CN103683926B - 防护安全帽的通信系统中的供电电路、防护安全帽和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“防护安全帽的通信系统中的供电电路、防护安全帽和方法”。本发明涉及防护安全帽的通信系统中的供电电路(28)，供电电路(28)用于从与防护安全帽关联的能量源(30，32)向通信系统馈电，其中供电电路(28)包括升压变流器(44)，升压变流器(44)用于更好地利用由能量源(30，32)供应的电能，并且此外还涉及具有用于向防护安全帽所包括的通信系统馈电的这样的供电电路(28)的防护安全帽以及用于运行这样的供电电路(28)的方法。

Description

防护安全帽的通信系统中的供电电路、防护安全帽和方法
技术领域
本发明涉及保护设备中的供电电路，该保护设备根据面罩或全面罩、防毒面具的类型，以及根据头盔或逃生头罩(如其由例如消防队员来应用)的类型下面有时还简称防护安全帽。尤其是本发明涉及这样的防护安全帽的通信系统中的供电电路并且此外还有具有这样的供电电路的防护安全帽以及用于运行这样的供电电路的方法。
背景技术
消防队或类似的特别行动人员面临不同的情形。范围从关于救火的技术援助一直延伸到危险品处置。在此，需要用于人员保护的不同组件。通过例如结合压缩空气呼吸器或者循环呼吸装置使用全面罩(呼吸全面罩)来在救火时应用更加重量级的呼吸防护。
除了对烟中毒或诸如此类的防护以外，还通过适合的通信来指示特别行动人员。在行动中根据需要单独或者以二人团队工作。与行动负责人的通信和队伍内的通信对于顺利的行动是绝对必要的。已知应用模拟或数字无线电装置。用手持式无线电装置对工作的明显改善提供了无线电装置以头戴式受话器解决方案的形式在相应防护安全帽中的集成。这例如从美国5463693 B中已知。在此，在面具中集成用以接受语音信号的麦克风并且借助于用作耳机的扬声器再现接收的语音信号。
在防护安全帽中的这样的通信系统中的问题在于：对可随身携带的能量源的需求，该能量源大多数情况下以原电池(即不可再充电电池)的形式设计。根据系统的能量需求，运行时间可达到大约八小时。因此，对于这样的防护安全帽的用户(特别是消防员)以及装置维护者产生了大量的工作和检查花费，这是因为必须鉴于相应充电状态定期检查这样的通信系统的能量源并且必要时应用新电池。
发明内容
以现有技术为出发点，本发明的任务在于，给出可在上面定义类型的防护安全帽中使用的供电电路，其允许延长基于该供电电路的通信系统的运行持续时间并且因而在使用相应防护安全帽的情况下延长行动并且延长维护周期。
根据本发明，该任务通过如下所述的特征的开始提及的类型的设备来解决。为此，在防护安全帽的通信系统中布置的供电电路用于从与防护安全帽关联的能量源来向通信系统馈电的情况下，设置有由供电电路所包括的升压变流器(Hochsetzsteller)，其中所述升压变流器被构造成在所述能量源的另外放电范围上通过对所述升压变流器的相应控制产生用于向所述防护安全帽的所述通信系统供电的预定供电电压，其中所述的另外放电范围是指超出在作为所述能量源的一个或多个电池处直接量取供给电压时的放电范围的放电范围。
升压变流器本身是已知的。因此，从GB2336955A中知道将升压变流器用于便携电子装置(例如便携移动无线电装置)，其中升压变流器使相应电子装置的电池中存储的电功率的更好利用成为可能。
至今为止还不知道在用于向防护安全帽的通信系统馈电的供电电路中升压变流器的使用。本发明的优点在于，可能通过在这样的供电电路中使用升压变流器来延长通信系统的运行持续时间并因此还延长行动时间。此外，连同在与防护安全帽关联的能量源(特别是电池或者蓄电池)中存储的电能的更好利用一起，还得出待清理电池的更少产量以及用于检查相应能量源的更长维护周期的可能性。
本发明的有利的扩展方案在下文给出。
在供电电路的实施方式中规定：该输出侧具有电压限制装置。该电压限制装置限制在供电电路的输出端处出现的最大电压并且以这种方式防止火花形成或诸如此类并从而用于有效地避免爆炸危险。
