DE2653803A1

DE2653803A1 - Detektorschaltung

Info

Publication number: DE2653803A1
Application number: DE19762653803
Authority: DE
Inventors: Larry Dale Larsen
Original assignee: PATENT DEV AND MANAGEMENT Co
Current assignee: PATENT DEV AND MANAGEMENT Co
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1976-11-26
Publication date: 1977-07-28
Also published as: GB1567779A; US4083037A; AU1994376A; CA1061016A; JPS5271998A; DE2659900A1; GB1567780A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung, insbesondere für eine Rauchdetektor-Feueralarmeinrichtung und zwar eine batteriebetriebene Feueralarmeinrichtung.

Rauchdetektor-Feueralarmeinrichtungen, mit denen die Impedanzänderung einer Ionisationskammer bei Einführung von Rauch in

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dieselbe ertastet wird, sind wohlbekannt. Offene Ionisationskammern sind in eine Spannungsteilerschaltung an einer Stromquelle geschaltet, und eine Impedanzänderung wird durch eine Spannungs- . änderung daran spürbar. Diese Abtastspannung wird durch eine Detektorschaltung überwacht, und wenn sie einen vorgewählten Alarmpegel übersteigt, so erregt die Detektorschaltung eine geeignete Alarmschaltung. Bei autonomen, d.h. betteriebetriebenen Feueralarmeinrichtungen dieser Art ist es bekannt, eine Batterieüberwachungsschaltung vorzusehen, die ein eine schwache Batterie anzeigendes Signal erzeugt, wenn die Batterie auf einen Wert unterhalb des Niveaus abgesunken ist, bei dem eine zuverlässige Arbeitsweise der Alarmschaltung gewährleistet ist.

Die bekannten Detektorschaltungen weisen eine oder mehrere nachteilige Eigenschaften auf. Nach der US-PS 3 688 119 (Kobayashi) vom 29. August 1972 auf den Namen Nittan Company, Limited wird beispielsweise eine Abtastspannung, die zwischen einer offenen und einer geschlossenen Ionisationskammer entsteht, die in Reihe an eine Stromversorgung angeschaltet sind, über einen Impedanzanpassungs-Feldeffekttransistor-Verstärker an eine Zenerdiode angelegt. Ein Alarmsignal ertönt, wenn die Abtastspannung die Durchbruchsspannung der Zenerdiode übersteigt. Nachteilig ist, daß der Feldeffekttransistor in seinem linearen Bereich arbeitet und daß daher die Stromversorgung einer ständigen Stromentnahme unterzogen ist. Besonders kleine Toleranzen sind bei der Zenerdiode erforderlich, da eine Alarmspannung allein durch die Durchbruchscharakteristik der Zenerdiode aufgebaut wird. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß, weil die Zenderdiode durch eine Änderung der Versorgungsspannung nicht beeinflußt wird, während die Abtastspannung sich mit der Versorgungsspannung ändert, die Stabilität des Abtastpegels eine Regelung der Stromversorgung erfordert.

In der US-PS 3 71¹J 6¹Il (Scheidweiler) vom 30. Januar 1973 auf den Namen Cerberus AG ist eine Alarmschaltung beschrieben, bei der die Schwierigkeit der Stromentnahme durch Verwendung eines normalerweise abgeschalteten Feldeffekttransistors überwunden wird, welcher nur eingeschaltet wird, wenn eine an der Ionisationskammer ent-

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stehende Abtastspannung seine Schwellspannung übersteigt. Die Schwellspannung kann jedoch nicht eingestellt werden, und dies erfordert wiederum eine strenge Auswahl des Feldeffekttransistors bezüglich seiner Schwellspannungscharakteristik, und eine Einrichtung zur Veränderung der Empfindlichkeit fehlt. Aus denselben Gründen wie bei der oben erwähnten Alarmschaltung nach Kobayashi erfordert die Detektorschaltung eine stabile bzw. geregelte Versorgungsspannung, damit ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Weitere Schaltungen, die die Verwendung von aktiven Elementen in ihren Detektorschaltungen mit sich stark ändernden Charakteristiken ermöglichen oder die bezüglich der Empfindlichkeit einstellbar sind, sind bezüglich der Versorgungsspannung nicht stabil und verbrauchen eine unannehmbare Leistungsmenge für den Bereitschaftsbetrieb.

Die bekannten Batterieüberwachungsschaltungen sind ferner mit der Schwierigkeit behaftet, daß sie die Entleerung der Batterie, die sie überwachen, beträchtlich beschleunigen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die meisten Überwachungsschaltungen die Batteriespannung mit einer Referenzspannung vergleichen, die von einem in Sperrichtung oder Vorwärtsrichtung vorgespannten pn-übergang erzeugt wird, wozu ein beträchtlicher Strombetrag erforderlich ist. In einem Artikel mit dem Titel "Die Lambda-Diode: Eine anpassungsfähige Vorrichtung mit negativem Widerstand" (The Lambda-Diode: A Versatile Negative- Resistance Device) von Gota Kano et al in Electronics, 26. Juni 1975, Seiten 105-109_s sind jedoch Batterieüberwachungsschaltungen beschrieben, bei denen die Schwierigkeit der Entnahme von BereitSchaftsleistung überwunden ist. Bei den dort gezeigten Schaltungen werden Feldeffekttransistoren mit zwei Übergängen verwendet, die so geschaltet sind, daß sie ein Gebilde ergeben, das als "Lambda-Diode" bezeichnet wird. Die Feldeffekttransistoren der Lambda-Diode bleiben beide gesperrt, bis die daran angelegte Batteriespannung auf einen Wert unterhalb der Summe der jeweiligen Pinch-Off-Spannungen bzw. Einschnürungs-Sperrspannungen abfällt. Dadurch wird jedoch leider die Bezugs-

