DE2746371A1

DE2746371A1 - Akustische alarmanlage mit hoher ausgangsleistung

Info

Publication number: DE2746371A1
Application number: DE19772746371
Authority: DE
Inventors: Michael Tex Burk; Louis Pierre Sweany
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1978-04-20
Also published as: JPS6120637Y2; AU510837B2; JPS6151000U; US4104628A; AU2974277A; JPS5367399A; GB1575550A; MX3787E; BR7706898A; CA1082962A

Description

P.R. MALLORY & CO. INC. Indianopolis, Indiana, V.St.A. 3029 E. Washington Street

Akustische Alarmanlage mit hoher Ausgangsleistung

Die Erfindung betrifft eine akustische Alarmanlage mit hoher Ausgangsleistung, enthaltend eine Stromversorgung, einen Pulsator, der auf die Stromversorgung anspricht und die Alarmanlage pulsieren läßt, einen Verstärker, der mit dem Pulsator elektrisch verbunden ist und die von der Stromversorgung gelieferte Eingangsspannung oszillieren läßt, und einen auf den Verstärker ansprechenden piezoelektrischen Wandler.

Akustische Alarmanlagen mit einem piezoelektrischen Wandler sind in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen gebräuchlich, bei denen ein akustisches Warnsignal benötigt wird. Hierzu zählen Fehlerwarngeräte, Feuer- und Rauchdetektoren und Monitore für medizinische Instrumente. In vielen anderen Anwendungsfällen, zu denen Alarmvorrichtungen gegen Eindringlinge und allgemein der Hochleistungsbereich gehören, sind piezoelektrische Alarmanlagen bisher nicht verwendet worden. Dies liegt daran, daß im allgemeinen der Ausgang derartiger Vorrichtungen kein hinreichend großes Schallvolumen hat. Hinzu kommt, daß inzwischen Mindestanforderungen für den Schallausgang von

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Alarmanlagen festgelegt sind, die für bestimmte Fälle wie beispielsweise Feuer- und Rauchdetektoren eingesetzt werden sollen. Demgemäß ist es erforderlich, daß piezoelektrische Wandler, wenn man sie in derartigen Fällen weiterhin benutzen will, ein größeres Schallvolumen erhalten. Frühere Arbeiten mit dem Ziel, eine Alarmanlage zu entwickeln, die überfein größeres Schallvolumen als gleich große Ausführungen mit piezoelektrischen Wandlern verfügt, können der US-PS 3 890 612 entnommen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Hochleistungs-Alarmanlage zu entwickeln, die leichter und kleiner ist als die bisher verfügbaren Ausführungen. Die Alarmanlage soll dabei insbesondere ein hochwirksames Alarmsystem liefern, das mit logischen Schaltkreisen kompatibel ist, und mit Stromversorgungen auskommen, die eine geringe Spannung abgeben. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer akustischen Alarmanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß mit dem Verstärker ein die Spannung der Stromversorgung verdoppelnder Spannungsverdoppler elektrisch verbunden ist, derart, daß der piezoelektrische Wandler eine Treiberspannung empfängt, die doppelt so hoch ist wie die von der Stromversorgung gelieferte Eingangsspannung. In einer bevorzugten Ausführung enthält die Alarmanlage neben dem Spannungsverdoppler einen mit einer Öffnung abgeschlossenen Resonanzhohlraum, einen piezoelektrischen Wandler mit drei Elektroden (vergl. hierzu US-PS 3 815 129) und einen IC-Baustein gemäß US-PS 3 922 672.

Die Erfindung wird nun anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer akustischen Hochleistungs-Alarmanlage mit einem piezoelektrischen Wandler und einem Spannungsverdoppler; und

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Fig. 2 von einer akustischen Hochleistungs-Alarmanlage einen Ausschnitt in einer Seitenansicht.

Die in Fig. 1 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 70 versehene akustische Alarmanlage enthält eine Stromversorgung 2, einen Pulsator 10, einen Verstärker 20, einen Spannungsverdoppler 30, einen piezoelektrischen Wandler 40 und einen akustischen Verbraucher 72.

Die Stromversorgung 2 enthält eine Gleichstromquelle 1 mit niedriger Spannung, beispielsweise eine Niederspannungsbatterie. Die Stromquelle ist mit ihrem positiven Ende 5 in Reihe. mit einer Diode 4, einem Widerstand 6 und einem Kondensator 8 verbunden und ist mit ihrem negativen Ende geerdet (Masse 3).