考虑齐纳二极管或多个齐纳二极管的并联电路作为电压限制装置。众所周知，齐纳二极管在击穿电压之上也在原始阻塞方向上导通，使得在通过升压变流器产生的过高输出电压的情况下所得到的电流能够经单个或多个齐纳二极管流走并且因此输出电压有效降低到允许的并鉴于爆炸危险并非临界的度量。在可选的多个齐纳二极管的情况下，它们彼此之间并联联接并因此作为冗余电压限制装置起作用。以这种方式可以避免：齐纳二极管的故障或容差影响或阻碍其作为电压限制装置的有效性。至少能够大大地降低由于此类故障产生的功能故障的概率。例如，在阻塞方向上也持久地高阻抗的齐纳二极管将不能作为电压限制装置起作用。如果在具有至少一个正常工作的齐纳二极管的并联电路中存在这样的有缺陷齐纳二极管，则尽管从中包括有缺陷齐纳二极管但是该并联电路可以实现作为电压限制装置的功能。在这样的作为电压限制装置工作的并联电路中接受越多冗余齐纳二极管，则在危险情况下电压限制装置的有效性不存在的概率越小。
在供电电路的实施方式中规定，该供电电路在输入侧-即从电压源看去在升压变流器之前-具有一个或多个反向二极管(Inversdiode)。所述至少一个反向二极管起作用，以便在打开升压变流器的开关元件时限制由于出现的自感产生的线圈上的电压升高。简单来说，如果不考虑至少一个反向二极管上的电压降，则可以确定：该反向二极管或者每个反向二极管导致：一个或多个反向二极管和线圈的接触点处的电势不能下降到地电势之下。因而升压变流器的输入端处的电压得到有效限制。该限制确保：在开关元件开关时发生的自感和因此带来的电流流动不会导致临界情况，特别是在有爆炸危险的环境不会导致点燃。可能多个在并联电路中彼此组合的反向二极管(如已经在上面相对于电压限制装置描述的)合适于即使在有单个或者多个有缺陷反向二极管的情况下也确保通过一个或多个反向二极管给出的保护线路的有效性。如果例如在两个反向二极管的并联电路中两个反向二极管之一在导通方向上也是高阻抗的，则单个这样的有缺陷反向二极管不能确保在升压变流器的输入端处的定义电势。如果在该并联电路或者在具有另外的反向二极管的并联电路中，其中至少一个反向二极管正确工作，则总体上给出该保护线路的作用。
在供电电路的另外的实施方式中，在该反向二极管或者每个反向二极管(一方面)和升压变流器(另一方面)之间设置热熔断器(Thermosicherung)。由此抑制升压变流器的开关的辉光可燃性(Glimmzündfähigkeit)。热熔断器在此良好地热耦合到升压变流器的开关元件并且在开关元件过热时对应地跳闸(ausloesen)。
在供电电路的又一实施方式中规定：其具有用于量取相应输出电压的多个分别单独阻性保护的量取位置。这样的量取位置能够连接上独立的电流回路并且量取分别相同或不同的输出电压。通过单独阻性保护相应量取位置，可以省却中心阻性保护(zentrale resistive Absicherung)(例如在能量源和升压变流器之间)。通过这种方式，给出如下可能性：从相应能量源汲取还要更高的功率。
在供电电路的实施方式中规定：供电电路被围绕或嵌入在将其全面包围的壳体(特别是填注介质(Vergussmedium))中。这避免了与可能的有爆炸危险的环境的每个接触。
上面提及的任务还将使用开始提及的类型的防护安全帽来解决，该防护安全帽具有通信系统，该通信系统带有用于通信系统的与防护安全帽关联的能量源，其方式是：通信系统包括如这里和下面描述的用于从能量源向通信系统馈电的供电电路。
因为开始定义类型的防护安全帽衰减特定高频语音部分，所以可以通过适当定位麦克风(也就是说在压缩空气呼吸器的连接端的区域，即直接在防护安全帽的佩戴者的嘴巴之前)，达到明显更好的语音清晰度。防护安全帽的实施方式因而以在压缩空气呼吸器的连接端区域定位的麦克风为特征。
上面提及的任务同样利用用于运行这里和下面描述的供电电路的方法来解决，其方式是：在运行具有由其所包括的升压变流器的供电电路时，在能量源持续放电时通过在能量源的另外放电范围上对应地控制升压变流器产生预定供给电压，用于向防护安全帽的通信系统供电。在此，超出在相应能量源(即，尤其是一个或多个电池)处直接量取供给电压时的放电范围的放电范围理解为另外放电范围。
下面根据图形详细说明本发明的实施例。相互对应的对象或元件在所有图形中设有相同的附图标记。
该实施例或者每个实施例并非作为对本发明的限制来理解。相反在本公开的框架内变化和修改是有可能的，特别是这样的变体和组合：其对于本领域技术人员来说考虑到解决任务可例如通过组合或变换各个结合一般或特定描述部分中所描述以及包含在本申请中的特征或者元件或方法步骤来得到，并且其通过可组合特征导致新对象或者新方法步骤或方法步骤序列，以及它们一般还涉及检查和工作方法。