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spannung festgelegt und kann nicht eingestellt werden, so daß für die Charakteristik der Vorrichtung wiederum strenge Toleranzen erforderlich sind, wodurch die Herstellungskosten für eine Überwachungsschaltung mit Lambda-Diode erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektorschaltung, insbesondere für eine Rauchdetektor-Feueralarmeinrichtung zu schaffen, die praktisch unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung ist. Die Stromentnahme zum Bereitschaftsbetrieb soll niedriger sein als bei herkömmlichen Feueralarmeinrichtungen.

Diese Aufgabe wird durch eine Detektorschaltung der eingangs beschriebenen Gattung gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Stromquelle, einen Spannungsteiler, der an die Stromquelle angeschaltet ist und einen Ausgang und ein Abtastelement mit einer Impedanz, die in Übereinstimmung mit einer von dem Detektor zu ermittelnden Charakteristik veränderlich ist, aufweist, wobei eine Änderung der Impedanz eine entsprechende Änderung der Abtastspannung des Ausgangs bewirkt, ein Paar komplementärer, auf Spannung ansprechender Schalter, die jeweils ein Paar hindurchleitender Anschlüsse und einen Steueranschluß aufweisen und zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schaltbar sind, eine Einrichtung zur Verbindung der hindurchleitenden Anschlüsse in Reihe und mit der Stromquelle, eine Einrichtung zum Anlagen einer vorgewählten Detektionsspannung am Steuereingang eines der Schalter, wobei die vorgewählte Spannung proportional der Spannung der Stromquelle ist, eine Einrichtung zum Anlegen einer Abtastspannung an den Steuereingang des anderen Schalters des Paares komplementärer Schalter, wobei beide Schalter in einen nichtleitenden Zustand vorgespannt sind und beide Schalter einen leitenden Zustand annehmen, wenn die Abtastspannung einen Wert annimmt, der im wesentlichen gleich der vorgewählten Detektionsspannung ist, und eine auf die Schalter ansprechender Einrichtung, die einen leitenden Zustand annimmt, um eine Detektionsanzeige zu liefern

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Paar kom-

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plementärer Feldeffekttransistoren verwendet, die an den Aus- ' gang einer Wheatstone-Brückenschaltung gelegt sind und eine Abtastspannung an einer Ionisationskammer in einem Zweig der Brücke mit einer vorgewählten Alarmspannung vergleichen,, die mit einem Potentiometer in einem anderen Brückenzweig eingestellt wird. Beide Feldeffekttransistoren bleiben gesperrt, bis die Abtastspannung an der Ionisationskammer praktisch gleich der vorgewählten Abtastspannung ist. Im Bereitschaftsbetrieb wird der Batterie ein praktisch verschwindender Strom entnommen, während Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung erzielt wird. Die Feldeffekttransistoren sind so geschaltet, daß ihre jeweiligen Gate-Source- bzw. Gatter-Quellen-Schwellspannungen gegeneinander so versetzt sind, daß sie auf eine praktisch verschwindende Spannungsdifferenz ansprechen. Dies tritt auf, wenn das Ionisationskammerelement unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung den Alarmzustand annimmt. Wenn ein Alarmzustand ermittelt wird, werden beide Feldeffekttransistoren leitend und erregen eine akustische Alarmschaltung.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Detektorschaltung besteht darin, daß ihr Ausgang mit dem Eingang über einen Zweig der Wheatstone-Brücke verbunden ist, so daß der Schalter eine Hysteresecharakteristik erhält, mit der Tendenz, die Feldeffekttransistoren im eingeschalteten Zustand zu belassen, selbst wenn die Abtastspannung in den Nicht-Alarm-Zustand zurückgekehrt ist.

Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Detektorschaltung eine Schaltung zur überwachung einer Spannungsquelle auf, die aufweist ein Paar komplementärer, auf Spannung ansprechender Verstärker

mit einem Paar hindurchleitender Anschlüsse und einem Steueranschluß und welche aus einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand in Abhängigkeit von Spannungen schaltbar sind, die zwischen einen der hindurchleitenden Anschlüsse und den Steueranschluß angelegt sind und eine charakteristische Einsehaltspannung derselben überschreiten, eine Einrichtung zur Verbindung der hindurchleitenden Anschlüsse des Verstärkerpaares in Reihe miteinander und mit der zu überwachenden Spannungsquelle, eine Ein-

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richtung zum Ankoppeln des Steuereingangs eines der auf Spannung ansprechenden Verstärker an den hindurchleitenden Anschluß des anderen Verstärkers, welcher mit der Spannungsquelle verbunden ist, eine Einrichtung zur Erzeugung einer vorgewählten Referenzschaltung und eine Einrichtung zum Anlegen der Referenzspannung an den Steuereingang des anderen Verstärkers des auf Spannung ansprechenden Verstärkerpaares, wobei die auf Spannung ansprechenden Verstärker im nichtleitenden Zustand verbleiben, bis die an der Reihenschaltung derselben angelegte Spannung die Summe aus den jeweiligen Einsehaltspannungen derselben und der vorgewählten Referenzspannung überschreitet*

Diese in der Detektorschaltung enthaltene Schaltung zur überwachung einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, die sich auch für allgemeine Anwendung eignet, verbraucht während des Bereitschaftsbetriebes praktisch keinerlei Leistung, kann jedoch eingestellt werden, um bei verschiedenen Spannungspegeln eine schwache Batterie zu ermitteln. Die Schaltung zur überwachung der Spannungsquelle erzeugt ein Referenzpotential, das wahlweise geändert werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

folgt ursprüngliche Beschreibung, Seiten 6-16

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At

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Rauchdetektor-Feueralarmeinrichtung.

