EP0432345B1 - Alarm- or radio-clock with a circuit arrangement for their control - Google Patents
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- EP0432345B1 EP0432345B1 EP19900107470 EP90107470A EP0432345B1 EP 0432345 B1 EP0432345 B1 EP 0432345B1 EP 19900107470 EP19900107470 EP 19900107470 EP 90107470 A EP90107470 A EP 90107470A EP 0432345 B1 EP0432345 B1 EP 0432345B1
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- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04G—ELECTRONIC TIME-PIECES
- G04G13/00—Producing acoustic time signals
- G04G13/02—Producing acoustic time signals at preselected times, e.g. alarm clocks
- G04G13/021—Details
Definitions
- the present invention relates to an alarm clock or radio clock with a circuit arrangement for switching off a wake-up signal and / or for briefly switching on a dial illumination.
- Such functions are primarily initialized today via discrete switches, for example in that a watch case has a mechanically actuated switch of some sort at a precisely predetermined point, which switch must be moved to a different position, for example, to end the wake-up alarm.
- a mechanically actuated switch of some sort at a precisely predetermined point, which switch must be moved to a different position, for example, to end the wake-up alarm.
- this proves to be extremely disadvantageous for the user, especially in the dark, since the switch provided cannot be found at the appropriate moment.
- Such an arrangement works, for example, with an infrared transmitter and the associated receiver, similar to a radar system (see also DE-PS 37 19 087 ), the light reflected to the receiver being identified.
- transceiver arrangements have the disadvantage that, due to their high power consumption, battery operation is not permitted in most applications. This means that the corresponding switching functions are only switched on or started for a very short time, for example when the pre-programmed alarm is triggered. Therefore, if you want to switch continuous functions through the same arrangement, this is not possible.
- the high circuit complexity also means that such arrangements for operation (in particular the transmitter diode) require an operating voltage of more than 1.5 V.
- Alarm clock arrangements that can be used flexibly should, however, operate at the lowest possible voltages and, if possible, be operated with a single conventional 1.5 V mono cell.
- Watches are also known which use a pyroelectric sensor to control the dial lighting (e.g. CITIZEN, Japan).
- CITIZEN pyroelectric sensor
- these known arrangements have the disadvantage that they are structurally complex and bulky and can therefore only be produced at very high cost.
- these arrangements which make use of a technique which is common in fire alarm sensor applications, are distinguished by a high voltage requirement and a relatively high power consumption for signal processing.
- the IR sensor serves as a signal detector, which is connected to a preamplifier for current and voltage amplification, and which has a bandpass filter and one connected to it Amplifier is connected.
- This amplifier is also followed by a threshold detector, which is connected to a time evaluation circuit, the bandpass filter being adjustable in such a way that its resonance frequency corresponds to the highest possible gain of the pyroelectric IR sensor.
- 0.5m to 1m enables and can be activated over a very wide angle (greater than 60 °), which then allows safe triggering, for example a clock, in absolute darkness - without any search - whereby triggering from a greater distance is avoided, and in addition the device should only react to signals emanating from sources with a predeterminable temperature and can also suppress certain signals just as reliably that it does not, for example, emit light bulbs, fluorescent lamps and / or Heating body reacts, just as little as a person walks past, for example, there is a trigger, and finally, for example, do not trigger when unintentional movements of sleeping people.
- this object is achieved in that a pyroelectric infrared sensor is provided as the proximity-sensitive element, to which a FET preamplifier is connected for current and voltage amplification, and the pyroelectric IR sensor is preceded by a selectively acting optical element, with which there is a time difference between different scans (ta, tc) a maximum of contrast can be achieved, the pyroelectric IR sensor is followed by a bandpass filter and connected to the amplifier, a time evaluation circuit -Timer- connected to the threshold value detector is provided, the bandpass filter being adjustable so that its Resonance frequency corresponds to the highest possible gain of the pyroelectric IR sensor, and that the selectively acting optical element and the pyroelectric IR sensor are arranged in an approximately horizontal housing roof of a housing parallel to the housing roof.
- Pyroelectric infrared sensors are known per se and are mainly used today for automatic room and door monitoring, or, as already mentioned, for fire monitoring systems.
- a particular advantage of using a pyroelectric infrared sensor for switching alarm clocks or radio-controlled clocks in the manner according to the invention is that the low switching effort required results in very low power consumption and the possible waiver can be reached on its own transmitter and receiver, and this enables working with a simple mono cell for power supply.
- the reliability can be increased further by using an appropriate optical filter which, for example, adjusts the response of the arrangement to a selectively desired body temperature.
- This selection can be significantly increased by installing an even more selective optical element - arranged in front of the filter - (or a Frenell lens).
- IR radiation 1 for example that of a human body or part of the body, strikes an optical filter 3 via an optical element 2 (or a Frenell lens), and from there is passed on to a pyroelectric IR sensor 4.
- optical element 2 or a Frenell lens
- the optical element 2 serves to modulate the radiation energy of the moving radiation source 1 and is dimensioned such that the modulation frequency of the radiation corresponds to the maximum sensitivity of the pyroelectric IR sensor 4.
- the optical filter 3 is designed such that it preferably allows a radiation of 37 degrees C to pass selectively.
- the corresponding radiation on the active radiation-sensitive elements 41 and 42 see FIG. 2 ) triggers a charge separation.
- a bandpass filter 5 connected to the pyroelectric IR sensor 4 and adapted both to this and to the optical element 2 has the effect that the desired frequency components of the input signal modulated by the optical element 2 are preferably amplified in an amplifier 6 connected to it. This measure ensures maximum freedom from noise and responsiveness.
- a threshold value detector 7 which is further connected to the amplifier 6, responds to both positive and negative pulses. This is particularly important when using a pyroelectric dual IR sensor instead of a simple IR sensor and is necessary because, depending on the direction of movement Radiation source 1 - in terms of time - only a negative or only a positive pulse is generated.
- a time evaluation circuit 8 connected to the threshold value detector 7 has, for example, the task of sufficiently delaying a pulse with respect to the output D of the threshold value detector 7 in order to enable a defined lighting duration of a dial illumination 10 connected via an output F of the time evaluation circuit 8.
- a signal generator 11 connected to the clockwork 9 via an output G is stopped by a similar signal at the output D of the threshold detector 7.
- a dial illumination 10 can also optionally be switched on for a predetermined lighting duration via the signal at the output F of the threshold value detector 8.
- a voltage stabilization the input H of which is connected to the pyroelectric IR sensor 4 and the output of which is connected to the amplifier 6, ensures the necessary independence of the supply voltage of the input part of the evaluation arrangement with regard to the load when the dial illumination 10 is switched on.
- the pyroelectric IR sensor 4 shown in FIG. 2 has a frequency-dependent sensitivity.
- the frequency of the maximum sensitivity is largely determined by a first load resistor 43 and the distance between the radiation-sensitive elements 41 and 42.
- the frequency behavior of the pyroelectric IR sensor 4 at its output A is due to the working distance and the dimensions of the radiating body 1 (in the case of the present exemplary embodiment, this is a human hand) or the width 21 (see Fig.3) of the optical element 2 and the distance between the optical element 2 and the radiation-sensitive elements 41 and 42 determined.
- the same irradiation of the radiation-sensitive elements 41 and 42 causes the Voltage that remains across a load resistor connected in parallel to these elements is zero.
- the load resistor 43 and a downstream transistor 48 are often part of the pyroelectric IR sensor 4 as a whole, the numerical value of the load resistor 43 determining the sensitivity and the response speed and the transistor 48 having the task of preamplifying the extremely small voltages across the load resistor 43.
- the individual connection points 45, 46 and 47 are accessible for further wiring.
- this optical element 2 consists of a single slit diaphragm with the opening 21.
- the radiation strikes a different one Place the optical filter 3 or the pyroelectric IR sensor 4 and thus on its radiation-sensitive elements.
- the distance between the optical element 2 and the radiation-sensitive elements 41 and 42 and the width of the opening 21 of the slit diaphragm are so matched to the working distance between the radiation source 1 and the optical element 2 and the dimensions of the radiation source 1 that between scans to the A maximum degree of contrast can be achieved at times ta and tc.
- the following guideline values are symptomatic for the dimensioning:
- the working distance should be less than 0.7 m and the triggering distance between the times ta and tc should be approximately 20-30 cm.
- the dimensions of the human hand are preferably used for the dimensions of the radiation source.
