DE2753324A1 - Rauchdetektor - Google Patents

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady,

New York. 12305 (USA)

Rauchdetektor

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer Ionisations-Rauchdetektorkanuner, die zwei Klemmen aufweist, zwischen denen eine beim Auftreten in der Luft enthaltender Verbrennungsprodukte abnehmende hohe Impedanz vorhanden ist, und der eine durch Messung des durch die Kammer fließenden Kurzschlußstromes Änderungen der Kammer-Impedanz feststellende Fühlerschaltung zugeordnet ist.

Für einen solchen Rauchdetektor verwendbare Ionisations-Rauchdetektorkammern enthalten eine Strahlungsquelle für (A -Teilchen, etwa eine kleine Menge Americium 241, die in einer mit positiven und negativen Elektroden ausgerüsteten Meßkammer untergebracht ist. Die Meßkammer ionisiert die zwischen den Elektroden vorhandene Luft und ermöglicht es, daß ein kleiner elektrischer Strom fließt, sowie an die Elektroden eine Gleichspannung angelegt wird. Wenn in der Luft mitgeführte Verbrennungsprodukte (Rauch) in die Meßkammer eindringen, wird eine Zunahme des dem Strom entgegenwirkenden Widerstandes festgestellt. Die sich ergebende Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Meßkammer wird gemessen und dazu benützt,einen Alarm auszulösen, sowie die Veränderung einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dieser Wert wird derart gewählt, daß er einem Gehalt an Rauch oder Aerosolen in der Meßkammer entspricht, welcher eine Gefahrenbedingung ergibt.

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Ein Rauchdetektor für Wechselspannungsbetrieb der Detektorkanuner ist in der älteren Patentanmeldung P 27 43 761.2 beschrieben. Bei diesem Rauchdetektor wird durch die beim Auftreten von in der Luft enthaltenen Vorbrennungsprodukten sich einstellende Änderung der Impedanz der Detektorkammer oder -zelle die Betriebsfrequenz der Schaltung verändert. Diese Frequenzänderung wird gemessen und zur Alarmauslösung benutzt. Die Schaltung verwendet MOS-FET-Elemente als aktive Schal teleinen te.

Die elektrische Leitfähigkeit der Meßkammer wird bei dieser Patentanmeldung durch Messung der an der Meßkammer liegenden Spannung festgestellt. Bei der dabei stattfindenden Spannungsmessung an der offenen Schaltung muß die Meßschaltung eine im Vergleich zu der Impedanz der Detektorkammer oder -zelle hohe Impedanz aufweisen. Bei FET-Elementen beträgt diese

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typisch 1O Ohm.tine Zahl, die um eine oder zwei Größenordnungen größer ist als die Impedanz (4x10 Ohm) der Detektorkammer oder -zelle. Unter idealen Bedingungen genügt dieser Faktor für genaue Messungen. Beim Auftreten von Luftfeuchtigkeit oder Oberflächenverunreinigungen können sich diese Impedanzen aber so verändern, daß sie die Meßgenauigkeit beeinflussen. Falls eine Wechselspannungsmessung vorgenommen wird, kann auch das Problem auftreten, kleine Kapazitäten auf einem stabilen Wert zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rauchdetektor mit Ionisations-Rauchdetektorkammer zu schaffen, der eine Wechselspannungsmessung der Impedanz der Detektorkammer aufweist und bei dem Veränderungen der Eingangsimpedanz der Meßschaltung die Meßgenauigkeit nicht beeinflussen, wobei die Detektorkammer über eine verbesserte Temperaturkompensation verfügen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Rauchdetektor gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Klemme

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an eine einseitig an Masse liegende Wechselstromquelle angeschlossene Ionisations-Rauchdetektorkaiumer mit ihrer anderen Klemme an den Eingang eines Verstärkers mit im Vergleich zu der Kammer-Impedanz vurnachlässigbarer Eingangs-Impedanz angeschlossen ist, der mit seinem Masseanschluß an Masse angekoppelt ist und zwischen dessen Ausgangsklemme und Masse ein Lastwiderstand liegt, an den durch einen verstärkten Wechselstrom eine Wechselspannung hervorgerufen wird, deren Große von der Kammer-Impedanz und der Dichte der auftretenden, in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte abhängt und daß an den Verstärkerausgang eine auf die Größe der Wechselspannung ansprechende und die Dichte feststellende Schaltung angekoppelt ist.

Der Stromverstärker enthält mit Vorteil bipolare Transistoren.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung derart getroffen, daß die Wechselstromquelle durch den Stromverstärker gebildet ist, der zusätzlich eine positive Rückkopplungsschaltung aufweist und daß die Verstärkerausgangsklemme an die erste Klemme der Ionisations-Rauchdetektorkammer angeschlossen ist und über sie Wechselspannungsschwingungen in die Kammer einkoppelbar sind.

Die Kammer kann dabei in der Rückkopplungsschaltung liegen, wobei durch diese bei in einem einer geringen Dichte der in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte entsprechenden Zustand kleinerer Impedanz der Kammer ein Schwingungszustand und bei einer einer vorbestimmten höheren Dichte der in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte entsprechenden höheren Impedanz der Kammer ein Nicht-Schwingungszustand einstellbar ist.

In einer ersten Ausführungsform enthält der Stromverstärker einen ersten Transistor mit als Eingang dienender Basis, an Masse angeschlossenen Emitter und als Ausgang dienendem Kollektor, sowie einen zweiten Transistor, dessen Basiseingangsgröße

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von der Kollektorausgangsgröße des ersten Transistors abgeleitet ist und dessen Emitter über einen eine erste Impedanz enthaltenden Schaltungezweig an Masse und dessen Kollektor über einen eine zweite Impedanz enthaltenden Schaltungszweig an eine Vorspahnungsquelle angeschlossen sind, wobei die Rückkopplungsschaltung enthält:

a) einen Gegenkopplungsweg, in dem ein zwischen dem Emitter des zweiten Transistors und dem llasiseingang des ersten Transistors geschalteter großer Widerstand liegt und

b) einen Wechselstrom-Rückkopplungswey, in dem die zwischen dem Kollektorausgang des zweiten Transistors und dem Basiseingang des ersten Transistors geschaltete Kammer-Impedanz liegt.

Die Verhältnisse sind dabei derart gewählt, daß durch ausreichend große Gegenkopplung die Verstärkung des Verstärkers unabhängig von den Transistordaten und mit hoher Genauigkeit, abhängig von den Impedanzen: R_f, R., R. und R gemacht ist und daß diese Impedanzen der folgenden Gleichung für die Verstärkung entsprechen:

in der £ derart aewählt ist, daß unter normalen, niedrigen Impedanzbedinqungpn bei der willkürlichen Amplitude Schwingungsbedingungen gegeben sind.

Die erst« Ausführunqsform enthält außerdem eine Stromquelle, die einen dritten Transistor enthält, dessen Emitter an die Vorspannungsquelle angeschlossen ist und deren Kollektor den Kollektorstrom für den ersten Transistor liefert und eine, die Verstärkung erhöhende, große Lastimpedanz ergibt.

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Im Normalbetrieb neigt der Kollektor des zweiten Transistors dazu, an einer Grenze des Schwingungsvorganges in Sättigung zu gehen, wodurch eine Spitze in dein liasisstrom erzeugt wird. Es ist ein vierter Transistor als Puffer vorgesehen, der dem zweiten Transistor Basisstrom zuliefert. Die Schwingungsparameter werden dadurch gemessen, daß die auf die Wechselspannung ansprechende Schaltung an den Kollektor des vierten Transistor! angekoppelt ist.

Bei der gleichen Ausführungsform ist ein fünfter Transistor in Kaskade zu dem ersten Transistor vorgesehen. Der fünfte Transistor setzt das Verstärkereingangsrauschen und den Basisstrom des ersten Transistors auf den Sub-Nanoampere-Bereich herab, um damit eine erhöhte Empfindlichkeit zu erzielen.

Die auf die Wechselspannung ansprechende Schaltung der ersten Ausführungsfonn enthält einen Kondensator und dessen mit vorbestimmter Geschwindigkeit erfolgende Entladung steuernde Schaltungsteile, sowie über eine auf die Ausgangsspannung des vierten Transistors ansprechende Schaltung, durch die der Kondensator beim Auftreten einer die willkürliche Amplitude überschreitenden Schwingung aufgeladen wird, wobei die Ladegeschwindigkeit die erwähnte Entladungsgeschwindigkeit übersteigt und die an dem Kondensator liegende Spannung unter diesen Bedingungen einen hohen Wert, sowie beim Fehlen dieser Bedingungen einen niederen V/ert erhält, wobei an dem Kondensator ein Spannungsfühler angekoppelt ist, durch den ein Warnsignal abgebbar ist, sowie der Kondensator auf den niedrigen Wert entladen wird.

