CN101299287A - 带发光二极管的危险报警器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有对物理量敏感的传感器以及信号处理电路的危险报警器，该信号处理电路在报警状态下在输出端(PIN 1)上产生用于控制电路的电压，该控制电路本身控制半导体开关(T1)，使得设置在该半导体开关的负载电路中的LED获得电流脉冲的快速序列，从而LED表现为持续地发光，当控制电路包括晶体管(T2)时尤其省电，该晶体管的集电极一方面通过电阻(R2)与信号处理电路的输出端(PIN 1)相连接，而另一方面根据存在于晶体管(T2)基极上的与电流成比例的电压提供用于半导体开关(T1)的时钟脉冲控制信号。

Description

带发光二极管的危险报警器
技术领域
本发明涉及一种如在权利要求1和6的前序部分中所述类型的危险报警器。
背景技术
由DE-A-10 2004 036 743中已知这种类型的报警器。简而言之，该报警器的信号处理电路在报警状态下或在通过(控制)中心触发的测试运行中激活明亮的LED(发光二极管)。由于仅可提供有限的电源功率，LED将以例如1Hz的闪光节拍和在大约30ms范围内的很短的“接通”(“EIN”)-时间工作，并且还在该“接通”-时间内例如以在每个200μs的脉冲周期内20μs的脉冲持续时间以快速的脉冲序列接通和断开。然而在一些国家存在这样的规定，即报警器自身的发红光的LED在报警情况下必须持续地并以比例如在火灾报警器中基本已知的LED的亮度高得多的亮度发光，该火灾报警器中的LED仅用于显示工作状态(例如静止、测试和报警)。
虽然根据现有技术的特别是红色的LED已发展成例如在3mA情况下具有符合前述要求的、足够高的光强度。但是为报警器设计有通常的控制中心和连接在这些控制中心上的具有例如最多256个报警器(LED)的信号线，这些报警器在18至19V的线电压下在静止状态或备用状态下耗电约100μA。带有这种LED的报警器在报警状态下消耗约3mA，于是线电压下降得非常明显，以至于只有少量位于控制中心附近的报警器能工作。因此适宜的是，LED虽然能持续地但按照由上述DE-A-10 2004 036 743已知的接通原理工作，因为人眼能察觉到该快速脉冲序列和持续光一样。有例如19V的线电压、1.6V的LED的导通电压和理想的电路调节器(具有100％的效率)出发，报警器理论上只耗用约250μA的电流。然而实际的耗用电流高得多，这不仅是由于主要包括半导体开关、电感和自振荡二极管的电路调节器的效率，而且主要是由于控制电路的耗用电流，需要该控制电路特别是用于将通过LED的峰值电流限制到允许的最大值上。在已知报警器中，该控制电路特别是包括运算放大器，该运算放大器在各脉冲期间具有约1mA的耗用电流。在已知的报警器中，该电流消耗是可以接受的，一方面由于LED总是以几百毫安的电流工作，另一方面而且主要是由于运算放大器只在约30ms的很短的“接通”-时间内工作，而在接下来的约970ms的间歇期间没有电流。而对于其LED尽管如此仍应当在报警状态的持续时间内持续发光的报警器来说，已知报警器的控制电路这种附加的电流消耗是不可接受的，因为其耗用电流由此在报警状态下会增加到约1.5mA，导致每条信号线可使用的报警器的数量会大大下降。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在权利要求1的前序部分中所述类型的危险报警器，该危险报警器的LED在报警情况或测试状态下在尽可能少地增加报警器耗用电流的情况下给人以LED持续发光的印象。
根据本发明，解决上述目的的第一方案设想，控制电路包括一晶体管，该晶体管的集电极一方面通过电阻与信号处理电路的输出端相连接，另一方面根据施加在晶体管基极上的与电流成比例的电压来提供用于半导体开关的时钟脉冲/节拍(getaktet)控制信号。