- the working distance means the distance from the alarm clock at which it should respond selectively
- the trigger path represents the angular field that has to be covered in order to generate a safe triggering.
- FIGS. 4a to 4c show various current flow diagrams, as are typical when passing through a radiation source Alarm clocks occur, plotted.
- the period times for conventional hand movements that arise from the knowledge gained previously are in the range of approximately 0.05-0.5 seconds.
- FIG. 4a shows the current or voltage curve for the radiation-sensitive element 41.
- the current or voltage amplitude reaches its maximum value at the point in time ta.
- 4c shows the voltage curve present at the output of a pyroelectric dual-IR sensor, which is processed by the subsequent electronics.
- FIGS. 5a and 5c Exemplary embodiments of the optical element 2 are shown in FIGS. 5a and 5c .
- 5a shows a front view in principle.
- the radiation-sensitive elements 41 and 42 of the pyroelectric IR sensor 4 and the optical filter 3 are visible through the opening 21 of the slit diaphragm of the optical element 2.
- 5c shows the solution with a pyroelectric single IR sensor 4.
- FIGS. 6a and 6b A second exemplary embodiment of an optical element 2 is shown in FIGS. 6a and 6b .
- 6a shows the basic arrangement of the optical element 2, the optical filter 3, the pyroelectric IR sensor 4 and the visually enlarged radiation-sensitive elements 41 and 42.
- FIG. 6b shows a lens 22 instead of the optical filter 3, which is a cylindrical lens in this exemplary embodiment.
- the lens 22 serves to increase the response sensitivity of the arrangement and this is realized in that the lens 22 bundles a larger amount of radiation onto the visually enlarged radiation-sensitive elements 41 and 42.
- the distance between the lens 22 and the radiation-sensitive elements 41 and 42 corresponds approximately to the focal length of the lens 22.
- the lens curvature of the lens 22 runs approximately along the contour of the radiation-sensitive elements 41 and 42. This serves to homogenize the response behavior or to enlarge the field of view X.
- FIG. 7 shows a constructive detail of the installation of a pyroelectric sensor 4 in a conventional alarm clock housing, it being particularly important that the pyroelectric IR sensor is attached at an angle W such that that of its signal field trigger field that can be covered by an optical grid is turned away from the user, so that a conscious and intentional movement is required for triggering and unintentional triggering can be avoided.
- This also requires that the slit diaphragm is arranged asymmetrically to accommodate the pryroelectric IR sensor.
- the pyroelectric IR sensor 4 is located at the input of the circuit.
- This circuit also has a (see Fig. 2b) FET preamplifier 48.
- a first output 45 forms the drain connection of the FET preamplifier 48 and a second output 46 forms the source connection of the FET preamplifier 48.
- the drain connection is then connected to the supply voltage U via a first resistor 44.
- the source connection is connected to ground 0 via a second resistor 54.
- a capacitor 53 is connected in parallel with the second resistor 54. This circuit also serves to amplify the voltage with respect to the connection point A.
- this measure improves the power amplification of the preamplifier by orders of magnitude.
- this type of circuit suppresses low frequency and direct current components, ie the desired frequency components are preferably amplified.
- the bandpass filter 5 is formed from the RC elements, a second capacitor 51, a third resistor 52, a third capacitor 53, a fourth resistor 54 and a fourth capacitor 55 and a fifth resistor 56.
- These RC elements form a bandpass characteristic, the lower limit frequency of which is determined by the RC element (second capacitance 51, third resistor 52) and the upper limit frequency of which is determined by the RC element (third capacitor 53, fourth resistor 54).
- the lower or upper limit frequency matched to the previously described modulation of the input signal. This measure further promotes the selection of the desired signals, for example as a result of a hand movement, and thus increases the response reliability.
- Such a bandpass characteristic is approximately 2-20 Hz in accordance with the dimensioning of the optical element 2.
- the amplifier 6 connected downstream of the bandpass filter 5 comprises an operational amplifier 61 in the present circuit.
- the amplifier 6 is then connected to the threshold detector 7, which - as already mentioned above - responds to both positive and negative pulses. This is necessary in particular when using pyroelectric dual IR sensors because, depending on the direction of movement of the radiation source 1, only a positive or only a negative pulse can be generated.
- the threshold voltage is defined by a sixth resistor 71 and a seventh resistor 72 and an eighth resistor 73 and a ninth resistor 74.
- a first transistor 76 and a second transistor 77 are connected with different polarities in the threshold value detector, ie if, for example, the first transistor 76 is a pnp type, the second transistor 77 is an npn type.
- the ratio of the sixth resistor 71 and the seventh resistor 72 or that of the eighth resistor 73 and that of the ninth resistor 74 are determined such that, in the absence of a signal at input C, the voltages across the resistors 74 and 71 are lower than the base breakdown voltages of the transistors 76 and 77.
- both transistors block when there is no input signal. If, on the other hand, a positive pulse arrives at the input C of the threshold value detector 7, the second transistor 77 becomes conductive and switches to the subsequent stage at the output D. However, if a negative pulse arrives at the input C of the threshold value detector 7, the first transistor 76 becomes conductive and thus also displaces it second transistor 77 in the conductive state. Thus, in both of the cases described above, a signal is sent to the timing control unit 8.
- the voltage stabilization 12 formed from a second load resistor 121 and a second load capacitance 122, stabilizes the supply voltage U of the pyroelectric IR sensor 4 and the input part of the amplifier 6. This results in a very high degree of independence with regard to the loads on U.
- the supply U come from a battery and thus the battery voltage would show considerable fluctuations when loaded by an incandescent lamp without stabilization. Such fluctuations can lead to interference due to the necessary high amplification of the input signal and must therefore be avoided.
- the voltage stabilization 12 also aims to compensate for the behavior of the circuit formed from the resistors 44 and 54 and the capacitance 53 at different supply voltages.
- Figures 9a to 9c show the essential features of the spatial structure of the mechanical components of an embodiment in the form of an alarm clock.
- the alarm clock housing W shown in an exploded view in FIG. 9a contains a conventional clock arrangement with an electromechanically designed clockwork 9 (which is indicated in the present figure only by the corresponding reference symbol). and the optical element 2 provided on the roof-side surface of the alarm clock housing W.
- the radiation signals to be triggered by hand movements are thus carried out in this exemplary embodiment by sweeping over the alarm clock with one hand movement.
- FIG. 9b - in a side view of the same alarm clock housing in a partial schematic diagram - it is provided for the corresponding functioning of the arrangement that the pyroelectric IR sensor 4 can be fastened at an angle W of approximately 90 degrees to the base of the alarm clock housing, and that the optical element 2 is attached at approximately the same angle over the IR sensor.
- 10a shows a further exemplary embodiment with regard to the structural design of the corresponding alarm clock housing and the clockwork 9 and the optical element 2 to be arranged therein.
- FIG. 10b shows the side view of the same exemplary embodiment and the angle W at which the pyroelectric IR sensor is attached is of crucial importance, namely in such a way that the sensor directed here against the front side is not directed directly towards the user .
- the orientation of the opening 21 (not specifically designated in this FIG. 10b; see FIG. 3) of the slit diaphragm of the optical element 2 defines the direction of the field of view X -dh of the response-sensitive area. This area is preferably located above the standing surface of the alarm clock housing W.
- triggering movements which are at approximately the same height as or lower than the standing surface of the alarm clock housing W are not recorded for evaluation.
- the inclination of the sensitivity vector with respect to the horizontal prevents false triggering by movements of a sleeper near the alarm clock.
- the elevation angle W of the trigger vector is approximately 20 degrees in the exemplary embodiment.
- 10c shows a front view of the mechanical structure of an alarm clock, the installation position of the pyroelectric IR sensor 4 can be seen in principle, in particular also with regard to the footprint of the alarm clock housing.
- the partially cut-open representation makes the radiation-sensitive elements 41 and 42 of the pyroelectric IR sensor 4 visible.
- the arrangement of the same is such that its longitudinal axis moves parallel to the base of the alarm clock housing, ie the elements 41 and 42 are arranged one above the other. This functionally assigns an increased sensitivity to the direction of movement perpendicular to the footprint. Movements parallel to the base of the alarm clock housing W do not trigger. These measures prevent tripping when a person walks past the alarm clock.
- FIGS. 11a and 11b A third exemplary embodiment is shown in FIGS. 11a and 11b , in which the vertical arrangement of the alarm clock is replaced by a structure in which a side wall curved toward the front is provided for receiving the pyroelectric IR sensor.
