil der einfacheren Spannungsversorgung mit weniger Bauteilen (z.B. nur zwei Transistoren) und stellt eine Möglichkeit dar, die Teilspulen symmetrisch anzuordnen. Die symmetrische Anordnung hat ihrerseits den Vorteil eines symmetrisch abgestrahlten Feldes.
  • Sind die Spulen asymmetrisch angeordnet, d.h. auf der einen Seite befindet sich die erste Sendespule und auf der anderen die zweite Sendespule, ist auch der erzeugte Feldverlauf asymmetrisch. Je nach Auslegung der Windungszahlen und Verstärkung ist dies vernachlässigbar.
  • Wird das Sendespulensystem zum Senden und Empfangen verwendet, wird außer der Sendespule (den Sendespulen) auch eine Empfangsspule benötigt. Diese Empfangsspule hat normalerweise deutlich mehr Windungen als die Sendespulen, um möglichst hohe Spannungen beim Empfang von schwachen Magnetfeldern zu erreichen. Der Einfachheit halber ist es vorteilhaft, Sende- und Empfangsspulen auf einen gemeinsamen Kern zu wickeln. Dabei bietet es sich vorteilhaft an, die Empfangsspule als zweite Sendespule zu verwenden. Insbesondere dann, wenn nicht gleichzeitig gesendet und empfangen wird, sondern Senden und Empfang zeitlich nacheinander stattfinden.
  • Vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Folienkondensators für den Schwingkreis, der für Senden und Empfang verwendet wird und dessen Kapazität von der anliegenden Spannung unabhängig ist. Dadurch ändert sich die Schwingfrequenz des Schwingkreises nicht zwischen den hohen Spannungen beim Senden und den niedrigen Spannungen beim Empfang.
  • In vorteilhafter Weise brauchen somit erfindungsgemäß nicht zwei voneinander unabhängige Sende- bzw Empfangsspulen auf zwei Spulenkerne gewickelt zu werden. Es können stattdessen beide Spule auf einen einzigen Kern gewickelt werden. Dadurch kann Platz eingespart werden. Gerade unter Bedingungen, wie sie bei Fernbedienungen vorliegen, ist für die im kHz-Frequenzbereich verhältnismäßig großen Spulen wenig Platz. Die Einsparung eines Kerns ermöglicht ein deutlich kleineres Volumen des Sende-(Empfangs-)Spulensystem, beziehungsweise z.B. der Fernbedienung. Zusätzlich ist die Kombination von beiden Spulen auf einem Kern in der Herstellung billiger als die Herstellung zweier völlig getrennter Spulen.
  • Da eine als zweite Sendespule verwendete Empfangsspule beim Senden stark übersteuert wird, ist es vorteilhaft, dass die Empfangsspule zum Schutz vor einer Zerstörung einer zur Empfangsspule gehörenden Empfangseinheit über eine Schutzschaltung mit der Empfangseinheit verbunden ist.
  • Ferner wird die zweitgenannte Aufgabe durch eine Fernbedienung für ein Hörhilfsgerät mit einem solchem Sendespulensystem gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
    •
  • Es folgt die Erläuterung von mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der 1 bis 4. Es zeigen:
  • 1 eine asymmetrische Anordnung zweier Sendespulen eines Sendespulensystems,
  • 2 eine symmetrische Anordnung zweier Sendespulen eines Sendespulensystems,
  • 3 den Spannungsverlauf der asymmetrischen Anordnung aus 1 bei einer Anregung der ersten Sendespule und
  • 4 ein Schaltbild einer Fernbedienung mit einem Sendespulensystem, dessen zweite Spule auch als Empfangsspule betrieben wird.