附图说明
图1是作为防护安全帽的示例的全面罩，
图2是由防护安全帽所包括的通信系统的框图，
图3是供电电路，
图4是两个串联联接的电池的放电曲线，
图5是用于图2中示出的类型的通信系统的、根据本发明的供电电路的实施方式，以及
图6是根据图5的供电电路的另外和补充的实施方式。
具体实施方式
图1示出作为防护安全帽10的示例的所谓全面罩，如本文在前面部分(Vordergrund)提出的。在防护安全帽10中，(也就是说在防护安全帽10的外轮廓)集成了这里以及下面简称为通信系统12(图2)的面具通信系统(Maskenkommunikationssystem)。扬声器14作为通信系统12的构件位于防护安全帽10的一侧或两侧上。此外，可看出耳机16(如果必要的话还可以设置两个耳机)，该耳机可以在防护安全帽10的佩戴者的耳朵处再现战术无线电装置(taktisch Funkgerät)18(图2)的信号。到无线电装置18(其由防护安全帽10的佩戴者以合适方式和方法随身携带，例如在腰带上)的连接借助于线缆20来实现并且用于接受语音信号的麦克风22位于面具内部直接在防护安全帽10的佩带者的嘴巴前面压缩空气呼吸器(未示出)的连接端24的区域中。由麦克风22接受的语音信号经由该扬声器14或每个扬声器14输出并且/或者经由无线电装置18转发到另外的无线电装置并且从那里例如转发到另外的特别行动人员的防护安全帽10。
另外，图2示出由防护安全帽10所包括的通信系统12的框图，通信系统12具有两个扬声器14(即分别是至少转向外的扬声器14和耳机16)和麦克风22，以及经由线缆20与通信系统12相连的无线电装置18。
电装置(其在救火或在其他危险情况下作为附件应用)通常如此构造，使得在故障情况下不存在其将易燃环境带入爆炸的危险。为了最佳地保护防护安全帽10的佩戴者，必须以如下为前提：可能出现最不利条件，因而还可出现通信系统12中的故障情况。
电池(如其通常在这样的系统中应用的那样)绝对具有大量电能释放的危险，这会立即导致点燃可爆炸的环境。因此可获得的电能通过无源电组件(即至少一个电流限制电阻器26)来限制，如其在图3中根据具有两个串联联接的电池(原电池)30、32的供电电路28简化示出的那样。除了电流限制电阻器26之外，供电电路28还可以包括熔断器34。如果供电电路28一方面包括一个或多个欧姆电流限制电阻器26并且另一方面包括熔断器34，这两个元件产生阻性电流限制(即一方面通过熔断器34(F1)的内电阻并另一方面通过电流限制电阻器26的欧姆电阻(R1))。熔断器34在此限制在通信系统12中流动的平均电流，并且防止会导致辉光燃烧的过度变热。
然而在用电池30、32或诸如此类作为与防护安全帽10关联的或者可与防护安全帽10一起携带的能量源15进行能量供给时，以下问题特别明显：通信系统12的电子组件仅在一定电压之上才可靠(verlässlich)工作。为了例如确保扬声器14的放大器(未示出)的功能，电池电压必须大于2.3V，使得扬声器14的大约1W的放大器功率还是可能的。
然而，在部分放电后在剩余电池电压为2.3V、就是说在放电的对运行通信系统12临界的点上，所应用的电池30、32还有超过其化学键能的三分之一。对于消防队员以及环境，这意味着电池30、32必须显著在其寿命终止前替换，由此产生了高成本。此外，语音放大器的性能(Leistungsfähigkeit)在该临界点之上就已经明显下降，这是因为放大器以之运行的最大电压持续下落并且因此减小了语音放大率。
图4根据AAA类型的两个串联联接的电池30、32(原电池)的放电曲线36说明了该方面。在此，在横坐标上以从0％到100％的百分比来标出(abtragen)放电深度(Entladetiefe)。在纵坐标上标出可在两个原电池的串联电路上分别量取(abgreifen)的、以伏特为单位的电压。在放电曲线36上突出示出第一、第二和第三工作点38、40、42。第一工作点38标记两个原电池的如下放电：其中在其串联电路上还可量取2.5V的总电压。如果这为通信系统12运行的最小电压，则能够仅利用在原电池中化学存储的电能的大约30％。第二工作点40标记两个原电池的如下放电：其中在其串联电路上还可量取2.3V的总电压。如果这为通信系统12运行的最小电压，则毕竟能够利用在原电池中化学存储的电能的大约63％。但是，此外还有所存储电能的三分之一仍然未被使用。第三工作点42标记两个原电池的如下放电：其中在其串联电路上还可量取2V的总电压。如果这为通信系统12运行的最小电压，则能够利用在原电池中化学存储的电能的差不多所有，即超过90％。