- 11a illustrates the arrangement of the sensor next to the conventional clockwork 9.
- FIG. 11b illustrates in a top view the same arrangement as in FIG. 11a the mechanical-local position of the components and the direction of the trigger vector.
- the leveling angle W is about 45 degrees.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung.The present invention relates to an alarm clock or radio clock with a circuit arrangement for switching off a wake-up signal and / or for briefly switching on a dial illumination.
Derartige Funktionen werden heute vorwiegend über diskrete Schalter initialisiert, indem beispielsweise ein Uhrengehäuse an einer genau vorbestimmten Stelle einen irgendwie gearteten, mechanisch betätigbaren Schalter besitzt, der beispielsweise zum Beendigen des Weckalarms in eine andere Stellung gebracht werden muss. Dies erweist sich aber gerade bei Dunkelheit für den Benutzer als äusserst nachteilig, da sich im entsprechenden Moment der vorgesehene Schalter nicht finden lässt.Such functions are primarily initialized today via discrete switches, for example in that a watch case has a mechanically actuated switch of some sort at a precisely predetermined point, which switch must be moved to a different position, for example, to end the wake-up alarm. However, this proves to be extremely disadvantageous for the user, especially in the dark, since the switch provided cannot be found at the appropriate moment.
Verbesserte Ausführungen besitzen daher bereits Einrichtungen, die durch blosses Berühren des Weckergehäuses reagieren und diese ein Beendigen des Weckalarms bewirken. Dies bedeutet für den Benutzer einer solchen Einrichtung aber immer noch den entscheidenden Nachteil, dass er im Dunkeln das Weckergehäuse echt auffinden muss und die Berührung so durchführen muss, dass das Weckergehäuse nicht aus der Gleichgewichtslage gerät.Improved designs therefore already have devices that react by simply touching the alarm clock housing and causing the alarm to stop. For the user of such a device, however, this still means the decisive disadvantage that he has to find the alarm clock housing in the dark and must carry out the contact in such a way that the alarm clock housing does not get out of equilibrium.
Eine weitere Verbesserung stellen hingegen Anordnungen dar, die bereits berührungslos, nämlich auf bloße Annäherung reagieren.On the other hand, a further improvement is represented by arrangements which already react without contact, namely to mere approximation.
Eine solche Anordnung arbeitet beispielsweise mit einem Infrarot-Sender und dem zugehörigen -Empfänger, ähnlich wie ein Radarsystem (siehe auch DE-PS 37 19 087), wobei das zum Empfänger reflektierte Licht identifiziert wird. Solche Sende-/Empfänger-Anordnungen haben allerdings den Nachteil, infolge ihres hohen Stromverbrauchs bei in den meisten Applikationen vorgesehenem Batteriebetrieb keine Dauerfunktion zuzulassen. D.h. die entsprechenden Schaltfunktionen werden nur sehr kurzzeitig, beispielsweise wenn der vorprogrammierte Alarm ausgelöst ist, eingeschaltet bzw. in Funktion gesetzt. Will man daher Dauerfunktionen durch die gleiche Anordnung schalten, so ist dies nicht möglich.Such an arrangement works, for example, with an infrared transmitter and the associated receiver, similar to a radar system (see also DE-PS 37 19 087 ), the light reflected to the receiver being identified. However, such transceiver arrangements have the disadvantage that, due to their high power consumption, battery operation is not permitted in most applications. This means that the corresponding switching functions are only switched on or started for a very short time, for example when the pre-programmed alarm is triggered. Therefore, if you want to switch continuous functions through the same arrangement, this is not possible.
Für einen dauernden Einsatz, wie beispielsweise zum kurzzeitigen beliebigen Einschalten der Zifferblattbeleuchtung bei Dunkelheit, können diese Anordnungen also nicht oder nur sehr beschränkt -unter Inkaufnehmen der oben beschriebenen Einschränkungen- verwendet werden.For continuous use, for example for briefly switching on the dial lighting in the dark at will, these arrangements cannot be used, or can only be used to a very limited extent, while accepting the restrictions described above.
Ein weiterer empfindlicher Nachteil solcher Anordnungen mit einem Sende-/Empfangs-Prinzip stellt die Tatsache dar, dass die Anordnung auf jeden Gegenstand -natürlich auch nicht bewegten- reagiert. Nur durch unüblich hohen Schaltungsaufwand kann erreicht werden, dass bewegte Gegenstände von statisch vorhandenen unterschieden werden (siehe DE-PS 37 19 087) können.Another sensitive disadvantage of such arrangements with a send / receive principle is the fact that the arrangement reacts to any object, of course not moving. It is only through unusually high circuit complexity that moving objects can be distinguished from statically existing ones (see DE-PS 37 19 087 ).
Der hohe Schaltungsaufwand führt zusätzlich dazu, dass solche Anordnungen zum Betrieb (insbesondere der Sendediode) eine Betriebsspannung von mehr als 1,5 V benötigen. Flexibel zu benutzende Weckeranordnungen sollen aber bei möglichst niedrigen Spannungen arbeiten und nach Möglichkeit mit einer einzelnen üblichen 1,5 V-Monozelle betrieben werden können.The high circuit complexity also means that such arrangements for operation (in particular the transmitter diode) require an operating voltage of more than 1.5 V. Alarm clock arrangements that can be used flexibly should, however, operate at the lowest possible voltages and, if possible, be operated with a single conventional 1.5 V mono cell.
Es sind auch schon Uhren bekannt, die einen pyroelektrischen Sensor zur Steuerung der Zifferblattbeleuchtung verwenden (z.B. CITIZEN, Japan). Diese bekannten Anordnungen haben aber den Nachteil, dass sie konstruktiv aufwendig und sperrig aufgebaut und so auch nur sehr kostenintensiv herstellbar sind. Zudem zeichnen sich diese Anordnungen, die von einer Technik Gebrauch machen, die in der Feueralarm-Sensor-Anwendung üblich ist, durch einen hohen Spannungsbedarf und einen relativ hohen Stromverbrauch für die Signalaufbereitung aus.Watches are also known which use a pyroelectric sensor to control the dial lighting (e.g. CITIZEN, Japan). However, these known arrangements have the disadvantage that they are structurally complex and bulky and can therefore only be produced at very high cost. In addition, these arrangements, which make use of a technique which is common in fire alarm sensor applications, are distinguished by a high voltage requirement and a relatively high power consumption for signal processing.
Schon daher sind also solche Systeme und Anordnungen, die lediglich eine bestehende Technologie, nämlich die der IR-Alarmsysteme benutzen, im Grunde für den Einsatz im Uhrengebiet nicht geeignet, weil hier ganz andere Aufgabenstellungen vorliegen. Am einfachsten Beispiel kann dies da festgestellt werden, wo die Auslösung bei derartigen Systemen nicht durch eine einfache Handbewegung erfolgen kann, was selbstverständlich in der Uhrentechnik ein bares Erfordernis ist. Eine solche Auslösung muss beispielsweise -vorausgesetzt eine sehr kleine Fehlerrate- bei üblichen Weckern von einer aus dem Schlaf erwachenden Person möglich sein; das bedeutet aber auch, dass eine Wendung oder Drehung dieser Person im Bett während des Schlafens, keine Auslösung bewirken darf.For this reason, systems and arrangements that only use existing technology, namely that of IR alarm systems, are basically not suitable for use in the watch field because there are completely different tasks here. The simplest example of this can be found where the triggering in systems of this type cannot take place by a simple hand movement, which is of course a requirement in watch technology. Such triggering must be possible, for example, assuming a very low error rate, in the case of normal alarm clocks, by a person awakening from sleep; but this also means that a turn or rotation of this person in bed while sleeping must not trigger.
Im übrigen sind auch Anordnungen zum Schalten der Raumbeleuchtung und zur Steuerung von Lampen mit Hilfe eines IR-Sensors bekannt (WO-A-82 02270). Auch dabei dient der IR-Sensor als Signaldetektor, der mit einem Vorverstärker zur Strom- und Spannungsverstärkung verbunden ist und dem ein Bandpassfilter und ein mit diesem verbundener Verstärker nachgeschaltet ist. Diesem Verstärker ist ebenfalls ein Schwellwertdetektor nachgeschaltet, der mit einer Zeitauswerteschaltung verbunden ist, wobei das Bandpassfilter so einstellbar ist, dass dessen Resonanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors entspricht.For the rest, arrangements for switching the room lighting and for controlling lamps with the aid of an IR sensor are also known ( WO-A-82 02270 ). Here, too, the IR sensor serves as a signal detector, which is connected to a preamplifier for current and voltage amplification, and which has a bandpass filter and one connected to it Amplifier is connected. This amplifier is also followed by a threshold detector, which is connected to a time evaluation circuit, the bandpass filter being adjustable in such a way that its resonance frequency corresponds to the highest possible gain of the pyroelectric IR sensor.