  • 1 zeigt ein Sendespulensystem 1 für eine Fernbedienung eines Hörhilfsgeräts. Bei der Einstellung von beipsielsweise verschiedenen Empfangsmoden im Hörhiflsgerät werden Datenraten von einigen 100 Bit pro Sekunde mit dem Sendespulensystem 1 erreicht. Die Anregungsfrequenzen liegen bei der verwendeten Zweifrequenzangregung bei 116 kHz und 121 kHz. Die Fernbedienung wird manuell bedient, so dass eine Reichweite von ca. 1-2 m benötigt wird, um eine gute Kommunikation mit dem Hörhilfsgerät zu ermöglichen. Die Fernbedienung weist eine handliche Größe auf. Als Energiequelle dient eine Batterie, die die zur Verfügung stehende Spannung begrenzt.
  • Das Sendespulensystem 1 weist eine erste Sendespule 3, eine zweite Sendespule 5 und einen Spulenkern 7 auf. Die erste Sendespule 3 besteht aus zwei Teilspulen 3A,3B, die beispielsweise durch Mittelanzapfung einer Spule gebildet werden. Die Teilspulen 3A,3B weisen jeweils 50 Wicklungen auf und nehmen ca. 10 mm des ca. 35 mm langen Spulenkerns ein. An die erste Sendespule 3 schließt sich ein ca. 5 mm langer wicklungsfreier Raum 9 an. Auf der anderen Seite des wick lungsfreien Raums 9 befindet sich die zweite Sendespule 5 auf einer Länge von ca. 20 mm bei einer Wicklungszahl von ca. 150 Windungen.
  • Die zweite Sendespule bildet mit einem nicht eingezeichneten Kondensator von z.B. 2 nF einen Schwingkreis. Der Spulenkern ist ein Ferritkern mit einem Durchmesser von ca. 6 mm.
  • Die Teilspulen 3A,3B sind aufeinander gewickelt und über eine Mittelanzapfung mit einer Sendeeinheit verbindbar.
  • 2 zeigt eine symmetrische Anordnung eines Sendespulensystems 11, bei dem die erste Sendespule, die wiederum in zwei Teilspulen 13A,13B aufgeteilt ist, symmetrisch an den beiden Enden der zweiten Sendespule 15 angeordnet ist. Zwischen den Teilspulen 13A,13B und der zweiten Sendespule 15 befinden sich zwei wicklungsfreie Räume 17A,17B. Die Spulen sind um einen Spulenkern 19 gewickelt.
  • In 3 ist der Verlauf der Spannungen an den Spulen aus 1 dargestellt. Aufgetragen ist jeweils die Spannung U über die Zeit T über die ersten 100 μs. Man erkennt das abwechselnde An- und Ausschalten der Spannungen U3A,U3B, die an den Teilspulen 3A,3B der ersten Sendespule 3 in 1 anliegen. Der Spannungswert 21, der an den Teilspulen 3A,3B anliegt, beträgt ca. 3,7 V. Zusätzlich ist in 3 der Spannungsverlauf U5, der an der zweiten Sendespule 5 anliegt, dargestellt. Der Spannungswert 23, der sich nach ca. einer Anschwingzeit von 60 μs eingestellt hat, beträgt ca. 80 V. Dies entspricht einer deutlich resonant überhöhten Spannung an der zweiten Sendespule 5 um einen Faktor zehn. Bei starrer Kopplung ergäbe sich maximal ein Faktor drei in der Verstärkung aufgrund des Wicklungszahlverhältnisses.
  • Durch die deutlich höhere Spannung fließt auch ein deutlich höherer Strom, der wiederum zu wesentlich größeren Magnetfeldern führt. Die Stromaufnahme des gesamten Systems steigt nur geringfügig. Die Sendeleistung steigt dagegen aufgrund des effektiveren Arbeitens des Systems erheblich, ohne dass dafür zusätzliche Hardware erforderlich ist.
  • Bei den Spannungsverläufen U3A,U3B erkennt man zusätzlich eine Spannungsspitze 25, die aufgrund der Rückwirkung der zweiten Sendespule 5 entsteht.