Die zweite Ausführungsform verwendet die drei bereits erwähnten Transistoren, zu denen weitere Verfeinerungen hinzutreten. So wird dem ersten Transistor in Kaskoden-Schaltung ein vierter Transistor zugefügt, um damit die Verstärkung zu erhöhen und eine größere Unempfindlichkeit gegen Restströme zu erzielen. Die Stromquelle ist in Kaskoden-Schaltung

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vorgesehen, so daß sie eine höhere Impedanzlast für den Kaskodenverstärker bildet und damit eine verbesserte Verstärkung ergibt. Um eine Sättigung dar oberen Kaskodenstufe zu verhindern, ist eine erste Klemmschaltung vorhanden. Ein sechster Transistor dient als Puffer; er ist dem zweiten Transistor vorgeschaltet.

Darüber hinaus weist die zweite Ausführungsform eine zweite Klemmschaltung auf, die dazu dient, die Sättigung des zweiten Transistors zu verhüten; sie enthält eine dritte Diode und den Eingangs-Ubergang eines siebten Transistors. Die auf die Wechselspannung ansprechende Schaltung der zweiten Ausführungsform ist an den Kollektor des siebten Transistors angekoppelt; sie spricht auf die gemeinsam mit der Schwingung auftretenden Spitzen im Basisstrom des zweiten Transistors an.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Rauchdetektors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des in einer typischen Ionisations-Rauchdetektorkammer unter verschiedenen elektrischen Feldbedingungen auftretenden Stromes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Prinzips einer Wechselstromkurzschlußmessung bei dem Rauchdetektor nach Fig. 1, zur Feststellung der Impedanz der Ionisations-Rauchdetektorkammer,

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Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Schaltung des Rauchdetektors nach Fig. 1 und

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Schaltung des Rauchdetektors nach Fig. 1.

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Das Blockschaltbild der Hauptbestandteile eines Rauchdetektors ist in Fig. 1 dargestellt. Der Rauchdetektor besteht aus einer elektrischen Schaltungsanordnung mit einer Ionisations-Rauchdetektorzellu 10, einer Impedanzüberwachungseinrichtung 11, einer Alarmgerät-Treiberstufe und einem Alarmgerät 13. Bei der Anwesenheit von Raucli stellt sich in der in geeigneter Weise an eine elektrische Spannung angeschlossenen Detektorzelle 10 eine Impedanzerhöhung ein.

Die Impedanzüberwachungseinrichtung 11 ist an die Detektorzelle 10 angeschlossen und tastet die bei der Anwesenheit von Rauch auftretenden Impedanzänderungen der Detektorzelle 10 ab. Wenn die Impedanz einen vorherbestimmten Grenzwert überschreitet, der einer bestimmten Rauchkonzentration entspricht, erzeugt die Impedanzüberwachungseinrichtung ein der Alarmgerät-Treiberstufe 12 zugeführtes Ausgangssignal. Das Ausgangssignal der Impedanzüberwachungseinrichtung 11 betätigt die Alarmgerät-Treiberstufe 12, deren dem Alarmgerät 13 zugeführtes Ausgangssignal das Alarmgerät einschaltet. Die Rauchdetektorzelle 10 ist in bekannter Weise aufgebaut und arbeitet nach dem Prinzip der Ionisation. Eine geeignete Detektorzelle verfügt über eine (^-Strahlungsquelle 17 mit einer radioaktiven Aktivität von 1 bis 4 Mikrokurie aus Americium 241, die in einer Meukammer untergebracht ist. Die Meßkainmer wird von zwei gegeneinander isolierten Metallteilen 18 und 19 begrenzt, mit deren Hilfe in dem der Λ-Strahlung ausgesetzten Bereich der Meiikammer ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird. Der obere Teil 18 ist ein Teilzylinder mit einer flachen Oberseite und einer zylindrischen Seitenwand. Die Oberseite ist entlang ihrem Umfang durchlöchert, um eine ungehinderte Luftdurchströmung mit in der Luft schwebenden Verbrennungsprodukten durch die Oberseite in das Innere der Mebkammer zu ermöglichen. Die Öffnung an der Unterseite des oberen Teils 18 ist durch das untere Teil 19 verschlossen.

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Das untere Teil 19 ist eine kreisföriniye Scheibe, die innerhalb des oberen Teils angebracht ist, um so die im wesentlichen geschlossene , zylindri sehe Meßkammer zu vervollständigen. Das untere Teil 19 hui einen kleineren Durclimesser als die zylindrischen Wände des oberen Teils 18, so daii eine elektrische Isolierung zustande kommt und eine ringförmige Öffnung um den Boden der MeiJkammer zurückbleibt, um die Einströmung von Luft in die Meukammer zu erleichtern. Die beiden Öffnungen sind so ausgelegt, daß ein freier Austausch der Umgebungsluft mit der innerhalb der Me!-.kammer vorhandenen Luft ermöglicht wird. Die durch die Teile 18 und 19 begrenzte Mebkammer hat einen typischen Durchmesser von 4 cm und eine Höhe von 0,7 5 cm. Die Ainericium-Strahlungsquelle 17 befindet sich in einem Scheibchen mit einem Durchmesser von 4 mm, das auf einem etwas erhabenen Sockel in der Mitte des unteren Teils 19 angeordnet ist. Jedes der Teile 18 und 19 verfügt über eine zum Anschluß an eine Spannungsquelle Destimmte Klenme .Bei dieser Anordnung bilden der nicht durchlöcherte Mittelabschnitt des oberen Teils und das untere Teil zwei parallele Platten, zwischen denen sich ein im wesentlichen homogenes elektrisches Feld parallel zur Achse des Zylinders in der die Americium-Strahlungsquelle umgebenden Luft ausbildet.

Der Rauchnachweis vollzieht sich unter Verwendung der radioaktiven, normalerweise o<-Teilchen aussendenden Strahlungsquelle 17, des elektrischen Feldes im Bereich um die Strahlungsquelle 17 und einer Schaltungsanordnung zum Abtasten der elektrischen Veränderung, die in der Detektorzelle 10 beim Auftreten von Rauch oder anderen Verbrennungsprodukten stattfindet. Die überwachte, sich verändernde elektrische Größe ist die Veränderung der elektrischen Impedanz der Detektorzelle 10. Der absolute Stromwert in der Detektorzelle 10 liegt normalerweise bei Spannungen unterhalb von 50 Volt im Bereich von 10 bis 500 Mikroampere, wobei die Impedanzwerte größenordnungsmäijig 4O.0OO Megohm betragen.

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Die Betriebseigenschaften der Detektorzelle 10 werden im folgenden zusammen mit einer genaueren Beschreibung der Anforderung an die zugeordnete Schaltungsanordnung erläutert.

Gewöhnliche Luft ist insbesondere bei niedrigen Feldstärken ein verhältnismäßig guter Isolator. Unter der Voraussetzung, daß ein kleines elektrisches Feld innerhalb der über keine radioaktive Quelle verfügenden Detektorzelle 10 vorhanden ist, können nur sehr geringe, normalerweise weniger als ein

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Picoampere (10 Ampere) betragende Ströme gemessen werden. Gewöhnliche Luft ist kein vollkommender Isolator, da eine kleine Anzahl ionisierter Teilchen meistens vorhanden ist, und diese unter dem Einfluii eines elektrischen Feldes zu der einen oder der anderen Elektrode getrieben werden und dadurch einen kleinen Strom unterhalten. Der Strom ist deswegen klein, weil die Ionenbewegung stochastisch ist und durch Rekombination viele Ionen neutralisiert werden, bevor sie auf eine der beiden Elektroden auftreffen. Höhere als die hier betrachteten elektrischen Feldstärken führen zu einem Durchschlag in der Luft und einem hohen Entladungsstrom.

Bei der Anwesenheit von CA -Teilchen wird die Detektorzelle 10 bereits bei geringen Feldstärken deutlich leitend. Der Ionisations-Rauchdetektor wird bei elektrischen Feldern im linearen Bereich unterhalb der Feldstärke betrieben, die für eine Sättigung oder Elektronen-Vervielfachung erforderlich ist.