Diese bekannten Anwendungen reagieren also auf die Anwesenheit einer sich bewegenden Person in grosser Distanz in gleicher Weise wie auf eine gezielte, kleine Handbewegung in der Nähe eines Weckers, kommen daher mit vergleichsweise unspezifischen Auslösekriterien aus. Die selektive Empfindlichkeit fehlt somit vollständig.These known applications therefore react to the presence of a moving person at a great distance in the same way as to a deliberate, small hand movement near an alarm clock, and therefore make do with comparatively unspecific trigger criteria. The selective sensitivity is therefore completely absent.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung aufzuzeigen, die mit möglichst geringem Stromverbrauch und einer möglichst niedrigen Versorgungsspannung eine permanente Bereitschaftsstellung zum Auslösen von Schaltfunktionen bei Weckeroder Funkuhren im Batteriebetrieb sicherstellt und eine selektive Auslösung von Steuerfunktionen erlaubt, zudem so konzipiert ist, dass sie ein Schalten aus einem Abstand von ca. 0,5m bis 1m ermöglicht und dabei über einen sehr weiten Winkel (grösser 60°) aktivierbar ist, was dann ein sicheres Auslösen gestattet, beispielsweise einer Uhr, bei absoluter Dunkelheit -ohne jedes Suchen-, wobei ein Auslösen aus grösserer Entfernung vermieden wird, wobei zudem die Vorrichtung nur auf Signale reagieren soll, die von Quellen mit einer vorbestimmbaren Temperatur ausgehen, und dabei auch bestimmte Signale ebenso zuverlässig unterdrücken kann, dass sie beispielsweise nicht auf Aussendungen von Glühlampen, Leuchtstofflampen und/oder Heizkörper reagiert, ebensowenig beim einfachen Vorbeigehen einer Person beispielsweise eine Auslösung erfolgt, und schliesslich beispielsweise bei unbeabsichtigten Bewegungen von schlafenden Personen nicht auslösen.It is therefore an object of the present invention to show an arrangement which, with the lowest possible power consumption and the lowest possible supply voltage, ensures a permanent standby position for triggering switching functions in alarm clocks or radio clocks in battery operation and allows selective triggering of control functions, and is also designed in such a way that it is designed switching from a distance of approx. 0.5m to 1m enables and can be activated over a very wide angle (greater than 60 °), which then allows safe triggering, for example a clock, in absolute darkness - without any search - whereby triggering from a greater distance is avoided, and in addition the device should only react to signals emanating from sources with a predeterminable temperature and can also suppress certain signals just as reliably that it does not, for example, emit light bulbs, fluorescent lamps and / or Heating body reacts, just as little as a person walks past, for example, there is a trigger, and finally, for example, do not trigger when unintentional movements of sleeping people.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als annäherungsempfindliches Element ein pyroelektrischer Infrarot-Sensor vorgesehen ist, mit diesem zur Strom- und Spannungsverstärkung ein FET-Vorverstärker verbunden ist, dem pyroelektrischen IR-Sensor ein selektiv wirkendes optisches Element vorgeschaltet ist, mit dem zwischen zeitlich unterschiedlichen Abtastungen (ta, tc) ein Höchstmass an Kontrast erzielbar ist, dem pyroelektrischen IR-Sensor ein Bandpassfilter nachgeschaltet und mit dem Verstärker verbunden ist, eine mit dem Schwellwertdetektor verbundene Zeitauswerteschaltung -Timer- vorgesehen ist, wobei das Bandpassfilter so einstellbar ist, dass dessen Resonanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors entspricht, und daß das selektiv wirkende optische Element und der pyroelektrische IR-Sensor in einem etwa horizontal verlaufenden Gehäusedach eines Gehäuses parallel zum Gehäusedach angeordnet sind.According to the invention, this object is achieved in that a pyroelectric infrared sensor is provided as the proximity-sensitive element, to which a FET preamplifier is connected for current and voltage amplification, and the pyroelectric IR sensor is preceded by a selectively acting optical element, with which there is a time difference between different scans (ta, tc) a maximum of contrast can be achieved, the pyroelectric IR sensor is followed by a bandpass filter and connected to the amplifier, a time evaluation circuit -Timer- connected to the threshold value detector is provided, the bandpass filter being adjustable so that its Resonance frequency corresponds to the highest possible gain of the pyroelectric IR sensor, and that the selectively acting optical element and the pyroelectric IR sensor are arranged in an approximately horizontal housing roof of a housing parallel to the housing roof.
Pyroelektrische Infrarot-Sensoren (s.bspw. US-PS 4,755, 674) sind an sich bekannt und werden heute hauptsächlich zur automatischen Raum- und Tür-Ueberwachung, oder aber -wie schon zuvor erwähnt- bei Feuer-Ueberwachungs-Systemen, eingesetzt.Pyroelectric infrared sensors (see, for example, US Pat. No. 4,755,674 ) are known per se and are mainly used today for automatic room and door monitoring, or, as already mentioned, for fire monitoring systems.
Bezüglich derartiger Anwendungen sind verschiedene Ausgestaltungen pyroelektrischer Infrarot-Sensoren sowie verschiedene Schaltungen zur Auswertung der Signale der pyroelektrischen Infrarot-Sensoren bekannt. Aus der Veröffentlichung Valvo "Pyroelektrische Infrarot-Detektoren Grundlagen und Anwendungen" mit Druckdatum Dezember 1987, erschienen im Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH unter der Nr. ISBN 3-7785-1595-0, ist es beispielsweise bekannt, einem pyroelektrischen Infrarot-Sensor einen Vorverstärker nachzuschalten. Zur Aufbereitung des Signales ist dort weiterhin veröffentlicht, daß ein Gitter oder eine Fresnellinse vorgesehen sein kann. Außerdem ist aus dieser Veröffentlichung bekannt, dem pyroelektrischen Infrarot-Sensor einen Bandpaßfilter sowie einen Verstärker nachzuschalten. Auf die hier vorliegende Anwendung sowie die sich daraus ergebenden Besonderheiten an die Ausgestaltung eines pyroelektrischen Infrarot-Sensors ist dieser Entgegenhaltung jedoch kein Hinweis zu entnehmen.With regard to such applications, various designs of pyroelectric infrared sensors and various circuits for evaluating the signals of the pyroelectric infrared sensors are known. From the publication Valvo "Pyroelectric Infrared Detectors Fundamentals and Applications", printed in December 1987, published in Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH under the number ISBN 3-7785-1595-0, it is known, for example, to connect a preamplifier to a pyroelectric infrared sensor. For the processing of the signal it is also published there that a grating or a Fresnel lens can be provided. It is also known from this publication to connect a pyramid filter and an amplifier to the pyroelectric infrared sensor. However, no reference can be found to this application from the present application and the resulting special features of the design of a pyroelectric infrared sensor.
Neben dem Vermeiden der Nachteile des Standes der Technik zeigt sich als besonderer Vorteil beim Einsatz eines pyroelektrischen Infrarot-Sensors zum Schalten von Wecker- oder Funk-Uhren in der erfindungsgemässen Art, dass bei dem geringen notwendigen Schaltungsaufwand ein sehr geringer Stromverbrauch resultiert und der mögliche Verzicht auf einen eigenen Sender und Empfänger erreicht werden kann, und dies ermöglicht das Arbeiten mit einer einfachen Monozelle zur Speisung.In addition to avoiding the disadvantages of the prior art, a particular advantage of using a pyroelectric infrared sensor for switching alarm clocks or radio-controlled clocks in the manner according to the invention is that the low switching effort required results in very low power consumption and the possible waiver can be reached on its own transmitter and receiver, and this enables working with a simple mono cell for power supply.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erreicht man mit einer solchen Anordnung mit recht geringem Schaltungsaufwand eine funktionsichere, sehr selektiv arbeitende Steuereinrichtung für die Steuerung von solchen Schaltfunktionen.In a further development of the present invention, such an arrangement achieves a functionally reliable, very selectively operating control device for controlling such switching functions with very little circuit complexity.