该解决方案的核心在于，用单个晶体管代替已知报警器的控制电路的运算放大器，该晶体管在报警情况下从信号处理电路(通常为微控制器)获得馈电电压，但本身首先保持截止，由此存在于其集电极上的馈电电压使半导体开关导通，直到在负载电路中流动的电流在电流敏感电阻上产生作为晶体管的基极电压使晶体管导通的电压，由此在晶体管的集电极上的电压下降到某个值，在该值时半导体开关再次断开。在负载电路中的电流由此以基本上由电感值确定的时间常数开始衰减之后，该晶体管再次处于截止状态，从而由信号处理电路提供的馈电电压重新使半导体开关导通。
在参数合适的情况下，所述控制电路在报警状态下在例如9V至18V的供电电压或输入电压范围内具有小于500μA的耗用电流，即小于上面所述报警器控制电路的耗用电流的一半，该报警器的LED按照开头所述报警器的原理工作，但在报警状态下持续工作而不是闪光工作。
在具有权利要求6的前述部分的特征的危险报警器中，实现上述目的的另一解决方案在于，信号处理电路的输出端与半导体开关的控制输入端以及与控制晶体管的集电极相连接，电流敏感电阻连接在半导体开关前面，在电流敏感电阻上降低的、与电流成比例的电压控制该控制晶体管。
该第二解决方案的核心在于，不同于第一解决方案，电流敏感电阻不再设置在负载电路中而是连接在半导体开关前面。因此电流敏感电阻不再在负载电路中的整个电流流动时间期间通过电流，而是只在电感充电/加载时间期间，亦即在半导体开关导通期间通过电流。所述电路流动时间(在该解决方案和第一解决方案中均)与输入电压近似成反比，也就是说，随着输入电压降低而延长。根据输入电压的不同，根据第二解决方案的报警器的耗用电流与根据第一解决方案的报警器的耗用电流相比最多减小约40％。
从属权利要求7至9的内容是用于改善电路特性的措施。
通过根据权利要求10所述的实施形式实现了，在低于预定输入电压的情况下控制电路不再被激活。
由按照权利要求11所述的实施形式实现了，只要信号处理电路提供启动信号/释放信号(Freigabesignal)，控制电路可以以较小耗用电流自激振荡。
附图说明
下面按照附图说明本发明，附图中示出了根据本发明的用于本身已知类型的危险报警器的LED控制电路的两个示例性的实施形式，该报警器与控制中心通信并从该控制中心或由装入的蓄电池中得到其供电电压，以及包括至少一个对物理量敏感的传感器和一信号处理电路，该信号处理电路在报警器的报警状态下在输出端产生电压或用于LED控制电路的启动信号。
图1示出对应于根据本发明的第一解决方案的LED控制电路；以及
图2示出对应于根据本发明的第二解决方案的LED控制电路。
具体实施方式
根据图1的电路在接线端A1上获得等于例如9至18V之间的线电压的正供电电压或输入电压。接线端A2接地。A1和A2之间串联有PNP开关晶体管T1、电感L1、低电流LED和电流敏感电阻R1。与由L1和LED组成的串联电路相并联有自振荡二极管D1。
一未示出的形成同样未示出的报警器的信号处理电路的微处理器还具有示出的PIN1，该PIN1在静止状态或备用状态下具有约0V的L(低)电平并而在报警器的测试状态或报警状态下具有例如+3.3V的H(高)电平。NPN晶体管T2的集电极通过电阻R2连接在所述的PIN 1上。T2的发射极接地。T2的基极通过电阻R3连接在LED和电流敏感电阻R1之间的连接点上。T2的集电极通过电阻R4与另一NPN晶体管T3的基极相连接，该晶体管T3的发射极同样接地，而其集电极通过电阻R5与开关晶体管T1的基极相连接，该基极还通过电阻R6与发射极相连接。T3的基极通过高阻值的电阻R7接地，并通过箝位二极管D2与开关晶体管T1的集电极和电感L1的共用接线端相连接。
电路工作如下：
只要在PIN 1上存在L＝0V，T2就无电流。T3由于R7而阻断。因此T1也通过R6而阻断。
一旦PIN 1达到H＝3.3V，T3就通过R2和R4进而还有T1通过R5导通。T2最初通过R3和R1保持阻断。在此期间，在负载电路L1、LED和R1中出现线性增加的电流，使得LED开始发光。该电流通过R1产生成比例的电压。一旦该电压等于T2的基极/发射极电压，即约等于0.6V，T2就导通，使得T3进而以及T1阻断。所述负载电路中的电流因为L1而通过D1按指数规律衰减。对应于D1的导通电压，在此阶段D1的阴极进而以及D2的阴极也约为-0.6V，由此T3的基极被箝位在该电势上，并且T3因此保持阻断，直至所述负载电路中的电流完全衰减掉。负载电路中的电流衰减之后，D2重新处于阻断状态，因此不变地存在于PIN 1上的H电平使T3重新导通。