In Fig. 2 ist die Kennlinie des Leitungsverhaltens einer repräsentativen Detektorzelle 10 dargestellt. Sie besteht aus drei Bereichen, die sich durch drei elektrische Feldstärke-Bereiche voneinander unterscheiden. In dem ersten Bereich mit geringer Feldstärke ist der Strom klein, aber meßbar und vergrößert sich näherungsweise linear mit anstei-

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gender Feldstärke. Der Strom rührt von den durch die C\ -Teilchen erzeugten Ionen her. Die von der Americium-Strahlunqsquelle ausgesandten >.λ -Tei] chen besitzen eine hohe Energie (5,5 MeV). Bei normalem Luftdruck stöut jedes 'X-Teilchen mit einer großen Zahl von Molekülen des umgebenden Gases zusammen und erzeugt auf diese Weise Ionen. Ein einzelnes *X -Teilchen hat bei eJnem mittleren Energieverlust von 35 eV pro Zusammenstoß genügend Energie, um 10 Ionen zu erzeugen, und es verliert auf diese Weise in der Mebkammer einen groben Teil seiner Energie. Der im allgemeinen nicht elastische Zusammenstoß schlägt ein einzelnes Elektron aus der Elektronenhülle des Gasmoleküles heraus und läßt ein positiv geladenes, einfach ionisiertes Gasmolekül zurück. In der Luft sind die positiv ionisierten Moleküle gewöhnlich Stickstoff. Das freie Elektron hat in der Luft nur eine kurze Lebensdauer und lagert sich (im allgemeinen) an ein Sauerstoffmolekül schnell an, wodurch ein negativ geladenes Gasmolekül gebildet wird. Alle Ionen verfügen über mittlere, thermische Geschwindigkeiten

(ungefähr 10 cm/sec), die sehr viel größer als die Geschwindigkeiten von 1,8 cm/sec pro V/cm sind, die von kleinen elektrischen Feldern hervorgerufen werden. Wenn das elektrische Feld zwischen den Elektroden schwach ist, ist die einem geladenen Gasmolekül in Richtung auf die Siiminelelektrode verliehene Geschwindigkeit klein und die für eine Rekombination vor dem Auftreffen auf eine Elektrode zur Verfügung stehende, im wesentlichen durch die thermische Energie bestimmte Zeit maximal. Wenn die Stärke des elektrischen Feldes ansteigt, werden die durch das Feld verursachten Geschwindigkeiten in Richtung auf die Elektroden bedeutender im Verhältnis zu den thermischen Geschwindigkeiten, wobei allmählich die mittlere Zeit bis zum Auf treffen eines Ions auf eine Elektrode reduziert wird und allmählich eine wesentliche Verringerung der für eine Ionen-Rekombination zur Verfügung stehenden Zeit bewirkt wird. Im Bereich geringer Feldstärken steigt der Ionenstrom naherungsweise pro-

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portional mit der Feldstärke an.

Der zweite und dritte Leitungsbereich in Fig. 2 werden Sättigungsbereich und Elektronen-VotvAelfachungsbereich genannt. Diese Bereiche werden im Betrieb der Detektorzelle 10 vermieden. Bei höheren Feldstärken erteilen die Felder den Ionen hohe Geschwindigkeiten in Richtung auf die Sammelelektroden. Das bedeutet, da^ die meisten der in die Mebkammer eingebrachten Ionen innerhalb einer sehr kurzen Zeit aufgefangen werden, wobei die negativen Ionen zu den positiven Elektroden und die positiven Ionen zu den negativen Elektroden gelangen. Bei diesen Feldstärkebedingungen werden Ionen-Rekombinationen vernachlässigbar und im wesentlichen werden alle Ionen getrennt gesammelt und tragen so zu dem Stromfluß bei. Geschieht dies, erreicht der Strom einen Plateau-Bereich, in dem ein weiteres Ansteigen der Feldstärke nur eine geringe Stromvergröuerung hervorruft. Die untere Begrenzung des Sättigungsbereiches liegt bei etwa 100 V/cm. Die obere Grenze des Sättigungsbereichs liegt an einer Stelle, bei der das Feld stark genug ist, um freie Elektronen auf eine für die Erzeugung zusätzlicher Ionen ausreichende Geschwindigkeit zu beschleunigen. Elektronen-Vervielfachung ist das Kennzeichen des dritten Leitungsbereiches.

Wenn Rauch bei einer geeigneten Strahlungsstärke_/ einer geeigneten Feldstärke (unterhalb des Sättigungsbereiches und unterhalb des Elektronen-Vervielfachungsbereiches) in eine Meßkammer eingeleitet wird, verringert sich der Ionisationsstrom _t und die elektrische Impedanz steigt an. Dies wird typischerweise durch die vom Rauch herbeigeführte Ionen-Rekombination erklärt. Bei der Rekombination wird ein Ion vor dem Auftreffen auf die Sammelelektrode neutralisiert und ein Transport von Ladung auf die Elektrode verhindert. Man vermutet, daß die Rauchpartikel Kerne für die Rekombination von Gasionen liefern, und deswegen wird der beobach-

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tete Stromrückgang bei der Anwesenheit von Rauch auf dieses Phänomen zurückgeführt.

Die Erklärung auf der Grundlage clci ι luchinduzierten Rekombination beruht auf den folgenden Annahmen und wird allgemein als richtig angesehen: Die Rauchpartikel haben im Vergleich zu den Gasmolekülen eine große Masse. Wegen ihrer Grobe bewegen sie sich bei thermischen Effekten langsam. Ihre Bewegung wird im wesentlichen wegen ihrer Grü..e und geringen Ladung von der geringen Feldstärke in der Detektorzelle nicht beeinflußt. Wenn ein Gas j on mit einem Rauchpartikel zusammenstößt, ist die Wahrscheinlichkeit für die Neutralisation des Gasions und eine übertragung seiner Ladung auf das Rauchpartikel groß. Es darf angenommen werden, daß ein Rauchpartikel von 1 Mikron etv/a 10 mal pro Sekunde von einem Gasmolekül· getroffen wird. Unter der Annahme einer gleichen Wahrscheiniichkeit für Zusammenstoße mit positiven und negativen Ionen darf bei einer großen Anzahl von Zusammenstößen erwartet werden, da/3 die Gesanitladung auf einen bestimmten Rauchpartikel in der Nähe von Null verbleibt.

Der Rekombinationseffekt kann beträchtlich sein. In einer Meßkammer mit einem Volumen von wenigen Kubikzentimentern beträgt die Gesamtzahl der Gasmoleküle etwa 10 . Bei einer

4 angemessenen Anzahl von Rauchteilchen, beispielsweise 10 oder mehr, kann man erwarten, daß die meisten Gasmoleküle einmal pro Sekunde mit einem Rauchpartikel zusammenstoßen und daß die meisten Gasmoleküle ihre Ladung bri dem Zusammenstoß verlieren. Zusammengefaßt bedeutet dies, daß genügend Ionenzusammenstöße mit den Rauchpartikel auJ treten, um einen wesentlichen Prozentsatz von Ionen zu neutral i :;i <.-ren und dadurch die Leitfähigkeit der Detektor/eJ 1e erheblich zu beeinflussen. In der Praxis sprechen die meisten Rauchdetektoren auf 1 bis 4 % Rauch an (d.h. Rauch, der die Lichttransmission über eine Entfernung von etwa 1/3 ni um 1 bis 4 % verkleinert). Die Leitfähigkeitsveiänderung, bei der ein Alarm ausgelöst wird, liegt im allgemeinen zwischen 5 und

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Der Ionisations-Rauchdetektor wird in dem Bereich geringer Feldstärke in ausreichendem Abstand vom Sättigungsbereich betrieben. Vorzugsweise liegt die Feldspannung zwischen 5 und 1 ■> V, wobei sich mit typischen radioaktiven Quellen normale Stromwerte zwischen 30 und 3OO Picoampero einstellen. Noch kleinere Feldstärken führen zu einer größeren Rauchempfindlichkeit, aber ebenfalls zu einer größeren Wahrscheinlichkeit für eine fehlerhafte Alarmauslösung. Die angegebene Wahl stellt einen Kompromiß dar zwischer maximaler Rauchempfindlichkeit und einer erwünschten Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Veränderungen der Luftgeschwindigkeit sowie bestimmten anderen Effekte, die zu Fehlalarmen führen könnten.

In Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Schaltung dargestellt, mittels der die Impedanz des Ionisations-Rauchdetektors10 überwacht wird. Die Schaltung besitzt eine hohe Empfindlichkeit und kann kleine Rauchkonzentrationen mit hoher Zuverlässigkeit aufspüren. Die Impedanzmessung beruht auf einer Wechselstrommessung der Kurzschlußimpedanz der Ionisations-Rauchdetektorzelle 10.