Im weiteren lässt sich die Zuverlässigkeit durch den Einsatz eines entsprechenden optischen Filters, das beispielsweise das Ansprechen der Anordnung auf eine selektiv gewünschte Körpertemperatur abstimmt, noch steigern.Furthermore, the reliability can be increased further by using an appropriate optical filter which, for example, adjusts the response of the arrangement to a selectively desired body temperature.
Mit der Verwendung eines sogenannten pyroelektrischen Dual-Sensors anstelle eines pyroelektrischen Infrarot-Single-Sensors wird weiterhin erreicht, dass die Anordnung nur auf bewegte Gegenstände anspricht.With the use of a so-called pyroelectric dual sensor instead of a pyroelectric infrared single sensor, it is further achieved that the arrangement only responds to moving objects.
Diese Selektion lässt sich durch den Einbau eines noch selektiver wirkenden optischen Elements -vor dem Filter angeordnet- (oder eine Frenelllinse) noch erheblich steigern.This selection can be significantly increased by installing an even more selective optical element - arranged in front of the filter - (or a Frenell lens).
Im folgenden werden erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele beschrieben und in den nachfolgenden Figurendarstellungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- Eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemässen Anordnung;
- Fig. 2a
- ein erstes Ausführungsbeispiel eines pyroelektrischen IR-Sensors;
- Fig. 2b
- eine elektrische Schaltung des pyroelektrischen IR-Sensors aus Fig. 2a;
- Fig. 3
- der prinzipielle mechanische Aufbau einer Detailanordnung aus Fig. 1;
- Fig. 4a
- ein erstes Spannungs-Zeit-Diagramm eines pyroelektrischen IR-Sensors gemäss Fig. 2a;
- Fig. 4b
- ein zweites Spannungs-Zeit-Diagramm eines pyroelektrischen IR-Sensors gemäss Fig. 2a;
- Fig. 4c
- ein kombiniertes Spannungs-Zeit-Diagramm aus den Figuren 4a und 4b;
- Fig. 5a
- eine Ansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine erste Variante;
- Fig. 5b
- eine Seitenansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine erste Variante;
- Fig. 6a
- eine Ansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine zweite Variante;
- Fig. 6b
- eine Seitenansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine zweite Variante;
- Fig. 7
- eine erste konstruktive Lösung des Einbaues eines pyroelektrischen Sensors in einer Vorrichtung;
- Fig. 8
- eine prinzipielle Schaltungsaufbau der erfindungsgemässen Anordnung nach Fig. 1;
- Fig. 9a
- eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
- Fig. 9b
- eine Seitenansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers nach Fig. 8a;
- Fig. 9c
- eine Front- (Vorder-)-Ansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers aus Fig. 8a;
- Fig. 10a
- eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
- Fig. 10b
- eine Seitenansicht mit einer Teildarstellung einiger Komponenten aus dem zweiten Ausführungsbeispiel des Weckers;
- Fig. 10c
- eine Front- (Vorder-)-Ansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers;
- Fig. 11a
- eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
- Fig. 11b
- eine prinzipielle Draufsicht des Weckers aus Fig. 11a.
- Fig. 1
- A schematic representation of an arrangement according to the invention;
- Fig. 2a
- a first embodiment of a pyroelectric IR sensor;
- Fig. 2b
- an electrical circuit of the pyroelectric IR sensor from Fig. 2a;
- Fig. 3
- the basic mechanical structure of a detailed arrangement from FIG. 1;
- Fig. 4a
- a first voltage-time diagram of a pyroelectric IR sensor according to FIG. 2a;
- Fig. 4b
- a second voltage-time diagram of a pyroelectric IR sensor according to FIG. 2a;
- Fig. 4c
- a combined voltage-time diagram from Figures 4a and 4b;
- Fig. 5a
- a view of a structural detail of Figure 3 as a first variant.
- Fig. 5b
- a side view of a structural detail of Figure 3 as a first variant.
- Fig. 6a
- a view of a structural detail of Figure 3 as a second variant.
- Fig. 6b
- a side view of a structural detail of Figure 3 as a second variant.
- Fig. 7
- a first constructive solution to the installation of a pyroelectric sensor in a device;
- Fig. 8
- a basic circuit structure of the inventive arrangement according to FIG. 1;
- Fig. 9a
- an exploded view of the mechanical construction of a first embodiment of an alarm clock equipped according to the invention;
- Fig. 9b
- a side view with partially broken away the alarm clock according to Fig. 8a;
- Fig. 9c
- a front (front) view with a partially broken away view of the alarm clock from Fig. 8a;
- Fig. 10a
- an exploded view of the mechanical construction of a second embodiment of an alarm clock equipped according to the invention;
- Fig. 10b
- a side view with a partial representation of some components from the second embodiment of the alarm clock;
- Fig. 10c
- a front (front) view with the alarm clock partially broken away;
- Fig. 11a
- an exploded view of the mechanical construction of a third embodiment of an alarm clock equipped according to the invention;
- Fig. 11b
- a basic plan view of the alarm clock from Fig. 11a.
In Fig. 1 wird anhand einer Prinzipdarstellung schrittweise die Funktionsweise der Anordnung beschrieben. Dabei trifft eine IR-Strahlung 1, beispielsweise diejenige eines menschlichen Körpers oder Körperteils, über ein optisches Element 2 (oder eine Frenelllinse) auf ein optisches Filter 3, und von dort weitergeleitet auf einen pyroelektrischen IR-Sensor 4.In Fig. 1 , the operation of the arrangement is described step by step using a schematic diagram. An
Das optische Element 2 dient dabei der Modulation der Strahlungsenergie der bewegten Strahlungsquelle 1 und ist so dimensioniert, dass die Modulationsfrequenz der Strahlung der maximalen Empfindlichkeit des pyroelektrischen IR-Sensors 4 entspricht.
Das optische Filter 3 ist so ausgelegt, dass es vorzugsweise selektiv eine Strahlung von 37 Grad C passieren lässt.
In dem pyroelektrischen IR-Sensor 4 löst die entsprechende Strahlung auf den aktiven strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 (siehe Fig.2) eine Ladungstrennung aus.
Ein mit dem pyroelektrischen IR-Sensor 4 verbundenes und sowohl auf diesen, als auf das optische Element 2 angepasstes Bandpassfilter 5 bewirkt, dass die gewünschten Frequenzkomponenten des durch das optische Element 2 modulierten Eingangssignals in einem mit diesem verbundenen Verstärker 6 bevorzugt verstärkt werden. Durch diese Massnahme wird eine maximale Rauschfreiheit und Ansprechzuverlässigkeit erreicht.
Ein im weiteren mit dem Verstärker 6 verbundener Schwellwertdetektor 7 spricht sowohl auf positive als auch auf negative Impulse an. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines pyroelektrischen Dual IR-Sensors anstelle eines einfachen IR-Sensors wichtig und deshalb notwendig, weil je nach Bewegungsrichtung der Strahlungsquelle 1 -zeitlich gesehen- erst ein negativer oder erst ein positiver Impuls erzeugt wird.
Eine mit dem Schwellwertdetektor 7 verbundene Zeitauswerteschaltung 8 hat beispielsweise die Aufgabe einer ausreichenden Verzögerung eines Impulses bezüglich des Ausganges D des Schwellwertdetektors 7, um eine definierte Leuchtdauer einer über einen Ausgang F der Zeitauswerteschaltung 8 angeschlossenen Zifferblattbeleuchtung 10 zu ermöglichen. Je nach Zustand des mit einem mechanischen oder elektronischen Uhrwerk 9 verbundenen Ausgangs E der Zeitauswerteschaltung (Timer) 8 wird bei ausgelöstem Alarm durch ein ähnliches Signal am Ausgang D des Schwellwertdetektors 7 ein über einen Ausgang G mit dem Uhrwerk 9 verbundener Signalgeber 11 gestoppt.The
The
In the
A
A
A
Andererseits kann wahlweise über das Signal am Ausgang F des Schwellwertdetektors 8 aber auch eine Zifferblattbeleuchtung 10 für eine vorbestimmte Leuchtdauer eingeschaltet werden.