以在图1中给出的L1＝10mH的值和18V的供电电压，负载电路中的电流大约4μs后达到约5mA，相应地，R1上的电压约为0.6V，因而T2导通，并且T3和T1因此阻断。约23μs之后，负载电路中的电流衰减。由此产生约37kHz的开关频率/切换频率(Schaltfrequenz)，通过LED的电流达到约3mA的平均值。当供电电压下降时，基本上仅使至达到负载电路中的峰值电流的时间延长，此时T2导通，T1由此阻断。因此，LED的亮度在很宽的界限内与供电电压无关。
为了保持包括具有所述LED控制电路的报警器的火灾报警装置的功能性，必须确保在低于预定的供电电压最小值的情况下使LED控制电路停用。这通过确定R5与R6比值的大小来实现。利用在电路图中给出的参数大小和等于0.6V的T1的基极/发射极电压得到约7.1V的关断电压。
电路的平均耗用电流在18V的供电电压下将近为500μA，而在9V的供电电压下约为600μA。
通过使用具有比给定的10mH大的，亦即例如为20mH的值的电感，能够因为较小的开关频率而提高效率并由此使转换损耗的比例减小。
原则上也可以不用D2。这样，一旦负载电路中的电流衰减至使T2重新阻断，T1便会再次导通。因此L1中储存的能量不会被完全使用。同时转换损耗会增大。在没有D2的情况下，代替在报警状态期间的恒定的H电平，也可在PIN 1上提供相应的时钟脉冲信号来，该时钟脉冲信号的脉冲间歇必须足够长，从而在负载电路中此前的电流脉冲衰减之前避免由于T1导通而使LED过载。
在按照图1的LED控制电路中，电流敏感电阻R1始终位于负载电路中，也就是说，在电流脉冲衰减期间也消耗能量，尽管只在电流增大期间需要R1。根据图2的LED控制电路避免了该缺点，因而在LED的同等亮度或光强度的情况下进一步降低了控制电路的平均电流消耗。
具有与图1中部件的功能相同功能的部件设有相同的附图标记，不再说明。与图1不同的是，电流敏感电阻R1位于供电电压接线端A1和开关晶体管T1的发射极之间。PIN1上的电平通过R8到达晶体管T4的基极，使得该晶体管T4在PIN1上为H电平时导通。在T4的发射极支路中设有限流电阻R9，该限流电阻用小的电容器C1跨接，以使转换加速。T4的集电极通过齐纳二极管D3与开关晶体管T1的基极相连接，使得T1接通。如果PIN1为T1提供足以接通T1的基极电流，则T4能略去。可用一电阻代替D3(其功能下文解释)。负载电路L1、LED中电流的增大导致电流敏感电阻R1上的电压降低。该电压降低作为基极/发射极电压加在控制晶体管T5上，该控制晶体管的集电极与T1的基极相连接。一旦负载电流到达其例如也为5mA的预定值(对应于R1上0.6V的电压)，T5将导通并由此阻断T1。该关断过程通过在T5基极和T1集电极之间的小电容C2而显著加速。
除此以外，按照图2的LED控制电路的功能与按照图1的LED控制电路相同。特别是这里箝位二极管D2也确保，只要在PIN 1上存在H电平，控制电路便在极低的能量消耗下自激振荡。在该实施形式中，LED的亮度也与供电电压无关。
在低于预定的供电电压时齐纳二极管D3使控制电路停用。该关断电压在所给参数大小中由3.3V的H电平减去T4的基极/发射极电压加上D3的齐纳电压加上T1的基极/发射极电压计算得出，即3.3V-0.6V+4.7V+0.6V＝8V。也就是说，可以通过选择D3的齐纳电压而非常简单地调节关断电压。
在该实施形式中，LED控制电路的平均耗用电流在18V电压下约为280μA，而在9V电压下约为520μA，从而在LED亮度相同的情况下，本实施形式的功率消耗比图1所示情况在18V的供电电压下低约40％，而在9V的供电电压下低约10％。

Claims (11)