然而事实上运行通信系统12必需的最小电压并非可以容易地影响。本发明相应提出，更好地利用电池30、32供应的电能。
利用供电电路28实现这一点，供电电路28如在图5中示出的一样。供电电路28包括作为主要构件的基本上本身已知的升压变流器44，升压变流器44具有线圈46(L1)、开关元件48(SW)(特别是根据晶体管或MOSFET晶体管类型的电子开关元件48)以及电容器50(C1)。与线圈46串联的是空载二极管52(D1)。开关元件48连接到线圈46和空载二极管52之间的中间抽头(Mittelabgriff)。
通过在运行升压变流器44时电容器50存储并合计由线圈46所供应的电能，实现输出电压的升压。线圈46通过开关元件48重复地、特别是周期性地连接到地。因此，在线圈46上施加输入电压，也就是电池30、32供应的电压。通过线圈46的电流上升并且因此在磁场中存储的能量上升。一旦开关元件48打开，线圈46的自感就引起电流流动持续。在线圈46的输出侧端处的电压非常快地上升，直到其超过施加在电容器50上的电压并且空载二极管52打开为止。之后电流首先不变化地进一步流动并且进一步对电容器50充电。在此线圈46的磁场释放并且通过将电流经空载二极管52驱动到电容器50的方式，放出其能量。通过电容器50可以如此在输出侧量取位置54量取相对于电池30、32供应的输入电压提高的-升压的-输出电压(U_out)。
因为在简单的升压变流器44中(在输入侧直接施加输入电压并且在输出侧直接量取输出电压，在打开开关元件48时通过线圈46的电流没有消失，而是由于自感进一步流动)，所以线圈46成为电压源，该电压源的电压在理想情况下能够无限大。在故障情况下，这样的布置能够容易地使可燃混合气爆炸。
为了防止这一点，规定：供电电路28包括冗余反向二极管56(D5-D7)作为输入侧保护线路58，其在打开开关元件48时承载电流。附加地或备选地规定：供给电流28在输出侧具有电压限制装置60作为输出侧保护线路，其在示出的实施例中包括多个冗余齐纳二极管62(D2-D4)。通过电流限制装置60限制输出电流，这是因为：如果输出电流超过该齐纳二极管62或齐纳二极管62之一的齐纳阈值(Zenerschwelle)，则输出电流经由该齐纳二极管62或每个相应齐纳二极管62朝地流动，直到电容器50已放电。
在输入侧和/或输出侧保护线路(也就是说在升压变流器44前面或后面的保护线路)中的二极管56、62的数量仅与希望的故障容差有关，并且对于更小安全性还可以只简单地实施。此外，如果升压变流器44的开关元件48的开关频率可以选择成如此高，以致于仅还需要比较小的电感，则尤其还可以完全省却该一个或多个反向二极管56。
通过未示出的调整装置以本身已知的方式和方法实现升压变流器的开关元件48的控制，该调整装置将相应输出电压U_out与预定额定电压相比较并且根据输出电压和额定电压的差来适当改变开关电路48的开关频率。
基于图5中示出的原理的供电电路28能够实现：确保在下至2V的电池电压的情况下1W功率用于以3.3V给通信系统12供电并且在此还在故障情况下在可爆炸的环境中可靠地抑制点燃。以这种方式利用电池高达90％。附加地，通过应用该技术实现系统的始终保持相同的性能。
为了改善防护安全帽10的相应佩戴者的运动自由，在许多情况下，通过无线连接替换到战术无线电装置18的线缆连接20。然而，这样的解决方案的缺点在于提高的能量需求，该能量需求可以通过借助于升压变流器44提高电压和调整电压的措施来尽可能补偿。
在图6中示出的供电电路28的实施变体允许：从电池30、32汲取还要更高的功率。在此应用唯一的升压变流器44，该升压变流器44具有与上面根据图5解释的实现中相同的防护机构56、58、60、62。然而从供电电路28接通的(geschaltet)电流不受阻性限制。为了有效抑制火花点燃，通过电阻器26(R1,R2)阻性限制的多个单独的电流回路连接到供电电路28的输出端。此外，通过以热熔断器形式的、串联联接到升压变流器44的熔断器34抑制辉光可燃性，其良好地热耦合到升压变流器44的开关元件48。如果必要的话，在每个电流回路中输出侧串联到相应电阻器26还设置单独熔断器64。