Eine Spannungsstabilisierung, deren Eingang H am pyroelektrischen IR-Sensor 4 liegt und deren Ausgang mit dem Verstärker 6 verbunden ist, sorgt für die nötige Unabhängigkeit der Versorgungsspannung des Eingangsteils der Auswerteanordnung bezüglich der Belastung bei Einschaltung der Zifferblattbeleuchtung 10.On the other hand, a
A voltage stabilization, the input H of which is connected to the
Der in Fig. 2 dargestellte pyroelektrische IR-Sensor 4 weist eine frequenzabhängige Empfindlichkeit auf. Dabei wird die Frequenz der maximalen Empfindlichkeit weitgehend durch einen ersten Lastwiderstand 43 und den Abstand der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 bestimmt. Das Frequenzverhalten des pyroelektrischen IR-Sensors 4 an seinem Ausgang A (siehe Fig.1) ist im übrigen durch den Arbeitsabstand und die Abmessungen vom strahlenden Körper 1 (im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dies jeweils eine menschliche Hand) bzw. durch die Breite 21 (siehe Fig.3) des optischen Elementes 2 und den Abstand zwischen dem optischen Element 2 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 bestimmt. In der Funktionsweise bewirkt gleiche Bestrahlung der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42, dass die Spannung, die über einem parallel zu diesen Elementen geschalteten Lastwiderstand, liegt gleich Null bleibt. Somit liegt über dem Lastwiderstand 43 nur dann eine Spannung an, wenn auf die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 unterschiedliche Strahlungsenergien auftreffen. Eben diese entgegengesetzte Polarisierung der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 und deren lokale Trennung bewirken die selektive Empfindlichkeit auf bewegte Strahlungsquellen, wobei konstruktiv -durch entsprechenden mechanischen Aufbau- dafür zu sorgen ist, dass die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 so mit Signalenergie beaufschlagt werden, dass möglichst keine gegenseitige Auslöschung erfolgt.The
Der Lastwiderstand 43 und ein nachgeschalteter Transistor 48 sind oft Bestandteil des pyroelektrischen IR-Sensors 4 insgesamt, wobei der numerische Wert des Lastwiderstands 43 die Empfindlichkeit und die Ansprechgeschwindigkeit bestimmen und der Transistor 48 die Aufgabe hat, die äusserst kleinen Spannungen über dem Lastwiderstand 43 vorzuverstärken. Die einzelnen Anschlusspunkte 45, 46 und 47 sind in diesem Ausführungsbeispiel für die weitere Beschaltung zugänglich.The
Fig. 3 verdeutlicht die Funktionsweise eines für sehr kurze Ansprechdistanzen optimierten optischen Elementes 2: Dieses optische Element 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer einzigen Schlitzblende mit der Oeffnung 21. Je nach der Position der Strahlungsquelle 1 bezüglich der Oeffnung 21 trifft die Strahlung auf eine unterschiedliche Stelle des optischen Filters 3 bzw. des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und damit auf dessen strahlungsempfindliche Elemente. 3 illustrates the mode of operation of an
Zu einem beliebigen Zeitpunkt ta trifft beispielsweise die gesamte durch die Oeffnung 21 des optischen Elementes 2 gelangende Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf das strahlungsempfindliche Element 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4. Zu einem weiteren Zeitpunkt tb trifft keinerlei Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf eines der strahlungsempfindlichen Elemente 41 oder 42. Zu einem nächsten Zeitpunkt tc trifft dann die gesamte durch die Oeffnung 21 des optischen Elementes 2 gelangende Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf das strahlungsempfindliche Element 41 des pyroelektrischen IR-Sensors 4.At any point in time ta, for example, all of the radiation from
Dabei sind der Abstand zwischen optischem Element 2 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 und die Breite der Oeffnung 21 der Schlitzblende so auf den Arbeitsabstand -Abstand zwischen Strahlungsquelle 1 und optischem Element 2- und die Abmessungen der Strahlungsquelle 1 abgestimmt, dass zwischen Abtastungen zu den Zeitpunkten ta und tc ein Höchstmass an Kontrast erzielbar ist.
Für die Dimensionierung sind dabei folgende Richtwerte symptomatisch: Der Arbeitsabstand sollte im Ausführungsbeispiel "Wecker" kleiner als 0,7 m und der Auslöseweg zwischen den Zeitpunkten ta und tc ca. 20-30 cm betragen. Für die Abmessungen der Strahlungsquelle werden im Ausführungsbeispiel "Wecker" vorzugsweise die Abmessungen der menschlichen Hand verwendet.The distance between the
The following guideline values are symptomatic for the dimensioning: In the "alarm clock" embodiment, the working distance should be less than 0.7 m and the triggering distance between the times ta and tc should be approximately 20-30 cm. In the "alarm clock" embodiment, the dimensions of the human hand are preferably used for the dimensions of the radiation source.
Der Abstand zwischen Schlitzblende und pyroelektrischem Sensor berechnet sich dabei nach der Formel:
In diesem Falle bedeutet also Arbeitsabstand die Entfernung vom Wecker, bei der dieser selektiv ansprechen soll, und der Auslöseweg stellt das Winkelfeld dar, welches zu überstreichen ist, um ein sicheres Auslösen zu erzeugen. Im vorliegenden Beispiel hat sich ein idealer Abstand von ca. 5mm ergeben.In this case, the working distance means the distance from the alarm clock at which it should respond selectively, and the trigger path represents the angular field that has to be covered in order to generate a safe triggering. In the present example there was an ideal distance of approx. 5mm.
In den Figuren 4a bis 4c sind verschiedene Stromlaufdiagramme, wie sie typisch beim Passieren einer Strahlungsquelle beim Weckeraufbau auftreten, aufgetragen. Die aus den zuvor gewonnenen Erkenntnissen auftretenden Periodenzeiten für übliche Handbewegungen bewegen sich dabei im Bereich von etwa 0,05-0,5 Sekunden. FIGS. 4a to 4c show various current flow diagrams, as are typical when passing through a radiation source Alarm clocks occur, plotted. The period times for conventional hand movements that arise from the knowledge gained previously are in the range of approximately 0.05-0.5 seconds.
Fig. 4a zeigt den Strom- bzw. Spannungsverlauf beim strahlungsempfindlichen Element 41. Die Strom- bzw. Spannungsamplitude erreicht zum Zeitpunkt ta ihren maximalen Wert. 4a shows the current or voltage curve for the radiation-
Fig. 4b zeigt den Strom- bzw. Spannungsverlauf beim strahlungsempfindlichen Element 42. Die Strom- bzw. Spannungsamplitude erreicht hier ihren maximalen Wert zum Zeitpunkt tc. 4b shows the current or voltage curve in the case of the radiation-
Fig. 4c zeigt den am Ausgang eines pyroelektrischen Dual-IR-Sensors anliegenden Spannungsverlauf, der von der nachfolgenden Elektronik verarbeitet wird. 4c shows the voltage curve present at the output of a pyroelectric dual-IR sensor, which is processed by the subsequent electronics.
In den Figuren 5a und 5c sind Ausführungsbeispiele des optischen Elementes 2 gezeigt. Exemplary embodiments of the
In Fig. 5a zeigt eine Vorderansicht in Prinzipdarstellung. Durch die Oeffnung 21 der Schlitzblende des optischen Elementes 2 sind die dahinterliegenden strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und das optische Filter 3 sichtbar. Fig. 5c zeigt die Lösung mit einem pyroelektrischen Single-IR-Sensor 4. 5a shows a front view in principle. The radiation-
In Fig. 5b ist die Seitenansicht dargestellt und dabei besonders gut die Krümmung des optischen Elementes 2 erkennbar. Eine vorteilhafte Krümmung verläuft dabei parallel (was natürlich konstruktiv nur bedingt realisierbar ist) zu den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42. Diese Krümmung bewirkt, dass über das gesamte Gesichtsfeld X der Oeffnung 21 der Schlitzblende der Abstand zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 und dem optischen Element 2 konstant bleibt. Daraus ergibt sich der elektrische Vorteil, dass das Verhalten des Ausgangssignals über das gesamte Gesichtsfeld X weitgehend konstant bleibt.