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rauchdetektor-Feueralarmeinrichtung enthält eine Detektorschaltung 10, eine steuerbare Alarmhorn-Schaltung 12 zur Erzeugung eines akustischen Alarmsignals, eine Batterie 14 zur Lieferung einer Versorgungsspannung V, und eine Batterie-Überwachungsschaltung 16. Bei Ermittlung einer Feueralarmbedingung bewirkt die Detektorschaltung 10, daß die Alarmhorn-Schaltung 12 ein kontinuierliches akustisches Alarmsignal erzeugt. Bei Ermittlung eines vorgewählten Unterspannungszustandes der Batterie 14 veranlaßt die Batterie-Überwachungsschaltung 16 die Alarmhorn-Schaltung 12, ein intermittierendes akustisches Signal zu erzeugen.

In der Detektorschaltung ist ein Paar herkömmlicher Ionisationskammern 18, 20 verwendet, die über einen Widerstand 22 in Reihe an eine Batterie 14 angelegt sind. Die Ionisationskammern 18 und 20 definieren somit einen Spannungsteiler, der eine Abtastspannung V an einem Verbindungspunkt 24 zwischen den Kammern 18 und 20 erzeugt, die abhängig von den relativen Impedanzwerten derselben ist. Die Kammer 20 ist geschlossen, während die Kammer 18 für die Umgebungsluft geöffnet ist, so daß Rauch und andere Gase eines Feuers in diese eintreten können.

Der Eintritt von Rauch in die offene Kammer 18 bewirkt, daß deren Impedanz steigt, während die Impedanz der geschlossenen Kammer 20 unbeeinflußt bleibt. Der positive Anschluß 25 der Batterie 14 ist mit der Kammer 18 verbunden, und der negative Anschluß. 27 ist mit der Kammer 20 verbunden. Die von dem Feuer verursachte Impedanzerhöhung der offenen Kammer 18 bewirkt somit einen Abfall der Abtastspannung V_c.

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Bezüglich ihrer Charakteristika sind die Kammern 18, 20 gepaart, beispielsweise bezüglich ihres Temperaturkoeffizienten, so daß andere Veränderungen der Umgebung, welche die Kammern beeinflussen, Verschiebungsänderungen in den Kammern hervorrufen und die Abtastspannung V nicht ändern. Die Impedanzen der beiden Kammern liegen in der Größenordnung von Hunderttausenden Megohm, so daß der Batterie 14 durch sie nur ein geringer Strom entnommen wird. Es kann zwar mit verschiedenen relativen Impedanzwerten der Ionisationskammern gearbeitet werden, es wurden jedoch Relativwerte als geeignet herausgefunden, die in Abwesenheit von Rauch eine Abtastspannung V erzeugen, die den 0,6-fachen Wert der Batteriespannung V, besitzen.

Die Abtastspannung V wird durch einen spannungsempfindlichen Schaltkreis 26 verglichen mit einer vorgewählten Alarmspannung V , die am Schleifer 28 eines Potentiometers 30 abgegriffen wird. Wenn die Abtastspannung V auf einen Wert abfällt, der praktisch gleich der Alarmspannung V_a ist, so erregt der Schaltkreis die Alarmhorn-Schaltung 12, so daß ein kontinuierliches Alarmsignal ertönt.

Ein Potentiometer 30 ist in Reihe mit zwei festen Widerständen 32, 34 an die Batterie 14 zur Bildung eines veränderlichen Spannungsteilers 36 angeschaltet. Der Spannungsteiler weist einen Widerstand im Bereich von Megohm auf, ura die Belastung der Batterie 14 möglichst niedrig zu halten. Der variable Spannungsteiler 36 bildet gemeinsam mit dem Spannungsteiler, der von den Ionisationskammern 18, 20 gebildet wird, eine Wheatstone-Brückenschaltung. Änderungen der Abtastspannung V_ aufgrund von Änderungen der Batterie spannung Vj₃ werdai folglich durch gleiche Änderungen, die in der Alarmspannung V bewirkt werden, verschoben. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Schaltkreises 26 gegenüber Änderungen der Batteriespannung V auf ein Minimum reduziert. Die Tatsache, daß der spannungsgesteuerte Schalter 26 eingeschaltet wird, wenn die Brücke ungefähr im Gleichgewicht

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ist, reduziert ferner die Empfindlichkeit gegenüber der Versorgungsspannung auf ein Minimum und erzwingt Stabilität.

Der Schleiferausgang 28 ist so eingestellt, daß ein Wert für die Alarmspannung V aufgebaut wird, der niedriger ist als der Ruhewert der Abtastspannung V- Durch Änderung der Stellung des Schleiferausgang s 28 kann die Empfindlichkeit wahlweise verändert werden. Der Wert 0,5 V. als Alarmspannung V_a hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn der Ruhewert der Abtastspannung V Of6 Vj₃ bei einer Batteriespannung von 9 Volt beträgt.