Wie aus Fig. 3 entnommen werden kann, verfügt die Schaltung über eine Wechselspannungsquelle 7, die Ionisations-Rauchdetektorzelle 10, einen Stromverstärker 8 und einen Lastwiderstand 9. Die Ionisations-Rauchdetektorzelle 10 ist als nicht geerdeter Zweipol dargestellt, der einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, zwischen denen eine große ohmsche Impedanz (4 χ 10 0hm) erscheint. Ein Anschluß der Wechselspannungsquelle 7 ist mit dem Lingangsanschluß der Detektorzelle und der andere Anschluß mit einem

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Masseanschluß der Schaltung oder Lrde verbunden. Der Ausgangsanschluß der Ionisations-Rauchdetektorzelle 10 ist an den Eingangsanschluß des Stromverstärkers 8 angeschlor.ijen .

Der Stromverstärker 8 ist als ein mit drei Anschlüssen versehenes Bauelement dargestellt, aas einen Eingangsanschluß, einen Ausgangsanschluß und einen Masseanschluß aufweist. Die Eingangsimpedanz (Z. ) ist innerhalb des Blocks zwischen dem Eingangsanschluß und dem Masseanschluß des Stromverstärkers 8 eingezeichnet. Der genaue Wert der Eingangsimpedanz ist solange unwesentlich, als er klein genug ist. Er sollte wesentlich kleiner als die Impedanz (4 χ 10 Ohm) der Ionisationskammer sein, um eine genaue Messung des Kurzschlußstromes zu gestatten, die durch Änderungen der Eingangsimpedanz (^_n) des Stromverstärkers unbeeinflußt bleibt. Ein Wert von 22 Megohm (2,2 χ 1O) ist typisch und kleiner als 0,1 ^ der Meßkammerimpedanz. Im Ausgangsstromkreis des Stromverstärkers 8 wird ein Strom I erzeugt:

I = K I.
ο in

wobei K die Verstärkung des Stromverstärkers 8 (typisch 66 db) ist. Der Ausgang des Stromverstärkers 8, an dem der Strom I auftritt, speist den Lastwiderstand 9 mit einem Widerstandswert R, . Die erzeugte Ausgangsspannung (E ) beträgt:

E = I R_T
ο oh

Das Stabilitätsproblem der Verstärkung in Abhängigkeit von der Temperatur ist von besonderer Bedeutung, da die Verstärkung sowohl groß als auch genau sein muß. Die über die

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Ionisationskammer eingespeisten Ströme liegen im Be-

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reich von 30 - 300 χ 10 Anipöre. Die Verstärkung, die notwendig ist, um die Ausgangsspannung des Verstärkers gleich dor Versorgungswechselspannuiij über der Meßkammer werden zu lassen ist 40 000 Megohm/20 Megohm oder 2 0OO (d.h. 66 db). Dieser Verstärkungsbedarf erfüllt das Kriterium der Einheitsverstärkung in dem Fall, daß die Meßkammer ein in Reihe geschaltetes Rückkopplungselement zwischen dem Verstärkerausgang und dem Eingang wird. Dies bestimmt einen praktischen Stromverstärkungsbedarf für den Verstärker. Bei 4 % Rauch, d.h. Rauch der die Lichttransmission um 4 % innerhalb eines Weges von cn. 1/3 m verringert, führt der elektrische Effekt in einer Ionisationsmeßkammer zu einer Änderung des Stromes um 16 %. Diese elektrische Änderung beträgt weniger als 2 db. Falls entsprechend eine Empfindlichkeit von 2 % Rauch gewünscht wird, ist die Stromänderung kleiner als 1 db. Schließlich, wenn eine Ansprechempfindlichkeit auf 1 % Rauch erwünscht ist, beträgt die Stromänderung weniger als 1/5 db. Dies entspricht einem üblichen, praktischen Bedarf. Zusammengefaßt ist eine Verstärkung von 66 db mit einer Genauigkeit von weniger als 1/5 eines db erforderlich, um Rauchmessungen mit einer Genauigkeit von 1 %"Rauch" zu ermöglichen. Innerhalb eines Temperaturbereichs von 0 bis 50 C können die Stromverstärkungsfaktoren p der einzelnen Transistoren um 10 % varieren und so eine Nettoverstärkungsänderung von 30 % bei drei Verstärkerstufen bewirken. Die 30 iige Änderung des Stromverstärkungsfaktors ί entspricht ungefähr 3 db. Um diesen Verstärkungsfehler von 3 db auf 0,03 db(eine Reduzierung der Verstärkungsänderung um den Faktor 1OO) zu verringern muß ein (Jogenkopplüngynetzv/erk zur Reduzierung des Verstärkungsfaktors um 4(J db verwendet werden. Bei ausreichendem Verstärkungsüberschuß be-

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stimmt die Impedanz des Rückkopplunysnetzwerkes den Verstärkungsfaktor, und das Ausmaß der Gegenkopplung bestimmt die Genauigkeit mit der dieser Verstärkungsfaktor bei Parameter-Veränderungen ϊ>· !behalten wird. Da eine Verstärkung von 66 db erforderlich ist, um die notwendige Stromverstärkung zu bewirken/iind 40 db für die Stabilisierung der Verstärkung durch Gegenkopplung erforderlich sind, verlangt der Verstärker eine Gesamtverstärkung von 104 db. Kine solche Verstärkung kann mittels dreier Stromverstärkerstufen erreicht werden, wenn die Stromverst.ärkungsfaktoren

;'■ der Transistoren mindestens 100 betragen und der Verstärker in geeignter Weise aufgebaut ist.

Die hier erwogenen Wechselstrommessungen gewährleisten eine Unempfindlichkeit gegenüber Gleichspannungs-Restströmen, die normalerweise einen Gleichstrombetrieb mit bipolaren Transistoren ausschließen würden. Typische Signalwerte bei einer Meßkammer mit 3,6 yu-Mikrocurie

sind TH⁶ = 2 χ 10~ Ampere. Der Reststrom

des Transistors in der ersten Verstärkerstufe hat den wesentlichsten Einfluß auf den Ausgangskreis. Typische Restströme für integrierte bipolare Transistoren betragen 0,2 χ 10~ Ampere bei 0° C und steigen bei 50° C

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um das 1Ofache auf 2 χ 10 Ampere an. Wenn Gleichstrommessungen vorgenommen würden, würde diese Wanderung die Verwendung von bipolaren Transistoren ausschließen. In dem vorliegenden Schaltkreis stellt sich die Auswanderung als eine Spannungsverschiebung um 4 Millivolt in der Spannung der Ausgangsstufe dar. Da der Verstärker für Wechselstromverstärkung ausgelegt ist, ist diese Verschiebung klein genug um den Betrieb nicht zu beeinträchtigen, es sei denn sie geschieht in schnellem

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Wechsel, und eine besondere Kompensation wird nicht benötigt.

Schließlich ist auch die Meßkammer nelbst temperaturempfindlich. Es hat sich herausgestellt, daß die Meßkammer eine Widerstandsänderung von etwa 0,2 % pro Grad Celsius erfährt. Innerhalb eines Bereiches von 5O° C führt dies zu einer Widerstandsänderung von 10 %. Da eine 10 %ige Veränderung größer als die 8 %igr, durch 2 % Rauch hervorgerufene Widerstandsänderung ist, ergibt sich die Notwendigkeit der Temperaturkompensation. Die Kompensation wird in einer praktischen Ausführungsform durch Verwendung eines integrierten Widerstandes im Rückkopplungsnetzwerk erreicht, der einen vergleichbaren Temperaturkoeffizienten entgegengesetzten Vorzeichens aufweist.

Die hier beschriebenen, bipolaren,integrierten Transistoren verfügen über einen hinreichenden Rauschabstand für Rauchüberwachung. Eine Veränderung des Rauschens um 0,1 % würde eine vernachlässigbare Änderung der Amplitude hervorrufen. Während eine solche Leistungsfähigkeit nicht ohne weiteres zur Verfügung steht, verursacht das beobachtete 1/f-Rauschen bei der Verwendung üblicher, bipolarer,integrierter Transistoren ungefähr das Äquivalent einer 1 %igen Verstärkungsänderung (40 db Signal/Rausch-Verhältnis) in der Schwellenwertamplitude.

Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Rauchdetektor^ Es enthält die an die Ionisations-Rauchuetektorzelle 10 angeschlossene Impedanz-Uberwachungseinrichtung 11. Die Impedanz-Uberwachungseinrichtung 11 ist mit aktiven,

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bipolaren Schaltkreisen ausgestattet, die in bekannter Siliziumtechnologie integriert und für eine geringe Stromauf nähme ausgelegt sind. i)io Impedanzüberwachungseinrichtung verfügt über einen Fühleroszillator, der die Kauchdetektorzelle 10 als elektrisches Bauelement enthält und weist einen Schwingungsdetektor auf.