1.一种危险报警器，特别是火灾报警器或防盗警报器，该危险报警器或者通过双股导线或者无线地与控制中心通信，该危险报警器的供电电压通过所述双股导线从控制中心或由装入的蓄电池获得，并且该危险报警器包括至少一个对物理量敏感的传感器以及信号处理电路，该信号处理电路主要在报警器的报警状态下在输出端(PIN 1)上产生用于控制电路的电压，该控制电路的输出端与一半导体开关(T1)的控制输入端相连接，在该半导体开关的负载电路中设有与由电感(L1)和LED以及用于产生与电流成比例的电压的电流敏感电阻(R1)组成的串联电路相并联的自振荡二极管(D1)，所述电压施加在控制电路的输入端上，以在该控制电路的输出端产生用于半导体开关(T1)的时钟脉冲控制信号，该半导体开关的负载侧的接线端通过箝位二极管(D2)与控制电路的输出端相连接，其特征在于：所述控制电路包括晶体管(T2)，该晶体管的集电极一方面通过电阻(R2)与信号处理电路的输出端(PIN 1)相连接，另一方面根据存在于晶体管(T2)的基极上的与电流成比例的电压提供用于半导体开关(T1)的时钟脉冲控制信号。
2.根据权利要求1所述的危险报警器，其特征在于：所述晶体管(T2)的集电极与另一晶体管(T3)的基极相连接，该晶体管(T3)的集电极与半导体开关(T1)的控制输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的危险报警器，其特征在于：在所述另一晶体管(T3)的基极和半导体开关(T1)与电感(L1)间的连接点之间设有箝位二极管(D2)，该箝位二极管使所述另一晶体管(T3)保持在截止状态下，直到包括电感(L1)、LED和自振荡二极管(D1)的负载电路中的电流衰减掉。
4.根据权利要求2或3所述的危险报警器，其特征在于：所述半导体开关包括晶体管(T1)，该晶体管的基极作为控制输入端通过电阻(R5)与所述另一晶体管(T3)的集电极相连接，而通过另一电阻(R6)与该晶体管(T1)的发射极通相连接；这样来选择电阻(R6，R5)的比值，即，使得所述开关晶体管(T1)在供电电压小于预定的下限值时保持截止，以总体上停用电路。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的危险报警器，其特征在于，所述箝位二极管(D2)连接所述另一晶体管的基极。
6.一种危险报警器，特别是火灾报警器或防盗警报器，该危险报警器或者通过双股导线或者无线地与控制中心通信，该危险报警器的供电电压通过所述双股导线从控制中心或由装入的蓄电池获得，并且该危险报警器包括至少一个对物理量敏感的传感器以及信号处理电路，该信号处理电路主要在报警器的报警状态下在输出端(PIN 1)上产生用于控制电路的电压，该控制电路的输出端与半导体开关(T1)的控制输入端相连接，在该半导体开关的负载电路中设有与由电感(L1)和LED组成的串联电路相并联的自振荡二极管(D1)，其中电流敏感电阻提供与电流成比例的电压，该电压确定用于所述半导体开关(T1)的控制信号的周期，箝位二极管(D2)使所述半导体开关(T1)一直保持阻断，直到负载电路中的电流衰减掉，其特征在于：所述信号处理电路的输出端(PIN 1)与所述半导体开关(T1)的控制输入端以及与控制晶体管(T5)的集电极相连接；在半导体开关(T1)的前面连接有电流敏感电阻(R1)；所述与电流成比例的电压控制控制晶体管(T5)。
7.根据权利要求6所述的危险报警器，其特征在于：所述信号处理电路的输出端(PIN 1)与晶体管(T4)的基极相连接，该晶体管的集电极与半导体开关(T1)的控制输入端以及控制晶体管(T5)的集电极相连接。
8.根据权利要求7所述的危险报警器，其特征在于：所述晶体管(T4)在集电极基极电路中工作；与该晶体管的发射极电阻(R9)并联地设有正反馈电容器(C1)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的危险报警器，其特征在于：所述控制晶体管(T5)的基极通过正反馈电容器(C2)与半导体开关(T1)的输出端相连接。
10.根据权利要求6至9中的一项所述的危险报警器，其特征在于：所述半导体开关(T1)的控制输入端的前面连接有齐纳二极管(D2)。
11.根据权利要求7至9中的一项所述的危险报警器，其特征在于：所述箝位二极管(D2)连接晶体管(T3)的基极上。
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