Der Schaltkreis 26 umfaßt einen N-Kanal-Silizium-Feldeffekttransistor bzw. J-FET 42 sowie einen P-Kanal-Steigerungstyp-Silizium-MOS-Feldeffekttransistor bzw. MOS-FET 44 (Metalloxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor) . Das Gatter 46 des MOS-FET 44 ist an den Verbindungspunkt 24 geschaltet. Der Ausgang des Schalters 26 wird an der Senke 48 des MOS-FET 44 abgenommen und mit der Steuerelektrode 51 eines Thyristors bzw. SCR (gesteuerter Silxziumgleichrichter) 53 der steuerbaren Alarmhorn-Schaltung 12 verbunden. Das Substrat 50 ist mit dem positiven Batterieanschluß 25 über einen Strombegrenzungswiderstand 22 verbunden. Der Quellenanschluß 52 des MOS-FET 44 ist mit dem Quellenanschluß 54 des J-FET 42 verbunden. Der J-FET 42 ist in Quellenfolgerschaltung, und sein Gatter 56 ist an den Schleiferausgang 28 des variablen Spannungsteilers 36 gelegt, während seine Senke 58 an den positiven Batterieanschluß 25 gelegt ist.

In Übereinstimmung mit einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind sowohl MOS-FET 44 als auch J-FET 42 in Sperrichtung vorgespannt, um den Stromfluß aus der Batterie 14 möglichst niedrig zu halten und nur eingeschaltet zu werden, wenn die Abtastspannung V unter einen Wert abfällt, der ungefähr gleich der Alarmspannung V_& ist. Wenn dies erfolgt, so werden sowohl MOS-FET 44 als auch J-FET 42 leitend, und der Senkenstrom aus dem MOS-FET

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44 wird an die Steuerelektrode 51 des SCR 53 angelegt, wodurch dieser leitend gesteuert wird."

Der MOS-FET 44 wirkt sowohl als Hochimpedanzpuffer zwischen dem SCR 53 und der Abtastschaltung aus den Ionisationskammern 18 und 20 als auch als Schwellwert-Schaltvorrichtung. Der MOS-FET 44 wird leitend, wenn die Gatter-Quellen-Schwellspannung überschritten wird. Anders als bei bekannten Schaltungen kann jedoch die Abtastspannung, bei der dies auftritt, wahlweise verändert werden durch Steuerung des Schleiferausgangs 28. Die Stellung des Schleiferausgangs 2 8 stellt die Spannung an der Quelle 52 und somit die Höhe der Abtastspannung V ein, an der die Schwellspannung des MOS-FET 44 überschritten wird. Folglich können MOS-FETS mit verschiedenen Schwellwertcharakteristika zur Alarmauslösung bei derselben Spannung verwendet werden, und die Herstellungskosten werden so reduziert.

Die hohe Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanz des J-FET 42 ermöglicht eine Impedanzanpassung zwischen dem Spannungsteiler 36 und dem MOS-FET 44. Änderungen in der Gatter-Quellenspannung V des MOS-FET 44 aufgrund von Temperaturänderungen werden zusätzlich durch Änderungen der V des J-FET in entgegengesetztem Sinn verschoben und umgekehrt.

Die komplementäre Anordnung aus MOS-FET 44 und J-FET 42 ergibt ferner eine maximale Unabhängigkeit der Detektorschaltung bezüglich der Versorgungsspannung. Dies liegt daran, daß sowohl MOS-FET 44 als auch J-FET 42 leitend werden, wenn die Brücke praktisch im Gleichgewicht ist, und der Gleichgewichtspunkt wird allein durch die relativen Impedanzwerte der Brückenzweige festgelegt und ist vollständig unabhängig von der Versorgungsspannung .

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Senke 48 des MOS-FET 44 mit dem Verbindungspunkt 49 des Spannungsteilers 36

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verbunden, um eine Hysterese des Schaltkreises 26 zu erzeugen. Wenn MOS-FET 44 und J-FET 42 leitend v/erden, so werden die Widerstände 34, 32 durch eine relativ niedrige Impedanz überbrückt, so daß die Alarmspannung V am Schleiferausgang 28 leicht über ihren Wert ansteigt, den sie besitzt, wenn MOS-FET 44 und J-FET 42 gesperrt sind. Somit muß die Abtastspannung V_c am Verbindungspunkt 24 auf einen Wert ansteigen, der größer ist als der Wert, bei dem MOS-FET 44 und J-FET 42 leitend werden, bevor sie gesperrt werden.

Wie bereits erwähnt wurde, wird bei Anlegen des Senkenstroms an der Steuerelektrode 51 von SCR 53 dieser leitend und erregt die Alarmhorn-Schaltung 12. Ein Siebkondensator 70 ist zwischen Steuerelektrode 51 von SCR 53 und dessen Kathode geschaltet, und Widerstand 34 ergibt eine geeignete Steuerelektrodenvorspannung für SCR 53. Die Alarmhorn-Schaltung 12 ist von herkömmlicher Art und enthält eine Relaisspule 60, die in Reihe zwischen die Anode von SCR 53 und ein Paar Relaiskontakte 62, die davon betätigt werden, geschaltet ist. Einer der Kontakte 62 ist mit einer Horn- oder Hupenmembran (nicht dargestellt) verbunden, welche vibriert, um das akustische Alarmsignal zu erzeugen. Die Alarmhorn-Schaltung 12 enthält ferner eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 64 und einem Kondensator 66, die an die Spule 60 gelegt ist, sowie einen an die Batterie 14 angeschalteten Anlaßkondensator 68.