Der Pulsator 10, der die akustische Alarmanlage 70 pulsieren läßt und ihren Leistungsverbrauch verringert, enthält zwei jeweils mit zwei Eingängen versehene NAI-ID-Gatter 12 und 14 eines IC-Bausteins 60, der vier mit je zwei Eingängen versehene NAITO-Gatter umfaßt (Quad-two-input NAND gate IC-package). Ein derartiger IC-Baustein ist in einem mit 14 Ausgängen versehenen "Dual-in-line"-Plastikmodul untergebracht, der von der National Semiconductor Company, Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird. Ein gemeinsamer Eingang 13 des NAND-Gatters 12 ist mit einem ersten Ende eines Widerstandes 16 verbunden. Ein gemeinsamer Eingang 15 des NAITO-Gatters 14 kontaktiert das eine Ende eines Widerstandes 17 und einen Ausgang 11 des Gatters 12. Ein Ausgang 19 des Gatters 14 steht mit dem Verstärker 20 und dem einen Ende eines Kondensators 18 in Verbindung. Das zweite Ende des Widerstands 16 ist mit dem zweiten Ende des Widerstandes 17 und der anderen Seite des Kondensators 18 verbunden.

Der Verstärker 20 enthält zwei jeweils mit zv/ei Eingängen ver-

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sehene NAND-Gatter 22, 24 des IC-Bausteins 60. Ein Eingang 21 des NAND-Gatters 22 ist auf der Pulsator 10 geführt. Ein Eingang 23 des NAND-Gatters 22 steht mit der einen Ceite eines aus einem Widerstand 26 und einem Kondensator 27 gebildeten Parallelzweiges sowie einer Elektrode 42 des piezoelektrischen Wandlers 40 in Verbindung. Ein Ausgang 28 des NAND-Gatters 22 ist mit der anderen Seite des Parallel zweiges aus dem Widerstand 26 und dem Kondensator 27, mit einem gemeinsamen Eingang 25 eines NAND-Gatters 24 und mit dem Spannungs ve rdopple r 30 verbunden. Ein Ausgang 29 des NAND-Gatters 24 kontaktiert ebenfalls den Spannungsverdoppler 30.

Eine positive Anschlußklemme 62 des IC-Bausteins 60 steht mit der positiven Seite 5 der Spannungsversorgung 2 über dem Widerstand 6 und die Diode 4 in Verbindung. Eine negative Anschlußklemme 64 des IC-Bausteins 60 kontaktiert die Masse

Der Spannungsverdoppler 30, der für den piezoelektrischen Wandler 40 eine Treiberspannung liefert, die im wesentlichen doppelt so groß ist wie die von der Stromversorgung 2 gelieferte Eingangsspannung, enthält zwei bipolare Pufferverstärker 32, 34. Der bipolare Pufferverstärker 32 umfaßt einen npn-Transistor 31 und einen pnp-Transistor 33. Die Basis B^ des Transistors 31 und die Basis B₂ des Transistors 33 sind elektrisch zusammengefaßt und bilden eine gemeinsame Basisverbindung 38. Die gemeinsame Basisverbindung 38 des bipolaren Pufferverstärkers 32 ist auf den Ausgang 28 des NAND-Gatters 22 geführt. Der Emitter E₁ des Transistors 31 und der Emitter E₂ des Transistors 33 sind elektrisch zusammengefaßt und bilden eine gemeinsame Emitterverbindung 39. Diese gemeinsame Emitterverbindung steht mit einer Elektrode 44 des piezoelektrischen Wandlers 40 in Verbindung. Der Kollektor C. des Transistors 31 ist mit der positiven Seite 5 der Stromversorgung 2 über den Widerstand 6 und die Diode 4 verbunden, der Kollektor C₂ des Transistors 33 ist an Masse gelegt.

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Der bipolare Pufferverstärker 34 umfaßt einen npn-Transistor 35 und einen pnp-Transistor 36. Die Basis B, des Transistors 35 und die Basis B^ des Transistors 36 sind elektrisch miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame Basisverbindung 37. Diese gemeinsame Basisverbindung kontaktiert den Ausgang 29 des NAND-Gatters 24. Der Emitter E, des Transistors 35 und der Emitter E^ des Transistors 36 sind elektrisch miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame Emitterverbindung Die gemeinsame Emitterverbindung 41 ist auf eine Elektrode 43 des piezoelektrischen Wandlers 40 über einen Widerstand geführt.