Gegenüber einer flachen Ausführung des optischen Elementes 2 bedeutet dies eine Vergrösserung des Gesichtsfeldes bzw. des Winkels, unter dem eine Strahlung auf den pyroelektrischen IR-Sensor gelangt. 5b shows the side view and the curvature of the
Compared to a flat design of the
In den Figuren 6a und 6b ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Elementes 2 gezeigt.A second exemplary embodiment of an
Fig. 6a zeigt die prinzipielle Anordnung des optischen Elementes 2, des optischen Filters 3, des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und der visuell vergrösserten strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42. 6a shows the basic arrangement of the
Fig. 6b zeigt an Stelle des optischen Filters 3 eine Linse 22, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderlinse ist. Die Linse 22 dient der Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit der Anordnung und dies wird dadurch realisiert, dass die Linse 22 eine grössere Menge an Strahlung auf die visuell vergrösserten strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 bündelt. Der Abstand zwischen der Linse 22 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 entspricht dabei etwa der Brennweite der Linse 22. 6b shows a
Die Linsenkrümmung der Linse 22 verläuft in etwa entlang der Kontur der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42. Dies dient zur Homogenisierung des Ansprechverhaltens bzw. zur Vergrösserung des Gesichtsfeldes X.The lens curvature of the
Fig.7 zeigt ein konstruktives Detail des Einbaus eines pyroelektrischen Sensors 4 in ein übliches Weckergehäuse, wobei es ganz besonders wichtig ist, dass der pyroelektrische IR-Sensor unter einem solchen Winkel W angebracht ist, dass das von seinem Signalfeld via optisches Gitter bestreichbare Auslösefeld vom Benutzer abgewendet ist, so dass zur Auslösung eine bewusste und gewollte Bewegung erforderlich ist und unbeabsichtigte Auslösungen vermieden werden können. Dazu ist auch erforderlich, dass die Schlitzblende assymmetrisch zur Aufnahme des pryroelektrischen IR-Sensors angeordnet ist. 7 shows a constructive detail of the installation of a
Fig. 8 zeigt die elektronischen Details der Auswerteschaltung des Ausführungsbeispiels. Am Eingang der Schaltung liegt der pyroelektrische IR-Sensor 4. Diese Schaltung weist zudem einen (s.Fig.2b) FET-Vorverstärker 48 auf. Ein erster Ausgang 45 bildet dabei den Drainanschluss des FET-Vorverstärkers 48 und ein zweiter Ausgang 46 den Sourceanschluss des FET-Vorverstärkers 48.
In der Schaltung ist der Drainanschluss dann über einen ersten Widerstand 44 mit der Versorgungsspannung U verbunden. Der Sourceanschluss ist über einen zweiten Widerstand 54 mit der Masse 0 verbunden. Parallel zum zweiten Widerstand 54 liegt eine Kapazität 53. Auch diese Beschaltung dient zur Spannungsverstärkung bezüglich des Anschlusspunktes A. -Gegenüber einer bekannten Source-Follow-Schaltung, die bekanntlich nur eine Stromverstärkung bewirkt, wird die Leistungsverstärkung des Vorverstärkers durch diese Massnahme um Grössenordnungen verbessert.-
Zudem unterdrückt diese Art der Schaltung niedrige Frequenz- und Gleichstromanteile, d.h. es werden vorzugsweise die gewünschten Frequenzanteile verstärkt. 8 shows the electronic details of the evaluation circuit of the exemplary embodiment. The
In the circuit, the drain connection is then connected to the supply voltage U via a
In addition, this type of circuit suppresses low frequency and direct current components, ie the desired frequency components are preferably amplified.
Das Bandpassfilter 5 ist aus den RC-Gliedern, einer zweiten Kapazität 51, einem dritten Widerstand 52, einer dritten Kapazität 53, einem vierten Widerstand 54 und einer vierten Kapazität 55 und einem fünften Widerstand 56 gebildet. Diese RC-Glieder bilden eine Bandpasscharakteristik, deren untere Grenzfrequenz durch das RC-Glied (zweite Kapazität 51, dritter Widerstand 52) und deren obere Grenzfrequenz durch das RC-Glied (dritte Kapazität 53, vierter Widerstand 54) bestimmt wird. Dabei ist die untere bzw. obere Grenzfrequenz auf die zuvor beschriebene Modulation des Eingangssignals abgestimmt. Durch diese Massnahme wird die Selektion der gewünschten Signale -beispielsweise resultierend aus einer Handbewegung- weiter begünstigt und damit die Ansprechzuverlässigkeit erhöht.The
Eine solche Bandpasscharakteristik liegt entsprechend der Dimensionierung des optischen Elementes 2 etwa bei 2-20 Hz.Such a bandpass characteristic is approximately 2-20 Hz in accordance with the dimensioning of the
Der dem Bandpassfilter 5 nachgeschaltete Verstärker 6 umfasst in der vorliegenden Schaltung einen Operationsverstärker 61. Der Verstärker 6 ist dann mit dem Schwellwertdetektor 7 verbunden, der -wie schon vorgehend erwähnt- sowohl auf positive, als auch auf negative Impulse anspricht. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von pyroelektrischen Dual-IR-Sensoren notwendig, weil je nach Bewegungsrichtung der Strahlungsquelle 1, erst ein positiver oder erst ein negativer Impuls erzeugt werden kann.
Die Schwellwertspannung wird dabei durch einen sechsten Widerstand 71 und einen siebten Widerstand 72 sowie einen achten Widerstand 73 und einen neunten Widerstand 74 definiert.
Ein erster Transistor 76 und ein zweiter Transistor 77 sind im Schwellwertdetektor polaritätsverschieden geschaltet, d.h. ist beispielsweise der erste Transistor 76 ein pnp-Typ, so ist der zweite Transistor 77 ein npn-Typ. Das Verhältnis des sechsten Widerstandes 71 und des siebten Widerstandes 72 bzw. das des achten Widerstandes 73 und das des neunten Widerstandes 74 werden so bestimmt, dass bei fehlendem Signal am Eingang C die Spannungen über den Widerständen 74 und 71 kleiner sind als die Basisdurchbruchspannungen der Transistoren 76 und 77.
Somit sperren bei fehlendem Eingangssignal beide Transistoren. Trifft hingegen ein positiver Impuls am Eingang C des Schwellwertdetektors 7 ein, so wird der zweite Transistor 77 leitend und schaltet am Ausgang D auf die nachfolgende Stufe. Trifft aber ein negativer Impuls am Eingang C des Schwellwertdetektors 7 ein, so wird der erste Transistor 76 leitend und versetzt damit auch den zweiten Transistor 77 in leitenden Zustand. Somit wird also -in beiden zuvor beschriebenen Fällen- ein Signal an die Zeitsteuerungseinheit 8 abgegeben.The
The threshold voltage is defined by a
A
Thus, both transistors block when there is no input signal. If, on the other hand, a positive pulse arrives at the input C of the
Die Spannungsstabilisierung 12, gebildet aus einem zweiten Lastwiderstand 121 und einer zweiten Lastkapazität 122, stabilisiert die Versorgungsspannung U des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und des Eingangsteils des Verstärkers 6. Dies bewirkt eine sehr grosse Unabhängigkeit bezüglich der Belastungen von U. Beispielsweise kann die Speisung U von einer Batterie kommen und damit würde die Batteriespannung bei Belastung durch eine Glühlampe -ohne Stabilisierung- beträchtliche Schwankungen aufweisen. Solche Schwankungen können wegen der notwendig hohen Verstärkung des Eingangssignals zu Störungen führen und müssen damit vermieden werden.
Zudem wird angestrebt durch die Spannungsstabilisierung 12 auch das Verhalten der aus den Widerständen 44 und 54, sowie der Kapazität 53 gebildeten Schaltung bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen zu kompensieren. Dies wird also durch den zuvor erwähnten zweiten Lastwiderstand 121 und die zweite Lastkapazität 122, die zwischen die Versorgungsspannung U und Masse 0 geschaltet sind, erreicht.
Zusätzlich ist eine weitere dritte Lastkapazität 123 zwischen die Versorgungsspannung U und eine Erdung K geschaltet, womit ähnlich einer Konstantspannungsquellen-Kompensation ein ähnliches Verhalten für den pyroelektrischen IR-Sensor 4 erreicht wird.The
In addition, the
In addition, a further third load capacitance 123 is connected between the supply voltage U and a ground K, with which a similar behavior for the
Die Figuren 9a bis 9c zeigen die wesentlichen Merkmale des räumlichen Aufbaus der mechanischen Komponenten eines Ausführungsbeispiels in Form eines Weckers. Figures 9a to 9c show the essential features of the spatial structure of the mechanical components of an embodiment in the form of an alarm clock.