Der Thyristor SCR 53 wird gesperrt, sobald die Kontakte 62 geöffnet sind, nachdem das Steuersignal an SCR 53 entfernt wurde. Das Steuersignal wird durch Schließen des normalerweise offenen Schalters 72 entfernt, der zwischen Steuerelektrode 51 und Kathode von SCR 53 gelegt ist. MOS-FET 44 und J-FET 42 werden ebenfalls gesperrt und entfernen das Steuersignal, wenn die Impedanz der Kammer 18 auf einen Pegel zurückkehrt, der niedrig genug ist, um die Spannungen daran unter die Pinch-Off-Spannung abfallen zu lassen.

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Durch einen normalerweise offenen Schalter 74, der über einen Widerstand 76 zwischen den negativen Batterieanschluß 27 und den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 22 und der Kammer 18 gelegt ist, wird eine Testschaltung gebildet. Durch Schließen des Schalters 74 wird die Abtastspannung V"_c auf einen Pegel unterhalb der Alarmspannung abgesenkt, um einen Alarmzustand zu simulieren.

Die Batterie-Uberwachungsschaltung 16 enthält einen herkömmlichen Relaxationsoszillator mit einem programmierbaren Unijunction-Transistor bzw. PUT 80, dessen Schwingungen beginnen, wenn die Spannung an der Batterie 14 unter einen vorgewählten Wert abfällt, der durch eine Schaltung festgelegt wird, die einem * Schaltkreis 96 mit negativem Widerstand zugeordnet ist. Die Anode von PUT 80 ist an einen Verbindungspunkt zwischen einem zeitbestimmenden Kondensator 82 und einem Widerstand 84, welche an die Batterie 14 angelegt sind, geschaltet. Das Gatter von PUT 80 ist über einen Widerstand 86 mit dem positiven Anschluß der Batterie 14 verbunden und ist ferner über einen Widerstand 88 mit dem Schaltkreis 96 verbunden. Das Ausgangssignal des Oszillators wird an der Kathode von PUT 80 entnommen und über eine Leitung 94 an die Steuerelektrode 51 des Thyristors gelegt. Während des Schwingbetriebs wird der Kondensator 82 periodisch über den Widerstand 84 aufgeladen und über PUT 80 in die Steuerelektrode 38 entladen, um den Thyristor SCR 53 leitend zu steuern und die Spule 60 vorübergehend zu erregen. Die Absenkung der Spannung am Kondensator 82 zum Ende des Entladungszyklus bewirkt, daß PUT 80 am Ende der Entladung gesperrt wird.

Der Wert des Kondensators 82 ist so gewählt, daß die Spule kurzzeitig mit Frequenzen von ungefähr einmal pro Minute erregt wird. Der Batteriespannungspegel, bei dem der Relaxationsoszillator den Schwingbetrieb aufnehmen kann, ist so gewählt, daß ausreichende Leistung zur Verfügung steht, um den Oszillator wenigstens sieben Tage lang in Betrieb zu halten.

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Eine vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung besteht darin, daß, falls die Batterie abgeschaltet werden sollte, der Anlaßkondensator ausreichend Leistung zur Verfügung stellt, um die Alarmhorn-Schaltung 12 während eines Zyklus des Resonanzoszillators zu erregen, wenn durch die Schaltung 96 der Zustand einer zu schwachen Batterie ermittelt wird. Folglich wird eine Anzeige sowohl für fehlende als auch zu schwache Batterie geliefert. Diese Eigenschaft kann natürlich auch mit Vorteil bei einer Schaltung ausgenutzt werden, die mit Wechselstrom betrieben wird.

Der Schaltkreis 96 ist zwischen den negativen Pol der Batterie 14 und den Verbindungspunkt zwischen Widerstand 88 und Kondensator 92 gelegt. Die Oszillatorschaltung wird nur zum Oszillieren freigegeben und nimmt einen leitenden Zustand an. Der Schaltkreis 96 umfaßt ein Paar komplementärer Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren, nämlich einen η-Kanal J-FET 98 und einen p-Kanal J-FET 100. Die Senken-Quellenkreise der J-FETS 98, 100 sind miteinander in Reihe zwischen den negativen Batterieanschluß 27 des Relaxationsoszillators geschaltet. Das Gatter 102 des J-FET 100 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand 88 und Senke 103 des J-FET 98 geschaltet. Das Gatter 104 des J-FET 98 empfängt ein Steuersignal VL am Schleiferausgang 206 eines Potentiometers 108, das über einen festen Widerstand 110 an die Batterie 14 gelegt ist. Das Gatter 104 des J-FET 98 ist also mit einem Potential verbunden, das höher ist als das seinem Quellenanschluß zugeführte Potential.