  • 4 zeigt eine Fernsteuerung 100 für ein Hörhilfsgerät anhand eines schematisierten Schaltplans. Die Anregeeinheit 101 ist mit einer oder mehreren Sendespulen 102 ausgestattet. Die Sendespulen sind über einen gemeinsamen Kern 103 mit einer Empfangsspule 104 lose gekoppelt, welche als zweite Sendespule dient. Die Anordnung der Spulen 102,104 entspricht beispielsweise den Anordnungen der 1 oder 2. Parallel an die Empfangsspule 104 ist ein Schwingkreiskondensator 105 angeschlossen. An die beiden Pole des so gebildeten Parallelschwingkreises 110 ist eine Schutzschaltung bestehend aus einem Schutzkondensator 106 und einer dazu in Reihe geschalteten Parallelschaltung zweier antiparalleler Dioden 107 und 108 angeschlossen. Die parallel geschalteten Dioden 107 und 108 sind an den Eingang einer Empfangseinheit 109 angeschlossen.
  • Die Funktionsweise dieser Schaltung sei im Folgenden näher erläutert. Die ohnehin notwendige getrennte Empfangsspule 104 ist auf den gleichen Kern neben die Sendespulen 102 gewickelt und ist mit dieser lose gekoppelt. Dadurch wird die Empfangsspule 104, die mit ihrem zugehörigen Kondensator 105 den kompletten Schwingkreis 110 darstellt, durch die Sendespulen 102 ebenfalls zum Schwingen angeregt. Da die Empfangsspule 104 im Vergleich zu den Sendespulen 102 mehr Windungen hat, werden im resonant angeregten Schwingkreis 110 während des Sendevorganges relativ hohe Spannungen erzeugt, die durch den Schwingungseffekt des Schwingkreises 110 trotz der vielen Windungen auch wieder recht hohe Ströme und damit abgestrahlte Magnetfelder erzeugen. Die eigentlichen Sendespulen 102 liefern jetzt nur noch die abgestrahlte Energie nach. Daher braucht durch die Sendespulen 102 nicht mehr soviel Strom zu fließen. Das starke Sendefeld wird jetzt von der durch die Sendespulen 102 erregten Empfangsspule 104 erzeugt.
  • Wegen der Erregung durch die Sendespulen 102, die von außen gesteuert werden, ist auch die Frequenz absolut stabil und von außen vorgebbar. Toleranzen der Bauteile in den Schwingkreisen 110 haben also keinen Einfluss auf die Sendefrequenz. Sie wirken sich lediglich in gewissem Maß auf den Wirkungsgrad des Sendevorgangs aus.
  • Durch die Induktivitäten der Sendespulen 102 ändert sich die Induktivität der lose gekoppelten Empfangsspule 104, so dass die Eigenfrequenz des Schwingkreises 110 nach Ändern des zugehörigen Kapazitätswertes des Schwingkreiskondensators 5 korrigiert werden muss. Die Induktivität des Schwingkreises 110 wird kleiner, d.h. die Kapazität des Schwingkreises 110 muss erhöht werden. Eine hierzu geeignete Kapazität kann ohne Probleme so verschaltet werden, dass sie gleichzeitig als Schutz für die empfindliche Empfangseinheit 109 dient. Da eine solche Schutzschaltung 112 ohnehin benötigt wird, kommt diese Schaltungslösung ohne zusätzliche Bauteile aus. Die Schutzschaltung 112 besteht nur aus dem Korrekturkondensator 106 und den antiparallel geschalteten Dioden 107 und 108, die parallel zum Kondensator 105 des Schwingkreises 110 angeschlossen sind. Die Empfangssignale werden an den Dioden 107, 108 abgegriffen.