Der Fühleroszillator besteht aus einem Verstärker hoher Vorwärtsverstärkung mit den Transistoren Ql, Q5, Q4 und Q2, mit einem Gegenkopplungszweirj aus den passiven Bauelementen 20 bis 23, mit einem kückkopplungszweig, der die Rauchdetektorzelle 10 und einen Kondensator 24 enthält und mit geeigneten Vorspannungseinrichtungen. Wie erläutert werden wird, sind die Vorwärtsverstärkung und die Rückkopplungs- sowie Gegenkopplungsparameter so eingestellt, daß die Verstärkung unter normalen Bedingungen bei Abwesenheit von Rauch größer als 1 ist und dadurch Schwingungen ausgelöst werden. Bei der Anwesenheit von Rauch sinkt die Verstärkung unter 1 und die Schwingungen hören auf.

Der Fühleroszillator ist wie folgt zusammengeschaltet: Der Vorwärtsverstarkungsweg führt vom Transistor Q1 über Q5 und Q4 nach Q2. Der Eingangstransistor Q1 ist in Emitterschaltung mit der Basis als Eingang und einer hohen Stromverstärkung geschaltet. Der Transistor Q1 ist ein auf einem Halbleitersubstrat integrierter NPN-Transistor, dessen Basis über einen Anschluß 30 am Rand des Substrates mit der Klemme 19 der Rauchdetektorzelle 10 verbunden ist. Diese Verbindung speist rauchinduzierte Veränderungen der Impedanz oder RUckkopplungsströme in den Vorwärtsverstarkungsweg ein. Der Emitter

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von Q1 liegt an Masse und die Ausgangsspannung, die an seinem Kollektor auftritt, ist mit der basis des längsdiffundierten (laterally diffused) PNP-Transistors Q5 kaskadenartig gekoppelt. Der Kollektor von Q5 liegt an Masse, und der das Ausgangssignal aufweisende Emitter ist mit der Basis des Transistors Q4 der dritten Kaskadenstufe gekoppelt. Die mit dem Verbindungspunkt der Transistoren Q5 und Q4 in Verbindung stehende Stromquelle Q3 ist ein längsdiffundierter (laterally developed) PNP-Transistor, der über die Leitung 31 mit der Spannung U+ versorgt wird. Der Stromquellentransistor Q3 liefert somit den Basisstrom des Transistors Q4 und den Emitterstrom des Transistors Q5 sowie über den Basisstrom des Transistors Q5 den Kollektorstrom des Transistors Q1. Selbst bei fehlendem Transistor Q5 ist der Belastungswiderstand der Stromquelle Q3 sehr hoch und erlaubt einen Betrieb mit hoher Verstärkung_/ falls keine andere Belastung vorhanden ist. Die in Kaskade geschaltete zweite Stufe Q5 trägt zu der Verstärkung bei und reduziert die Anforderungen an den Basisstrom von Ql bis in die Sub-Nanoamperebereich, um die hohe Impedanz der RauchdetektorzeHe 10 anzupassen.

Weiter in dem Vorwärtsverstärkungsweg des Fühleroszillators befinden sich die dritte und vierte Signalverstärkerstufe, die jeweils mit NPN-Transistören Q4 und Q2 bestückt sind. Der Transistor Q4 ist ein Puffer zwischen Q5 und der letzten Verstärkerstufe Q2 und erlaubt sowohl eine zusätzliche Verstärkung als auch eine Möglichkeit zur Lieferung eines isolierten Ausgangssignales zur Anzeige des Schwingungszustandes. Der Kollektorstrom des Transistors Q4 wird über die Basis eines längsdiffundierten PNP-Transistors Q11 geliefert. Der Emitter des Transistors Q11 ist mit der Leitung B+ verbunden, wobei sein Kollektor, wie unten beschrieben, mit dem Schwingungsdetektor in Verbindung

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steht. Der Emitter des Puffers Q4 ist an die Basis des Transistors (J2 angeschlossen um einen Basisstrom sowie ein Signal zuzuführen. Der Transistor Q2 zieht seinen Eiuitterstrom aus dem KoI U-Ur₁ eines Stromquellentransistors ^12, dessen Emitter über die Leitung 34 auf dem Substrat geerdet ist. Der Emitter von Q2 steht ebenfalls mit dem Anschluß 35 am Rand des Halbleitersubstrates in Verbindung, an den die externen oder nicht integrierten Gegenkopplungsimpednnzen angeschlossen sind. Der Kollektor von 0.2 ist an den Anschluß 36 angeschlossen, mit dem der Kollektor Lastwiderstand 32 verbunden ist und an dem der äußere Rückkopplungsweg beginnt. Die andere Klemme des Lastwiderstandes 32 steht über einen dem Anschluß 33 mit der Spannung B+ in Verbindung .

Wie vorher erläutert, verringert das Gegenkopplungsnetzwerk die hohe Vorwärtsverstärkung des Fühleroszillators bis in die Nähe der Einheitsverstärkung und die Schwingungsbedingung hängt von der Impedanz der Rauchdetektorzelle ab, durch die der Rückkopplungsstrom fließt. Das Gegenkopplungsnetzwerk besteht aus einem ersten 22 Megohm Widerstand 20, der durch einen 0,001 Mikrofarad-Kondensator 21 überbrückt ist und mit dem Emitterausgang des Transistors 0.2 über den Anschluß 35 und mit der Eingangsbasis des Transistors Üi über den Anschluß 30 verbunden ist. Ein 14 Kiloohni Widerstand 22 und ein 68 Mikrofarad-Kondensator 23 sind in Reihe zwischen dem Anschluß 35 und einer externen Masse eingeschaltet.

Der Rückkopplungsweg enthält einen einstellbaren Kondensator 24, mit Luft als Dielektrikum,von 56 Pikofarad, der in Reihe mit der Rauchdetektorzelle 10 liegt. Der Kondensator 24 ist mit dem Kollektoranschluß 36 und der Klemme 18

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der Rauchdetektorzelle 10 verbunden. Die Klemme 19 der Rauchdetektorzelle 10 ist mit dom Anschluß 30 verbunden. Die Vorwärtsspannungs-Verstürkung der gesamten Schaltung beträgt etwa 1< >! ι lh. Wenn die Rückkopplung mitberücksichtigt wird, kann die Verstärkung näherungsweise wie folgt ausgedrückt werden:

^Ri ^RL Verstärkung = x

^Rg ^Rf

worin R₁ = R₂₀ ; R_L = R₃₂, R_f = R₃₂ und R.^, R₃₂, R₃₂

die Widerstände in Fig. 4 und R der Widerstand (40 0OO Megohm) der Rauchdetektorzelle 10 sind.

Durch Einsetzen ergibt sich:

„ .„ . 20 χ 10⁶ χ 26 xiO⁶ Verstärkung = r 7 τ

40 χ 10^J χ 1O κ 14 χ 10

56Ο

Ein Blick auf die Gleichungen zeigt, daß bei Erhöhung der Impedanz R um 2 % die Verstärkung der Schaltung nicht mehr über 1 liegt und die Schwingungen aufhören. Der einstellbare Kondensator 24 ist vorgesehen, um den genauen Punkt bei dem Schwingungen auftreten, einzustellen.

Der Schwingungsdetektor fühlt ab, ob der Oszillator zu schwingen aufhört und zeigt somit an, wann die

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Impedanz der Detektorzelle um einen vorhergesehenen Wert gefallen ist, der einer bestimmten Rauchkonzentration entspricht. Wie oben bemerkt, schwingt der Verstärker U1 , Q5, Q2, Q4 unter normalen, ra„>:arreien Bedingungen. Beim Schwingen pendelt der Ausgangstransistor Q2 zwischen einem Sperr- und einem Sättigungnzustand. Im iiperrzustand erreicht die Kollektorspanming von Q2 ein Maximum, wobei üer Kollektorstrom gleichzeitig kleiner wird. Im Sättigungszustand erreicht die Kollektorspannung von Q2 das Massepotential und währenu .':ich der Kollektor übergang der Durchlaßspannung näherL, kann ein Strom in Durchlaßrichtung auftreten, der den unteren Teil der Kollektor spannungs-Wellenform abschneidet und so eine Folge von momentanen Basis-Stromimpulsen erzeugt. Die Pufferstufe Q4, die den Basisstrom für »_>2 liefert, erhöht gleichzeitig mit Q2 den Strom, und die aiu Kollektor von Q4 auftretenden Stromimpuls werden,v/i e im folgenden erläutert ist_; abgetastet, um das Schwingen festzustellen.