Beide J-FETS 98, 100 bleiben gesperrt, bis die daran anliegende Spannung, d.h. die Batteriespannung V,, auf einen Wert absinkt, der unterhalb einer vorgewählten Batterie-Unterspannung VL liegt, welche durch die veränderliche Steuerspannung VL am Schleiferausgang 106 und die Schwellspannungen der J-FETS 98, 100 eingestellt wird. Diese Batterie-Unterspannung ist ungefähr gleich der Summe der Schwellspannungen der J-FETS 98, 100 und der Steuerspannung VL. Bis diese vorgewählte Batterie-Unterspannung

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erreicht ist, ist der durch die Schaltung 96 fließende Strom ein Leckstrom im Nannoampere-Bereich. Wenn die Batteriespannung V, am Schalter 96 unter die vorgewählte Batterie-Unterspannung VL abfällt/ so steigt der hindurchfließende Strom bei geringem Spannungsabfall daran schnell an, bis ein Spitzenstrom mi t einer entsprechenden Spitzenspannung erreicht ist. Für Spannungswerte unterhalb der Spitzenspannung führt der Schaltkreis einen Strom mit positiver Widerstandscharakteristik, und Spannungsabfälle ergeben einen Stromabfall.

Der Schalter 96 funktioniert in ähnlicher Weise wie eine Lambda-Diode, wie diese in dem bereits erwähnten Artikel mit dem Titel "Die Lambda-Diode: Eine anpassungsfähige Vorrichtung mit negativem Widerstand" beschrieben ist; es wird daher für die schematische Darstellung der Strom-Spannungscharakteristik auf diesen Artikel Bezug genommen. Bei einer Lambda-Diode wird die Spannung V, die der Batterie-Unterspannung der Schaltung 96 entspricht, allein von der Schwellencharakteristik der Feldeffekttransistoren bestimmt. Die Anpassungsfähigkeit oder Abwandlungsfähigkeit des Schaltkreises 96, in dem die Batterie-Unterspannung V_v abhängig von der Stellung eines Schleifers 106 ist, wird jedoch, nicht erzielt.

Wenn der Schaltkreis 96 eingeschaltet wird, so fällt die daran anliegende Spannung auf einen Pegel unterhalb seiner Spitzenspannung ab. Ein zwischen die Anode des Thyristors SCR 53 und den Verbindungspunkt der Senke des J-FET 98 mit dem Widerstand 88 geschalteter Kondensator 92 ergibt einen Rückkopplungs-Span-, nungsimpuls aus dem Thyristor SCR 53, wenn dieser gesperrt wird, um die Rücksetzung des Schaltkreises 96 in seinen Zustand zu unterstützen, in dem die Spannung an ihm größer ist als die Spit zenspannung.

Die besonderen Betriebscharakteristika einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltung sind natürlich abhängig von den jeweili-

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gen Charakteristika und Werten der verschiedenen Komponenten, die darin verwendet werden. Es^- hat sich gezeigt, daß eine Schaltung gemäß dem Schaltbild der Zeichnung mit den nachstehend aufgeführten Elementen in der beabsichtigten Weise arbeitet, wobei jedoch auch andere Komponenten mit Erfolg verwendet werden können:

Bezugs- zeichen	Bezeichnung	Handels- Charakteristik bezeichnung	Siliconix Inc. E211	9 Volt Kobishi	Nippon Electric N13T2	15 Mikrofarad
14	Batterie	alkalisch, 9 V	General Instru	100 ohm	4 Mohm
18	Ionisationskammer	30OxIO⁺¹⁵ ohm	ment Inc.-3N163	0,1 Mikrofarad	100 Kohm
20	Ionisationskammer	30OxIO⁺¹⁵ ohm	General Electric C106	330 Mikrofarad	220 Kohm
22	Widerstand	100 Kohm	0,01 Mikrofarad	0,01 Mikrofarad
30	Potentiometer	1 Mohm	470 Kohm
32	Festwiderstand	1 Mohm	0,01 Mikrofarad
34	Festwiderstand	5,1 Kohm
42	J-FET
44	MOS FET

53	SCR (Thyristor)
60	Spule
64	Widerstand
66	Kondensator
68	Anlaßkondensator
70	Kondensator
76	Widerstand
78	Siebkondens ator
80	PUT
82	Taktkondensator
84	Widerstand
86	Widerstand
. 88	Widerstand
' 92	Kondensator

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"ST

ezugs- eichen	Bezeichnung	Charakteristik	Handels bezeichnung
98	J-FET		Siliconix Inc E211
100	J-FET		Siliconix Inc E27O
108	Potentiometer	1 Mohm
110	Festwiderstand	1 Mohm

Wegen der verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurden, beträgt der gesamte Batteriestrom im Bereitschaftsbetrieb weniger als 10 Mikroampere, und die Schaltung arbeitet zuverlässig während eines Jahres mit einer einzigen Batterie der erwähnten Art, bevor eine Anzeige für zu schwache Batterie erfolgt.

Die erfindungsgemäße batteriebetriebene Feuer-Alarmeinrichtung enthält also einen Rauchdetektor, eine steuerbare Alarmhorn-Schaltung und eine Batterie-Überwachungsschaltung. In dem Rauchdetektor wird ein Paar komplementärer Feldeffekt-Transistorschalter verwendet, mit Gattern, die jeweils mit einer Ionisationskammer und einem Potentiometer einer Wheatstone-Brückenschaltung verbunden sind, die an die Batterie angelegt sind. Die Feldeffekttransistoren sind in Sperrichtung vorgespannt, um den Stromverbrauch im Bereitschaftsbetrieb möglichst gering zu halten, und sind so geschaltet, daß die Schwellspannungen versetzt werden, um die Spannungsabhängigkeit des Detektors möglichst gering zu halten. Wenn die Spannung der Ionisationskammer einen Wert annimmt, der ungefähr gleich der Potentiometerspannung ist, so werden beide Feldeffekttransistoren leitend und erregen eine Alarmschaltung zur Auslösung eines Alarms. Der Schaltkreis ist durch eine Mitkopplung mit Hystherese versehen. In der Batterieüberwachungsschaltung wird ein Paar komplementärer Feldeffekttransistoren verwendet,, die miteinander verbunden sind, um eine Referenzspannung zu erzeugen, mit der die Batteriespannung verglichen wird. Die Referenzspannung ist abhängig von den Schwell-