  • Bei den im Sendebetrieb erzeugten hohen Spannungen von typischerweise etwa ±50 V gehen die Dioden 107, 108 in den leitenden Zustand und schalten damit den ihnen vorgelagerten Kondensator 106 parallel zum Schwingkreiskondensator 105 des Empfangskreises. Damit wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 110 für den Sendebetrieb korrigiert. Gleichzeitig werden die Signale am Eingang des hochohmigen Empfängers durch die Dioden 107, 108 auf maximal ca. 0,7 V begrenzt. Die meiste vom Schwingkreis 110 erzeugt Spannung fällt dann an dem Schutzkondensator 106 ab.
  • Im Empfangsbetrieb sind die Empfangssignale so klein, dass die Dioden 107, 108 sperren. Die Spannungen der Empfangssignale erreichen typischerweise höchstens den mV-Bereich. Dadurch ist nur noch der ursprüngliche Schwingkreiskondensator 105 aktiv. Gleichzeitig sind die Sendespulen 102 abgeschaltet. Das heißt, mindestens ein Anschluss jeder Sendespule 102 ist offen. Damit wirken sie sich auf den Schwingkreis 110 nicht mehr aus. Er kann also auf seiner Empfangsfrequenz, auf die er abgestimmt ist, frei schwingen. Das Signal wird somit nahezu ohne Verluste über den Schutz- beziehungsweise Korrekturkondensator 6 an die Schutzdioden 107, 108 weiter übertragen. Wegen der geringen Empfangsspannung sind diese Dioden 107, 108 gesperrt. D.h. die Empfangsspannung kann an den Diodenanschlüssen in voller Höhe vom hochohmigen Empfängereingang abgenommen werden.
  • Die vorgestellte Schaltung besitzt damit neben dem Vorteil, dass die Empfangsspule als Sendeverstärker verwendet wird, auch den Vorteil eines verminderten Platzbedarfs, da für die Sende- und Empfangsspulen ein gemeinsamer Kern verwendet wird und der Schutzkondensator gleichzeitig auch als Korrekturkondensator verwendet wird.

Claims (10)

  1. Sendespulensystem (1,11) für eine Fernbedienung (100) mit einer ersten und einer zweiten Sendespule (3,102,5,15,104) sowie mit einem Spulenkern (7,19), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sendespule mit einer Anregeeinheit (101) verbindbar ist, die zweite Sendespule als Teil eines resonant anregbaren Schwingkreises (110) verwendbar ist und die beiden Sendespulen (3,102,5,15,104) nebeneinander auf den Spulenkern (7,19) gewickelt sind, so dass beide Sendespulen (3,102,5,15,104) lose magnetisch miteinander gekoppelt sind.
  2. Sendespulensystem (1,11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Sendespulen (3,102,5,15,104) ein wicklungsfreier Raum (9,17A,17B) angeordnet ist.
  3. Sendespulensystem (1,11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sendespule (3,102) weniger Wicklungen aufweist als die zweite Sendespule (5,15,104).
  4. Sendespulensystem (1,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sendespule (5,15,104) mit einem Kondensator (105) den Schwingkreis (110) bildet.
  5. Sendespulensystem (11,11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (105) einen Folienkondensator ist.
  6. Sendespulensystem (1,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sendespule (3,102) aus zwei Teilspulen (13A,13B) besteht, die symmetrisch zur zweiten Sendespule (15,104) auf dem Spulenkern (19) angeordnet sind.
  7. Sendespulensystem (1,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sendespule (3,102) mit einer Anregeeinheit (101) zur Zweifrequenzanregung verbindbar ist.
  8. Sendespulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sendespule (5,15,104) eine Empfangsspule für eine Empfangseinheit (109) ist.
  9. Sendespulensystem (1,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (5,15,104) mit der Empfangseinheit (109) über eine Schutzschaltung (112) zum Schutz der Empfangseinheit (109) im Sendebetrieb verbunden ist.
  10. Fernbedienung (100) für ein Hörhilfsgerät mit einem Sendespulensystem (1,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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