Der Schwingungsdetektor enthält die Transistoren QI1 und Q13 bis UI7, sowie Dioden D2 und D3 und einen Kondensator 25. Der Schwingungsdetektor erzeugt eine an dem Kondensator 2 5 auftretende Ausgangsspannung, die etwa der Spannung B+ entspricht, v/enn Schwingungen vorhanden sind,und in der Nähe von Null liegt, falls die Schwingungen aufhören sollten. Tritt eine Ausgangsspannung im Bereich von Null auf, wird die Alarmgerättreiberstufe 12 wirksam und erzeugt ein Alarmsignal.

Der Schaltkreis des Schwingungsdetektors ist wie folgt aufgebaut: Der Transistor Q11 am Eingang des Detektors ist ein längsscliif fundierter PNP-Transistor, dessen Lasis mit dem Kollektor des Transistors Q4 vorbanden ist, um

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die Schwingungen abzutasten. Sein Emitter ist an die Leitung 31 mit der Spannung B+ und sein Kollektor an den Kollektor eines NPN-Stromquellentransistors Q15 zur Stromversorgung angeschlossen. Die Basis des Stromquellentransistors Q15 ist mit der Anode eines als Diode D2 geschalteten Transistors und der Basis einer zweiten NPN-Transistorstromquelle Q16 verbunden- Der Kollektor von Q16 steht mit dem Anschluß 37 in Verbindung. Die Kathode der Diode D2 und die Emitter der Stromquellentransistoren Q15 und Q16 sind geerdet. Die Stromwerte in Q15 und Q16 sind, wie weiter unter erläutert wird, in Abhängigkeit von dem Strom in Diode D2 eingestellt. Der Strom in der Diode D2 ist durch einen Stromquellentransistor Q17 bestimmt, dessen Kollektor mit der Kathode von D2 verbunden ist und dessen Emitter an die Leitung 31 mit der Spannung B+ angeschlossen ist. Die Basis des Transistors Q17 ist an die primäre Bezugsstromquelle der Schaltung angekoppelt. Die Basen von Q3, QI7, Q18 und Q19 sind mit dieser Referenz verbunden. Es genügt zu erwähnen ,daß das Stromquellennetzwerk einen Strom in der Diode D2 von einem Bruchteil (0,36) eines Mikroamperes hervorruft und halb so große Ströme (O,18 Mikroampere) in der Stromquelle Q15 und 0.16. Der Kondensator 25 liegt zwischen dem Anschluß 37 (mit dem der Kollektor des Transistors 0.16 verbunden ist) und dem Anschluß 38, der mit der internen Masseleitung 34 verbunden ist. Unter der Annahme, daß Q16 einen Strom von 0-18 Mikroampere, wie durch das Stromnetzwerk eingestellt, leitet und nicht durch einen Strom überfahren wird, der von noch nicht beschriebenen Teilen des Schwingungsdetektors geliefert wird, entlädt der Transistor Q16 so lange den Kondensator 25, bis seine Ladespannung sich dem Massepotential nähert. (Falls das Basis-

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potential von Q16 beispielsweise durch Sättigung von Q15 reduziert wird, findet die Entladung ebenfalls, jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit statt}.

Wenn Schwingungen auftreten, wird der Kondensator 25 daran gehindert sich zu entladen, sondern lädt sich auf ein in der Nähe von B+ liegendes Potential auf. Dieses Ergebnis wird mit Hilfe der Schaltelemente QI1, D3, Q13 und Q14 erreicht, die fähig sind, den Kondensator 25 mit einer Geschwindigkeit zu laden, die größer als die Entladegeschwindigkeit durch den Transistor Q16 ist. Das Ausgangssignal des Kollektors von Q11 wird der Basis des NPN-Transistors Q13 zugeführt, dessen Emitter mit dem Anschluß 37 und dessen Kollektor mit der Basis des PNP-Transistors Q14 verbunden ist .Der ^inyangs-Übergang von Q13 ist durch einen in Vorwärtsrichtung gepolten, als Diode geschalteten Transistor D3 überbrückt. Der Emitter von Q14 ist mit der Leitung B+ in Verbindung. Der Kollektor von Q14 ist sowohl mit dem Emitter von QI3 und dem Anschluß 37 als auch dem Kondensatorladeschaltkreis verbunden. Die Verbindung zwischen Diode D3 und Q13 bildet eine Umleitung für den von Q11 kommenden Strom in die Basis von Q14. Der Transistor Q14 liefert einen Kondensatorladestrom, der den durch Q16 hervorgerufenen Entladestrom wesentlich übersteigt.

Der Kondensatorladeschaltkreis lädt den Kondensator 25, wenn der durch den Transistor Q15 festgelegte Stromschwellenwert überschritten wird, wobei diese Bedingung nur während des Schwingens erfüllbar ist. Unter der Annahme,daß der Strom in Q11 unterhalb des in Q15 eingestellten Schwellenwertstroms (0,18 Mikroampere)liegt, wird die an der Basis von Q13, y14 liegende Spannung durch den gesättigten Transistor <.)1L> auf Massepotential

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festgehalten. Der Transistor Q15 ist durch Kollektorstromaushungerung bei der Anwesenheit einer durch die Referenzdiode D2 an seinen Eingangs-Übergang angelegten Vorspannung in Durchlaßrichtung im ii.it tigungsbereich festgehalten. Dies verursacht, daß sich sowohl der Eingang: Übergang als auch der Ausgangs-Überganq der Durchlaßspannung nähern und eine in der Nähe von Null liegende Nettospannungsdifferenz zwischen Kollektor und Masse erzeugen. Wenn der Oszillator-Transistor Q2 im Verlaufe eines Oszillatorzyklus klammert, wird ein scharfer Anstieg des Basisstroms in Q11 hervorgerufen. Dadurch wird Q11 eingeschaltet, und der Kollektorstrom in Q11 übersteigt den Schwellenwert (0,18 Mikroampere). Wenn eine ausreichende Strommenge zur Verfügung steht, wird die Stromquelle Q15 aus dem Sättigungsbereich herausgezogen und ein positiver Impuls, der den Anstieg der Kollektorspannung von 015 wiederspiegelt, wird der Basis des Transistors Q13 zugeführt. Dieser Impuls betätigt den QI3 und 0.14 aufweisenden Ladeschaltkreis. Der Schwellenwert von Q15 ist so festgelegt, daß Q11 daran gehindert ist, eine Ausgangsspannung in Abwesenheit von Schwingungen zu erzeugen.

Die Ladegeschwindigkeit von Q14 wird durch die Anwesenheit der Diode D3 am Eingang des Transistors Q13,der seinen Strom aus der Stromquelle 0.16 bezieht, im Interesse einer Stromersparnis bemessen.Die Umleitung zwingt den Kollektor-und Emitterstrom in Q13 dazu,den Strom in der Diode D3 wiederzuspiegeln. Der wirkliche, in den Kondensator 25 fließende Ladestrom ist eine Funktion des Produktes der Stromverstärkungen von Q11 und QI4 mit dem Basisstrom von Q11, d.h. typischerweise 400 χ L₁₁

Oll.

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- 34 - 2 7 b 3 3 2 A

Der Kondensator 25 wird im wesentlichen mit einem oder zwei Impulsen innerhalb weniyer Sekunden geladen.

Das GIe ichstrom-Vorspannungsnetzwe: 1. int für die Herstellung der Stromsenken in jedem Abschnitt des Schaltkreises sowie für die Bestimmung des Schwellenwertes des Schwingungsdetektors verantwortlich und sorgt für die Erhaltung der Schwingunyssymmotrι υ falls B+ abfällt.

Die primäre Stromreferenz für das Gleichspannungs-Vorspannungs-Netzwerk enthält PiJl'-Transistoren Q18, Q20 und einen 22 Megohm Widerstand 39. Der Emitter von Q18, der die Stromquelle der Referenz bildet, ist mit D+ verbunden, während sein Kollektor über einen Anschluß 4ü und den 22 Megohm Widerstand 39 mit der Masse verbunden ist. Der Kollektor von Q18 ist mit der Basis des PNP-Transistors Q20 zusammengeschaltet, der einen Puffer für die Lieferung des Basisstroms von Q18 und die anderen sekundären Stromquellen darstellt. Der Emitter von Q20 ist zu diesem Zweck mit den Basen der Transistoren 018, 03 und 017 in Verbindung. Der Kollektor von 020 ist mit der Masse in Verbindung,um den Stromweg zu schließen. Bei dieser Anordnung liefert der Puffer 020 einen Basisstrom zu den gesteuerten Transistoren mit einer minimalen (1/& ) Stromumlenkung von dem Kollektor des Transistors Q18. Ein zweites Merkmal dieser Anordnung ist,daß die Verbindung der Basis von Q20 mit dem Anschluß 40 gewährleistet, daß die am Widerstand 3¹J liegende Spannung völlig stabil ist und auf einem Potential festgehalten wird, das der B+ Vorspannung,vermindert um die Spannungsabfälle der beiden Eingangs-Übergänye (V, .. „ V J₁ entspricht.