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Charakteristiken der Feldeffekttransistoren und von der Größe der vorgewählten Steuerspannung. Beide Feldeffekttransistoren bleiben gesperrt, bis ein Batterie-Unterspannungszustand ermittelt wird, damit die Stromversorgung im Bereitschaftsbetrieb möglichst niedrig gehalten wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE

KLAUS· D. KIRSCHNER DR. WOLFGANG DOST

DIPL.-PHYSIKER Dl PL.-CH EM I KER

D-8OOO MÜNCHEN

BAVARIARING

Unser Zeichen:

Our referencet β 856 K/Ma

Datum: 10. März 1977

Patent Development & Management Company Elgin, Illinois 60120, V.St.A.

Detektorschaltung

Patentansprüche ( IJ Detektorschaltung, insbesondere für eine Rauchdetektor

Feueralarmeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (14),

einen Spannungsteiler (36), der an die Stromquelle (14) angeschaltet ist und einen Ausgang und ein Abtastelement (18) mit einer Impedanz, die in Übereinstimmung mit einer von dem Detektor zu ermittelnden Charakteristik veränderlich ist, aufweist, wobei eine Änderung der Impedanz eine entsprechende Änderung der Abtastspannung des Ausgangs bewirkt, ein Paar komplementär auf Spannung ansprechender Schalter (42, 44), die jeweils ein Paar hindurchleitender Anschlüsse und einen Steueranschluß aufweisen und zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schaltbar sind, eine Einrichtung zur Verbindung der hindurchleitenden Anschlüsse in Reihe und mit der Stromquelle (14), eine Einrichtung (30) zum Anlegen einer vorgewählten Detekt^or~

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ORIGINAL INSPECTED

spannung am Steuereingang eines der Schalter (42), wobei die vorgewählte Spannung proportional der Spannung der Stromquelle ist, eine Einrichtung zum Anlegen einer Abtastspannung an den Steuereingang des anderen Schalters (44) des Paares komplementärer Schalter, wobei beide Schalter (42, 44) in einen nichtleitenden Zustand vorgespannt sind und beide Schalter einen leitenden Zustand annehmen, wenn die Abtastspannung einen Wert annimmt, der im wesentlichen gleich der vorgewählten Detektionsspannung ist, und eine auf die Schalter (42, 44) bei Annahme des leitenden Zustandes ansprechende Einrichtung (53) zur Lieferung einer Detektionsanzeige.
2. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement eine Ionisationskammer mit einer Impedanz ist, die sich in Abhängigkeit von der Einführung von rauchähnlichen Gasen in diese hinein ändert, und daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Anzeige eine Einrichtung zur Erzeugung eines hörbaren Alarmsignals in Abhängigkeit von der Annahme des leitenden Zustandes durch das Schalterpaar umfaßt.
3. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar komplementär, auf Spannung ansprechender Schalter einen n-Kanal-Feldeffekttransistor und einen p-Kanal-Feldeffekttransistor umfaßt.
4. Detektorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Feldeffekttransistoren ein Metalloxyd-Feldeffekttransistor ist.
5. Detektorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Feldeffekttransistor ein Übergangs-Feldeffekttransistor ist.
6. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen einen der hindurchleitenden Anschlüsse des anderen Schalters und den Steuereingang des anderen Schalters gelegte Einrichtung zur Erzeugung einer Hysterese an den

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Schalter vorgesehen ist.
7. Detektorschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der Detektorspannung eine Spannungsteilerschaltung mit einem darin enthaltenen Zwischenpunkt aufweist und daß die Einrichtung zur Erzeugung der Hysterese eine auf die Annahme des leitenden Zustandes durch die Schaltung ansprechende Einrichtung zum Anlagen eines Rückführungssignals zu dem Zwischenpunkt umfaßt.
8. Detektorschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerschaltung an die Stromquelle angelegt ist und durch Anlegen des Rückführungssignals an den Zwischenpunkt die Detektorspannung erhöht wird.
9. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Anzeige ein elektronisches Schalterelement und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Alarmsignals in Abhängigkeit von der Einnahme eines leitenden Zustandes durch das elektronische Schaltelement umfaßt, daß die Schalter ein Eingangssignal an dem elektronischen Schaltelement anlegen, wodurch dieses den leitenden Zustand annimmt, und daß das elektronische Schaltelement in einen nichtleitenden Zustand zurückkehrt und die Erzeugung des Alarmsignals in Abhängigkeit von der. Beendigung des Eingangssignals beendet.
10. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine Einrichtung enthält, die auf die Annahme eines leitenden Zustandes der Schalter anspricht, zur Erzeugung eines kontinuierlichen Alarmzustandes, und .daß eine Einrichtung zur Einstellung einer vorgewählten Batterie-Unterspannung und eine auf die unter diesen vorgewählten Wert abfallende Batteriespannung ansprechende Einrichtung zur Veranlassung der den Alarm erzeugenden Einrichtung zur intermittierenden Erzeugung des Alarmsignals vorgesehen sind.
11. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 - 10, gekenn-