Das in Fig. 9a in einer Explosionsdarstellung gezeigte Weckergehäuse W enthält eine übliche Uhrenanordnung mit einem elektromechanisch ausgeführten Uhrwerk 9, (welches in der vorliegenden Figur nur durch das entsprechende Bezugszeichen angedeutet ist) und dem an der dachseitigen Fläche des Weckergehäuses W vorgesehenen optischen Element 2. Die durch Handbewegungen auszulösenden Strahlungssignale erfolgen also in diesem Ausführungsbeispiel durch Ueberstreichen des Weckers mit einer Handbewegung.The alarm clock housing W shown in an exploded view in FIG. 9a contains a conventional clock arrangement with an electromechanically designed clockwork 9 (which is indicated in the present figure only by the corresponding reference symbol). and the
Wie in Fig.9b -in einer Seitenansicht des gleichen Weckergehäuses in teilweise Prinzipdarstellung dargestellt-ist für das entsprechende Funktionieren der Anordnung vorgesehen, dass der pyroelektrische IR-Sensor 4 im Winkel W von etwa 90 Grad zur Standfläche des Gehäuses des Weckers befestigbar ist, und dass das optische Element 2 unter etwa dem gleichen Winkel über dem IR-Sensor befestigt wird.As shown in FIG. 9b - in a side view of the same alarm clock housing in a partial schematic diagram - it is provided for the corresponding functioning of the arrangement that the
Fig. 10a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bezüglich der konstruktiven Ausführung des entsprechenden Weckergehäuses und dem darin anzuordnenden Uhrwerk 9 und dem optischen Element 2. 10a shows a further exemplary embodiment with regard to the structural design of the corresponding alarm clock housing and the
Fig. 10b stellt die Seitenansicht des gleichen Ausführungsbeispiels dar und dabei ist wiederum der Winkel W, unter dem der pyroelektrische IR-Sensor angebracht ist, von ausschlaggebender Bedeutung, nämlich so, dass der hier gegen die Frontseite gerichtete Sensor nicht direkt gegen den Benutzer gerichtet ist. Durch die Orientierung der Oeffnung 21 (in dieser Fig.10b nicht speziell bezeichnet; siehe Fig.3) der Schlitzblende des optischen Elementes 2 ist die Richtung des Gesichtsfeldes X -d.h. des ansprechempfindlichen Bereiches festgelegt.
Vorzugsweise liegt dieser Bereich über der Standfläche des Weckergehäuses W. Dadurch werden Auslösebewegungen, die auf annähernd gleicher Höhe wie die der Standfläche des Weckergehäuses W oder tiefer liegen zur Auswertung nicht erfasst. Die Neigung des Empfindlichkeitsvektors bezüglich der Horizontalen verhindert Fehlauslösungen durch Bewegungen eines Schlafenden in der Nähe des Weckers. Der Elevationswinkel W des Auslösevektors beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 20 Grad. FIG. 10b shows the side view of the same exemplary embodiment and the angle W at which the pyroelectric IR sensor is attached is of crucial importance, namely in such a way that the sensor directed here against the front side is not directed directly towards the user . The orientation of the opening 21 (not specifically designated in this FIG. 10b; see FIG. 3) of the slit diaphragm of the
This area is preferably located above the standing surface of the alarm clock housing W. As a result, triggering movements which are at approximately the same height as or lower than the standing surface of the alarm clock housing W are not recorded for evaluation. The inclination of the sensitivity vector with respect to the horizontal prevents false triggering by movements of a sleeper near the alarm clock. The elevation angle W of the trigger vector is approximately 20 degrees in the exemplary embodiment.
Fig. 10c zeigt eine Frontansicht des mechanischen Aufbaus eines Weckers, dabei ist die Einbaulage des pyroelektrischen IR-Sensors 4 prinzipiell ersichtlich, insbesondere auch hinsichtlich der Standfläche des Weckergehäuses. Durch die teilweise aufgeschnittene Darstellung werden die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4 sichtbar. Die Anordnung derselben ist so, dass deren Längsachse sich parallel zur Standfläche des Weckergehäuses bewegt, d.h. die Elemente 41 und 42 sind übereinanderliegend angeordnet. Damit wird funktionell der Bewegungsrichtung eine erhöhte Empfindlichkeit senkrecht zur Standfläche zugeordnet. Bewegungen parallel zur Standfläche des Weckergehäuses W führen zu keiner Auslösung. Durch diese Massnahmen wird damit verhindert, dass eine Auslösung beim Vorbeilaufen einer Person am Wecker erfolgt. 10c shows a front view of the mechanical structure of an alarm clock, the installation position of the
In den Figuren 11a und 11b wird ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem die vertikale Anordnung des Weckers durch einen Aufbau ersetzt wird, bei dem eine gegen die Frontseite abgekrümmte Seitenwand zur Aufnahme des pyroelektrischen IR-Sensors vorgesehen ist.A third exemplary embodiment is shown in FIGS. 11a and 11b , in which the vertical arrangement of the alarm clock is replaced by a structure in which a side wall curved toward the front is provided for receiving the pyroelectric IR sensor.
Fig. 11a verdeutlicht die Anordnung des Sensors neben dem konventionellen Uhrwerk 9. 11a illustrates the arrangement of the sensor next to the
Fig. 11b verdeutlicht in einer Draufsicht die gleiche Anordnung wie in Fig. 11a die mechanisch-örtliche Lage der Komponenten und die Richtung des Auslösevektors. Der Evelationswinkel W beträgt dabei ca 45 Grad. FIG. 11b illustrates in a top view the same arrangement as in FIG. 11a the mechanical-local position of the components and the direction of the trigger vector. The leveling angle W is about 45 degrees.
Claims (10)
- An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10), with a signal detector operating in the infrared range, with an amplifier (6), and with a threshold detector (7) connected downstream of the amplifier (6), characterized in that- the signal detector is a pyroelectric infrared sensor (4),- an FET preamplifier (48) is connected thereto for current and voltage amplification,- upstream of the pyroelectric infrared sensor (4) there is a selectively acting optical element (2) by means of which a maximum of contrast is achievable between sensing operations occurring at different instants of time (ta, tc),- a band-pass filter (5) is inserted downstream of the pyroelectric infrared sensor (4) and connected to the amplifier (6),- a time evaluating circuit with timer function (8) connected to the threshold detector (7) is provided,
the band-pass filter (5) being adjustable such that its resonant frequency corresponds to the maximum possible amplification of the pyroelectric infrared sensor (4), and that the selectively acting optical element (2) and the pyroelectric infrared sensor (4) are arranged in an approximately horizontally extending cover of a housing (30) parallel to the housing cover. - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to claim 1,
characterized in that the selectively acting optical element (2) is a slotted diaphragm (21). - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to claim 1,
characterized in that the selectively acting optical element (2) is a cylindrical lens (22). - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the preceding claims,
characterized in that a temperature-selective optical filter (3) is inserted downstream of the selectively acting optical element (2). - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the preceding claims,
characterized in that the pyroelectric infrared sensor (4) employed is a dual infrared sensor. - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the preceding claims,
characterized in that the FET circuit (48) is configured such that the A.C. amplification is greater than the D.C. amplification. - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the preceding claims,
characterized in that the threshold detector is formed by two transistors (76, 77) of opposite polarity, their respective bases being connected through a respective voltage divider between the input and a first reference voltage and, respectively, between the input and a second reference voltage, their emitter polarity corresponding to the polarity of the reference voltage. - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the preceding claims,
characterized in that the timer (8) is connected through the clockface illuminating device (10) to a light sensor (13) enabling activation of the illumination to be inhibited. - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the claims 1 to 8, comprising a housing (30) and a mechanical or electronic clockwork (9),
characterized in that the selectively acting optical element (2) is mounted in the housing (30) in such fashion that the release motions generate a maximum of signal energy in the radiation-sensitive elements (41, 42) of the pyroelectric infrared sensor (4). - An alarm or radio-calibrated clock including a circuit arrangement for shutting off an alarm signal and/or for temporarily activating a clockface illuminating device (10) according to any one of the claims 1 to 9, comprising a housing (30) and a mechanical or electronic clockwork (9),
characterized in that the selectively acting optical element (2) is comprised of a slotted diaphragm with a centrally symmetrical aperture (21) admitting radiation to a single radiation-sensitive element (41, 42) of the pyroelectric infrared sensor (4) in dependence upon the location of the release action and the size of the object causing the release.
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