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- 35 Der Referenzstrom ist somit:

B+ -2 (V, )

^ref 22, x 10⁶

In dein Gleichspannungs-Vorspannungs-tJetzwerk bestimmt die primäre Referenz QI8 den Stromwert (0,36 Mikroampere) in der Stromquelle Q3 für die Verstärkerstufen Q1 und o5 sowie den Stromwert (O,O36 Mikroampere) in der Stromquelle Q19, die die Nebenstromquellu Ql2 mit dem halben Strom von O.19 steuert und Strom zu den Verstärkerstufen Q2 und Q4 liefert, und schließlich den Stromwert in der Stromquelle Q17, die zwei Stromwerte von O,18 Mikroampere in dem Schwingungsdetektor-Schaltkreis festlegt. Darüber hinaus ist das Gleichspannungs-Vorspannungs-Netzwerk so eingestellt, daß es für die Zentrierung des Oszillators sorgt. Der zu zentrierende Punkt ist die Kollektorverbindung von Q2 am Anschluß 36. Wie oben erwähnt ist der am Emitter von Q2 eingestellte Strom 0,018 Mikroampere. Dieser Strom ist durch den Widerstand 39 (22 Megohm) und die B+ Spannung/vermindert um zwei Diodenspannungsabfälle , festgelegt und anschließend in zv/ei Teile durch das einheitsgeometrische Verhältnis von D1 und Q12 geteilt. Der Widerstand 32 ist auf 26 Megohm eingestellt, einen Wert,der so berechnet ist, daß ein Spannungsabfall mit etwa der Hälfte der Spannung B+ bei den erwähnten Stromwerten auftritt. Die Anordnung führt dazu, daß die Mittelspannung im wesentlichen eine Funktion des Verhältnisses dieser beiden Widerstände ist und gewährleistet, daß sie unabhängig von Schwankungen im gleichen Verhältnis zu der Gesamtspannung steht.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist für eine Integrierumj

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ausgelegt, bei der alle Dioden und Transistoren auf einem einzelnen Chip integriert sind, wobei konventionelle bipolare Prozesse Verwendung finden. Wogen der sehr unterschiedlichen Widerstandsworl·· r.imi keine Widerstünde,mit der Ausnahme von R22 integriert, der für die Temperaturkompensation verwendet werden kann. Keiner der Kondensatoren ist integriert.

Line zweite Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Die Anordnung ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sowohl bezüglich des Fühleroszillators als auch des Schwingungsdetektors verändert ..Sie ist ebenfalls für die Herstellung in integrierter Bauweise bestimmt.

Der Fühleroszillator des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 hat eine größere Verstärkung und größere Immunität gegenüber einem Reststrom (d.h. dem Kollektor-Basis-Reststrom) als das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Die Vorteile ergeben sich aus der Verwendung einer Kaskode-Eingangsstufe. Der Vorwärtsverstärkungsweg des Fühleroszillators enthält die Transistoren Q2"\ , Q41, Q24 und Q22. Die Transistoren ()21 und Q41 sind in Kaskode geschaltet, wobei das Eingangssignal der Basis von ζ)21 zugeführt wird. Der Emi tter von Q21 liegt an Masse und der Kollektor von Q21 ist mit dem Emitter von Q41 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q41, an dem das Ausgangssignal abgenommen wird, ist mit einer Stromquelle gekoppelt, die aus den Transistoren Q23 und Q42 besteht. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 können kleine Kollektor-Basi s-Restströnie in Q1 auftreten, und falls dies der Fall ist, werden sie der Basis von Q5 zugeführt. Wenn sie der Basis der nächsten Verstärkerstufe zugeführt werden, wird der

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Reststrom mit dem Stromverstärkungsfaktor fi (.i200) dieser Stufe verstärkt, so daß er einen großen Einfluß auf den Ausgangsstrom der zweiten Stufe nimmt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fiq. 5 kann der Reststrom ebenso auftreten,aber er ist mit dem Emitter der oberen Kaskodestufe 41 verbunden. Beim Anlegen an den Emitter ist die Stromverstärkung ungefähr eins und beeinflußt den Ausgangsstrom der Kaskodestufe nicht wesentlich.

Das Vorspannungsnetzwerk der Kaskodon-Oszillator-Stufe enthält eine Klemmung, um die Kollektorstromzuführung in das Substrat an der Sättigung dur oberen Stufe zu hindern. Der Eingangs-Ubergang der unteren Stufe Q21 der Kaskodenstufe ist in Durchlaßrichtung mit einem sehr geringen (Sub-Nanoampere) Basisstrom vorgespannt, wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläutert ist. Die Basis der oberen Stufe Q21 ist auf einer Spannung festgehalten, die um zwei Diodenspannungsabfälle oberhalb Masse liegt, indem sie an eine Kette von vier» in Durchlaßrichtung gepolten Dioden D21, D25, D26 und D28 angeschlossen ist. Die Dioden werden in ihrem Durchlaßzustand durch einen Strom gehalten, der >ron einer sekundären Stromquelle (Transistor Q39) geliefert wird. Der Kollektor des Transistors Q39 ist mit der Anode der ersten Diode in der Kette, der Diode D28₍ verbunden.Die Kathode der Diode D28 ist an die Anode der Diode D26, der zweiten Diode der Kette, angeschlossen. Die Kathode von D25 ist mit der Anode der Diode D21 zusammengeschaltet, die die vierte und letzte Diode in der Kette darstellt und deren Kathode geerdet ist. Die Basis des Transistors Q41 ist mit der Diodenketteam Verbindungspunkt der Dioden 026 und D2S

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verbunden, wodurch das Basispotential auf zwei Diodenspannuncjsabfalle oberhalb des Massepotentials festgelegt wird. Eine andere Diode D27 dient zur Vervollständigung der Klemmung. Die Anod*· ;l<;r Diode D27 ist mit der Anode; von D26 in Verbindung und ihre Kathode ist an den Kollektor von U'11 angeschlossen. Die Dioden D26 und D27 dienen zur Klemmung,um zu verhindern, daß die Kollektorspannung von QA1 bis unter die Spannung an der Basis von Q41 fällt,und verhindern somit eine Stromeinspeisung in das Substrat, falls Q41 in die Sättigung getrieben werden sollte.

Die Stromquelle der Kaskoden-Oszillator-Eingangsstufe ist selbst als Kaskode ausgelegt, um eine hohe Impedanz im Verhältnis zu der Impedanz der Kaskoden-Eingangsstufe zur Erzielung einer maximalen Verstärkung zu erhalten. Die Kaskode-Stromquelle verfügt über Transistoren Q23 und Q42. Der Transistor U23 ist ein PUP-Transistor, dessen Emitter mit der Leitung B+ verbunden ist und dessen Basis mit der gemeinsamen Basisleitung der anderen sekundären Stromquellen (Q39, 037) verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q23 ist mit dem Emitter des PNP-Transistors Q42 zur Erzielung einer Kaskode verbunden. Der Transistor Q42 wird durch die Verbindung seiner Basis mit dem Kollektor des die primäre Stromreferenz bildenden Transistors Q3Ö im Durchlaßzustand gehalten. Der Kollektor des Stromquellentransistors Q42 ist mit dem Kollektor des Kaskode-Verstärkungstransistors Q41 verbunden, um den Kaskode-Verstärker mit Strom zu versorgen.

Die Kaskode-Stromquelle ist so ausgelegt, daß sie eine genügend hohe Impedanz für einen Betrieb mit maximaler Verstärkung der Kaskode-Oszillator-Eingangsstufe hat.