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zeichnet durch eine Einrichtung zur selektiven Veränderung der Größe der vorgewählten Detektorspannung.
12. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 - 11, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Überwachung einer Spannungsquelle mit einem Paar komplementärer, auf Spannung ansprechende Verstärker (98, 100) mit einem Paar hindurchleitender Anschlüsse und einem Steueranschluß und welche aus einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand in Abhängigkeit von Spannungen schaltbar sind, die zwischen einen der hindurchleitenden Anschlüsse und den Steueranschluß angelegt sind und eine charakteristische Einschaltspannung derselben überschreiten,

einerEinrichtung zur Verbindung der hindurchleitenden Anschlüsse des Verstärkerpaares (98, 100) in Reihe miteinander und mit der zu überwachenden Spannungsquelle (14),

einerEinrichtung zum Ankoppeln des Steuereinganges eines der auf Spannung ansprechenden Verstärker an den hindürchleitenden Anschluß des anderen Verstärkers, welcher mit der Spannungsquelle verbunden ist,

einer Einrichtung(108) zur Erzeugung einer vorgewählten Referenzschaltung und

einerEinrichtung zum Anlegen der Referenzspannung an den Steuereingang des anderen Verstärkers des auf Spannung ansprechenden Verstärkerpaares, wobei die auf Spannung ansprechenden Verstärker im nichtleitenden Zustand verbleiben, bis die an der Reihenschaltung derselben angelegte Spannung die Summe aus den jeweiligen Einschaltspannungen derselben und der vorgewählten Referenzspannung überschreitet.
13. Detektorschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Batterie ist.
14. Detektorschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar komplementärer, auf Spannung ansprechender Verstärker ein Paar komplementärer Feldeffekttransistoren umfaßt und daß die Einsehaltspannungen derselben die jeweiligen Gatter-Quellen-Schwellspannungen enthalten.

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15. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 12 - 1*1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Referenzspannung einen Spannungsteiler enthält, der an die Spannungsquelle angelegt ist.
16. Detektorschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler ein einstellbares Potentiometer mit einem Ausgang aufweist und daß die Referenzspannung an dem Ausgang entsteht.
17. Detektorschaltung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Referenzspannung eine Einrichtung zur selektiven Veränderung der Referenzspannung enthält.
18. Detektorschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Batterie mit einem positiven Anschluß und einem negativen Anschluß ist, daß das Paar komplementärer, auf Spannung ansprechender Verstärker einen n-Kanal-Feldeffekttransistor und einen p-Kanal-Feldeffekttransistor umfaßt,von denen jeder ein den Steuereingang enthaltendes Gatter und das Paar hindurchleitender Anschlüsse enthaltende Senken und Quellen umfaßt, daß die Leitungseinrichtung eine Einrichtung zur Kopplung der Quellenanschlüsse der zwei Feldeffekttransistoren umfaßt sowie eine Einrichtung zur Verbindung des Senkenanschlusses des n-Kanal-Feldeffekttransistors mit dem positiven Anschluß der Batterie und eine Einrichtung zur Verbindung des Senkenanschlusses des p-Kanal-Feldeffekttransistors mit dem negativen Anschluß der Batterie, daß die Einrichtung zum Ankoppeln des Steuereingangs eine Einrichtung zur Verbindung des Gatteranschlusses des p-Kanal-Feldeffekttransistors mit dem negativen Anschluß der Batterie umfaßt und daß die Einrichtung zum Ankoppeln des Steuereingangs eine Einrichtung zur Verbindung des Gatteranschlusses des p-Kanal-Feldeffekttransistors mit dem Senkenanschluß des n-Kanal-Feldeffekttransistors umfaßt.
19. Detektorschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Paar komplementärer, auf Spannung ansprechender Verstärker sich kennzeichnet durch eine Spannungs-Stromkurve mit positiver Widerstandscharakteristik zwischen einer Nullspannung und einer Spitzenspannung und mit einer negativen Widerstandscharakteristik zwischen der Spitzenspannung und der Summe aus den jeweiligen Einschaltspannungen derselben und der vorgewählten Steuerspannung, daß das Verstärkerpaar bei Annahme des leitenden Zustandes die daran anliegende Spannung auf einen Wert absenkt, der niedriger ist als die Spitzenspannung, und daß eine andere Einrichtung als die Einrichtung zum Anlegen der Referenzspannung vorgesehen ist zum Anlegen einer positiven Spannung an den Verstärkern zur Erhöhung der daran anliegenden Gesamtspannung auf einen Wert, der größer ist als der Spitzenwert, zur Unterstützung der Rücksetzung der Verstärker in ihren nichtleitenden Zustand.
20. Detektorschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzeinrichtung einen Kondensator enthält, der zwischen einen Anschluß der Spannungsquelle und einen der hindurchleitenden Anschlüsse des Paares komplementärer Verstärker geschaltet ist.
21. Detektorschaltung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen mit dem Kondensator verbundenen Halbleiterschalter, der darauf anspricht, daß das Verstärkerpaar einen leitenden Zustand annimmt, so daß er zur Entladung des Kondensators eingeschaltet wird, und eine Einrichtung zum Abschalten des Halbleiterschalters, wobei der Kondensator einen positiven Impuls aus der Versorgungsspannung an einen hindurchleitenden Anschluß ankoppelt im Ansprechen auf das Abschalten des Halbleiterschalters.