Der piezoelektrische Wandler 40 arbeitet im wesentlichen bei seiner Resonanzfrequenz und wirkt daher als ein Piezo-Resonanz-Wandler. Der piezoelektrische Wandler 40 enthält die drei Elektroden 42, 43 und 44, von denen die Elektrode 42 einen Anschluß für eine mit dem Eingang 23 des NAND-Gatters 22 verbundene Rückkopplungsschleife bildet.

Im Betrieb gibt die Stromversorgung 2 eine niedrige Eingangsspannung an die akustische Alarmanlage 70 ab. Diese Spannung muß zum Betrieb des Pulsators 10 und des Verstärkers 20 ausreichen. Die Diode 4 ist eine Blockdiode, der Widerstand 6 dient als Strombegrenzer und der Kondensator 8 erleichtert als Speicherkondensator den Betriebsbeginn des Pulsators 10 und des Verstärkers 20.

Im Pulsator 10 arbeiten die beiden NAND-Gatter 12 und 14 mit dem Widerstand 17 und dem Kondensator 18 so zusammen, daß die Spannung am Ausgang 19 alternierend in einer im wesentlichen rechteckigen Wellenform steigt und fällt, wobei die Wiederholungsrate durch die Werte des Widerstands 17 und des Kondensators 18 bestimmt wird.

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Im Verstärker 20 wirken die NAIiD-Gatter 22 und 24 als ein Oszillator, der den Wandler 40 zu Schwingungen nahe seiner Resonanzfrequenz veranlaßt und damit ein akustisches Warnsignal erzeugt. Die Elektrode 42 des V/andlers 40 liefert eine Rückkopplungsspannung, deren Größe und Phase ungedämpfte Schwingungen im Verstärker 20 zulassen. Wenn die Spannung, die vom Ausgang 19 des NAI¹ID-Gatters 14 auf den Eingang 21 des NAND-Gatters 22 gegeben wird, nahe der Eingangsspannung der Stromversorgung 2 ist, beginnt der Verstärker 20 zu schwingen. Hat die Spannung des Ausgangs 19 einen Wert nahe Erdpotential, so verschv/inden die Oszillationen. Das NAND-Gatter 22 ist durch den Widerstand 26 linearisiert; der Kondensator 27 sorgt dafür, daß Störsignale am Eingang des NAND-Gatters 22, die entweder außerhalb oder innerhalb der vom Wandler 40 stammenden Rückkopplungsspannung auftreten, gedämpft werden.

Der Schalldruckpegel, der von dem etwa bei Resonanzfrequenz arbeitenden Wandler 40 erzeugt wird, ist eine direkte Funktion der am Wandler anliegenden Spannung. Daher steigert der Spannungsverdoppler 30, der dafür sorgt, daß die über dem Wandler 40 anliegende Spannung etwa doppelt so groß ist wie die von der Stromversorgung 2 gelieferte Eingangsspannung, das Ausgangsvolumen der akustischen Alarmanlage 70 in einem erheblichen Maße. Die bipolaren Pufferverstärker 32, 34 können Pulssignale liefern, die entweder einem positiven oder einem negativen Eingangssignal entsprechen. Als Puffer schützen die Verstärker 32 und 34 den Verstärker 20 vor Wirkungen, die Veränderungen in der Wandlerimpedanz auf die Ausgänge der NAND-Gatter 22, 24 ausüben, und liefern außerdem einen Wandlertreiber mit geringer Impedanz.. Die Ausgänge 28 und 29 der NAND-Gatter 22 bzw. 24 geben gleichzeitig Impulssignale mit entgegengesetzten Vorzeichen auf die bipolaren Pufferverstärker 32 bzw. 34. Impulssignale mit negativer Polarität schalten die

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npn-Transistoren 31 und 35 ein, während Impulssignale mit positiver Polarität die pnp-Transistoren 33 und 36 einschalten. Dementsprechend schv/ingen die Aus gangs signale der bipolaren Pufferverstärker 32, 34, die an den Elektroden 44 bzw. 42 des Wandlers 40 auftreten, zwischen positiver und negativer Polarität. Wegen der Eigenschaft des Wandlers 40, als Querkondensator zu wirken, ist die momentane Vektorsumme der beiden an den Elektroden 44 und 42 auftretenden Spannungen im wesentlichen doppelt so groß wie die Eingangsspannung der Stromversorgung 2. Demzufolge ist die unter Verwendung des Spannungsverdopplers 30 auf den Wandler 40 geführte Leistung im wesentlichen viermal so groß wie die der Stromversorgung Wegen der inhärenten Kapazität des Wandlers 40 ist der Widerstand 50 in Reihe mit dem Wandler 40 geschaltet, um momentane Spannungsspitzen zu begrenzen, die dann auftreten, wenn die Polaritäten der über dem Wandler 40 abfallenden Spannungen plötzlich umgekehrt werden.

Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, enthält eine akustische Alarmanlage 70 einen akustischen Verbraucher 72. Dieser Verbraucher umfaßt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Abschluß in Form efrier Öffnung (Öffnungsabschluß 76), der in einem Abstand von dem piezoelektrischen Wandler 40 angeordnet ist, und einen Resonanzhohlraum 74, der mit dem Wandler 40 verbunden ίεΐ. Im vorliegenden Zusammenhang v/ird unter dem Ausdruck "Öffnungsabschluß" eine Last verstanden, die mit dem akustischen Ausgang des piezoelektrischen Wandlers 40 verbunden ist und eine Öffnung enthält, durch die Schallwellen hindurchtreten können. Ferner wird unter dem Begriff "Resonanzhohlraum¹¹ ein Raum verstanden, der ganz oder teilweise abgeschlossen ist und eine vorgegebene Resonanzfrequenz hat. Der akustische Verbraucher 72 enthält eine Vorrichtung, die den akustischen Ausgang des Wandlers 40mit der Umgebung akustisch koppelt. Im Betrieb v/ird der akustische Ausgang des piezo-

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elektrischen Y/andlers 40 durch Anregung des Resonanzhohlraumes mit seiner Resonanzfrequenz verstärkt und an die Luft der Umgebung der Alarmanlage 70 akustisch angeyaßt; die Anpassung erfolgt durch einen Öffnungsabschluß 76. Durch die Intensivierung und Anpassung wird die gesamte elektroakustische Wirksamkeit der Alarmanlage 70 erhöht.

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Claims

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P.R. IiALLORY & CO. INC. Indianopalis, Indiana, V.St.A. 3029 E. Washington Street

Patentansprüche

k^xs tische Alarmanlage mit hoher Aus gangs le istung, ent- ~' haltend eine Stromversorgung, einen Pulsator, der auf die Stromversorgung anspricht und die Alarmanlage pulsieren läßt, einen Verstärker, der mit dem Pulsator elektrisch verbunden ist und die von der Stromversorgung gelieferte Eingangsspannung oszillieren läßt, und einen auf den Verstärker ansprechenden piezoelektrischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verstärker (20) ein die Spannung der Stromversorgung (2) verdoppelnder Spannungsverdoppler (30) elektrisch verbunden ist, derart, daß der piezoelektrische Wandler (40) eine Treiberspannung empfängt, die doppelt so hoch ist wie die von der Stromversorgung (2) gelieferte Eingangsspannung.
2. Alarmanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverdoppler (30) mindestens zv/ei bipolare Pufferverstärker (32, 34) enthält, von denen der eine (Pufferverstärker 32) mit einem ersten Ausgang (25) des Verstärkers (20) sowie einer ersten Elektrode (44) des piezo-

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ORIGINAL INSPECTED

elektrischen Wandlers (40) elektrisch verbunden ist und der andere Verstärker (Pufferverstärker 34) mit einem zweiten Ausgang (29) des Verstärkers (20) sov/ie einer zweiten

Elektrode (43) des piezoelektrischen Wandlers (40) elektrisch verbunden ist.
3. Alarmanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden bipolaren Pufferverstärker (32, 34) einen npn-Transistor (31, 35) und einen pnp-Transistor (33» 36) enthält, die jeweils eine gemeinsame Basisverbindung (38, 37) und eine gemeinsame Emitterverbindung (39, 41) haben.
4. Alarmanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden bipolaren Pufferverstärker (32, 34) an der gemeinsamen Basisverbindung (38, 37) mit dem Verstärker (20) elektrisch verbunden ist und an seiner gemeinsamen Emitterverbindung (39, 41) mit dem piezoelektrischen Wandler (40) elektrisch verbunden ist.
5. Alarmanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustischer Verbraucher (72) dem piezoelektrischen Wandler (40) räumlich zugeordnet ist, vorzugsweise einen Abstand zu dem Wandler (40) einhält, und einen Abschluß in Form einer Öffnung (Öffnungsabschluß 76) enthält.
6. Alarmanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Verbraucher (72) außerdem einen mit dem piezoelektrischen Wandler (40) gekoppelten Resonanzhohlraum (74) enthält.
7. Alarmanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Verbraucher (72) dem Resonanzhohlraum (74) an dessen dem piezoelektrischen Wandler (40) abgewandter Seite über den Öffnungsabschluß (76) angekoppelt ist.

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