结果是具有第一量取位置54(在其上可量取第一输出电压U_out_1)以及第二量取位置66(在其上可量取第二输出电压U_out_2)的供电电路28。根据相同的原理可实现另外的量取位置。这样，可以用升压变流器44向通信系统12中的两个或更多回路馈电，该两个或更多回路总共允许更高功率。
特别安全的实施将供电电路28、然而至少该供电电路28的线圈46和开关元件48连同调整装置和二极管56、62嵌入填料(Verguss)68中(特别是填注介质(Vergussmedium)中)，由此隔绝电路28和潜在可爆炸的环境。在根据图6的供电电路28的实施方式的图形中示出这一点，然而考虑以相同方式用于根据图5的实施方式。
因此，这里所提出说明书的位于前面部分的各个方面可简单概述如下：首先说明防护安全帽10的通信系统12中的供电电路28，其用于从与防护安全帽10关联的能量源30、32来向通信系统12馈电，其中供电电路28包括升压变流器44，以便更好地利用能量源30、32供应的电能。此外，说明具有用于向防护安全帽10所包括的通信系统12馈电的这样的供电电路28的防护安全帽10以及用于运行这样的供电电路28的方法。
附图标记列表
10 防护安全帽
14 扬声器
16 耳机
18 无线电装置
20 线缆
22 麦克风
24 压缩空气呼吸器的连接端
12 通信系统
26 电流限制电阻器
28 供电电路
30 电池
32 电池
34 熔断器
36 放电曲线
38、40、42 第一、第二、第三工作点
44 升压变流器
46 线圈
48 开关元件
50 电容器
52 空载二极管
54 (第一)量取位置
56 反向二极管
58 输入侧保护线路
60 电压限制装置/输出侧保护线路
62 齐纳二极管
64 熔断器
66 第二量取位置
68 填料。

Claims (10)

1.一种防护安全帽(10)的通信系统(12)中的供电电路(28)，所述供电电路(28)用于从与防护安全帽(10)关联的能量源(30，32)向通信系统(12)馈电，
其特征在于：
所述供电电路(28)包括升压变流器(44)，其中所述升压变流器(44)被构造成在所述能量源(30，32)的另外放电范围上通过对所述升压变流器(44)的相应控制产生用于向所述防护安全帽(10)的所述通信系统(12) 供电的预定供电电压，其中所述的另外放电范围是指超出在作为所述能量源的一个或多个电池处直接量取供给电压时的放电范围的放电范围。
2.如权利要求1所述的供电电路(28)，具有在输出侧布置的电压限制装置(60)。
3.如权利要求2所述的供电电路(28)，具有至少一个用作电压限制装置(60)的齐纳二极管(62)。
4.如权利要求1所述的供电电路(28)，具有至少一个在输入侧布置的反向二极管(56)。
5.如权利要求4所述的供电电路(28)，具有位于所述至少一个在输入侧布置的反向二极管(56)和所述升压变流器(44)之间的热熔断器(34)。
6.如权利要求5所述的供电电路(28)，具有用于量取相应输出电压的多个分别单独阻性保护的量取位置(54，66)。
7.如前述权利要求1-6中任何一个所述的供电电路(28)，具有包围供电电路(28)的壳体。
8.如权利要求7所述的供电电路(28)，其中供电电路(28)为了封装而嵌入到填注介质中。
9.一种防护安全帽(10)，其具有通信系统(12)并且具有用于通信系统(12)的、与防护安全帽(10)关联的能量源(30，32)，其中通信系统(12)包括用于从能量源(30，32)向通信系统(12)馈电的、如前述权利要求1-8中任一个所述的供电电路(28)。
10.用于运行如权利要求1－8中任一项所述的供电电路(28)的方法，其中利用由供电电路(28)所包括的升压变流器(44)在能量源(30，32)持续放电时在能量源(30，32)的另外放电范围上通过对升压变流器(44)的相应控制产生用于向防护安全帽(10)的通信系统(12) 供电的预定供电电压，其中所述的另外放电范围是指超出在作为所述能量源的一个或多个电池处直接量取供给电压时的放电范围的放电范围。
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