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Definitionsgemäß hat eine Stromquelle einen Innenwiderstand, der groß im Verhältnis zur Impedanz der äußeren Last ist, so daß der durch die Last gezogene Strom unabhängig von Änderungen dti l.astimpedanz ist. Im idealen Fall hat die Stromquelle einen unendlich großen Innenwiderstand. Während die externe Last der Stromquelle der Verstärker ist, ist die externe Last des Verstärkers die Stromquelle»und die Verstärkung des Verstärkers ist eine direkte Funktion seiner externen Lastimpedanz. Läßt man die Last des Verstärkers gegen Unendlich gehen, so würde bei keiner weiteren Last der Verstärkungsfaktor des Verstärker:; sich ebenfalls Unendlich nähern. In der Praxis hat eine Kaskode-Verstärkungsstufe eine sehr hohe Impedanz. Daher ist es im Interesse einer maximalen Verstärkung wünschenswert, daß die Stromquelle die höchstmögliche Impedanz auf v/eist, und somit wird es erforderlich, die Stromquelle in Kaskode zu schalten. Der Kaskode-Verstärker hat ungefähr eine Verstärkung von 80 db, wenn er mit Strom aus der Kaskode-Stromversorgung gespeist wird.

Der Transistor Q24, die Diode D24 und der Transistor 0.22 vervollständigen den Vorwärtsverstärkungsweg des Oszillators, wobei die Diode D23 eine Klemmung verursacht, um die Sättigung des Transistors Q22 zu verhindern. Das Ausgangssignal der Kaskode-Verstärkerstufe wird der Basis des Lmitter-Folgertransistors Q24 zugeführt. Der Kollektor von Q24 ist mit der Leitung B+ verbunden, und das an dem Emitter von Q24 abnehmbare Signal wird über die in Durchlaßrichtung gepolte Diode D24 der Basis des Verstärkungstransistors ü22 zugeführt. Die Diode D24 ist vorgesehen, um zu gewährleisten, daß die Diode D27 normalerweise ausgeschaltet ist. Der Transistor J22 stellt die letzte Stufe im Oszillator-Verstärkungs-

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kreis dar. Der Kollektor von <J22, an uciii die üszillatorausgangsspannung abnehmbar ist, i.'Jt über eine Reihe von Lastwiderstanden 52, 53 und 55 mit großen Widerstandswerten mit B+ verbunden. Der Emiiiij von ü.22 ist an den Kollektor von Q32 angeschlossen, der eine sekundäre Stromreferenz bildet, die den Lmittcrstrom dor Transistors ü.22 fefitsetzt. Die beiden Basiseingangsstufen (U24, 0.22) stellen eine hochohmige Last (typisch 4üü Megohm) für die Kaskode-L'ingangsstufe dar. Soiui t erhalten sie gut die ö(J db Verstärkung, die im Inealfall zur Verfugung steht, wenn die Stromquelle u i <_■ einzige Last ist und tragen zusätzliche Verstärkung zur Erzielung der Gesamtverstärkung von etwa 104 db bei.

Die Diode D23 sorgt in Verbindung mit den Transistoren 0.21 und 0.31, sowie der Diodenkette 1)21, D25, D26, D23 für eine Klemmung des Transistors U22 und liefert einen ersten Schwellenwert im Weg der Schwingung;;abtastung. Der Emitter von 022 ist über den Widerstand 40 mit der Basis von 0.31 verbunden und verbleibt somit auf einem um einen Diodenspannungsabfall über dem Massepotential liegenden Potential. Der Kollektor des Transistors O.22 ist mit der Kathode der Diode D2 3 in Verbindung, deren Anode mit dem Emitter des Transistors Q31 in Verbindung steht. Die Basis von Q31 ist an die Anode der Diode D28 angeschlossen, die vier Diodenspannungsabfalle oberhalb des Massepotentials liegt. Zwei Diodenspannungsabfälle unterhalb von den vier Diodenspannungsabfällen oberhalb der Masse an der Anode der Diode D23 ist der Kollektor von Q22 auf einem Potential von zwei Diodenspannungsabfällen oberhalb Masse oder einen Diodenspannungsabfall oberhalb seines eigenen Emitters festgehalten. Dieses Netzwerk wirkt als t-iiie Klemmung um die Sättigung des

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Transistors Q22 während der negativen Auslenkungen des Ausgangssignals zu verhindern,und verhindert, daß der Transistor Q22 wegen eines parasitären IVJP zum Substrat (was bei einigen IC-Verfahren möqlii-ii ist) in seinem Zustand hangen bleibt (latch up).Die Klemmung wird nur während des negativen Teils der Schwingung wirksam und nur dann, wenn der Oszillator stark genug schwingt, um die Diode D23 und den Eingangs-Übergang des Transistors Q31 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Dies geschieht normalerweise, wenn die Hin- und Herschwingung eine Spannung überschreitet, die ein Volt unterhalb der vollen B+ Spannung liegt. Wenn der Eingangs-übergang von Q31 durchgeschaltet ist und klemmt, ist der erste Schwingungsdetektor-Schwellenwert überschritten,und ein Signalstrom erscheint am Kollektor des Transistors Q31. Der Ausgangsstrom von Q31 steht dann zur Verfügung, um den Schwingungszustand der Schaltung anzuzeigen.

Die Oszillator-Rückkopplungs- und Gegenkopplungsnetzwerke in dem zweiten Ausführungsbeispiel sind ähnlich denen des ersten Ausführungsbeispiels. Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist der Emitter des Oszillator-Ausgangstransistors Q22 der Verbindungspunkt für das Gegenkopplungsnetzwerk. Das Gegenkopplungsnetzwerk enthält die Bauelemente 40, 41, 42 und 43, deren Werte für einen Betrieb bei einer Resonanzfrequenz von etwa 1 Hertz ausgewählt sind. Der parallelliegende Widerstand 40 und der Kondensator 41 sind zwischen den Emitter von Q22 und die Basis von Q21 geschaltet. Die Reihenschaltung des Widerstandes 42 und des Kondensators 43 liegt zwischen dem Emitter von Q22 und Masse. Der Kollektor von Q22, an dem das Aus-

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gangssignal abnehmbar ist stellt den Verbindungspunkt für das Rückkopplungsnetzwerk dar. Das Rückkopplungsnetzwerk enthält die Bauelemente 52, 53, 54,55, 56, 57 und die Rauchdetektorzelle 30. Die Widerstände 52, 53 und 57 liegen in Reihe zwischen dem Kollektor von Q.22 und der B+ Leitung und bilden den ICoI lektorlastwiderstand. Ihre Größen sind jeweils 22, 4 und 1,5 Megohm. Für Testzwecke ist ein normaler, offener, einpoliger Druckknopfschalter 54 zur überbrückung des 4 Megohm Widerstandes 53 vorgesehen. Der Kondensator 55 liegt zwischen dem Kollektor von <J22 und Masse. Die Klemme 18 der Rauchdetektorzelle 10 ist mit. dem Kollektor von U22,und die andere Klemme 19 ist über einen Kondensator 56 mit der Basis von >J21 in Verbindung. Die Werte der Bauelemente 52, 53, 55, 56 und 57 sind für eine Schwingung bei einer Resonanzfrequenz von etwa 1 Hertz ausgelegt.

Der Schv/ingungsdetektor enthält den Transistor Q31, die Transistoren Q34, Q35 und 036, sowie die Dioden D22 und D24 und schließlich einen Kondensator 45. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel überwacht der Schwingungsdetektor wann der Oszillator aufhört zu schwingen,um einen Alarm auszulösen. Die Anordnung nach Fig. 5 hat zwei Schwellenwerte, die überschritten werden müssen,um einen Alarm auszulösen.Die zwei Schwellenwerte zusammengenommen, erlauben eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen und eine größere Empfindlichkeit für Rauch.

Die Bauelemente des Kondensator-Ladeschaltkreises sind D22, Q36, D24 und der Kondensator 45. Solange der Oszillator arbeitet,schwingt Ü22 zwischen einem Potential in der Nähe von B+ und in der Nähe der Masse. Wenn sich

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die Spannung dem Massepotential nähert wird Q31, der zur Klemmung dient und normalerweise nichtleitend ist, beim Überschreiten des ersten Schwellenwertes leitend. Wenn dies geschieht, erscheinen Signalstromimpulse am Kollektor von Q31, die der Dasis des PNP-Transistors Q35 zugeführt werden. Der Emitter von U35 ist mit der B+ Leitung verbunden,und der die verstärkten Signalimpulse liefernde Kollektor von U35 ist an die Basis des NPN-Transistors Q34 angeschlossen. Der Transistor Q34 stellt die Ausgangsstufe des Schwingungsdetektors dar. Der Kollektor des Transistors U34 ist mit der B+ Leitung in Verbindung. Dor Emitter von Q34 ist an die nicht geerdete Klemme des Kondensators 45 angeschlossen. Bei ausreichend großem Oszillatorsignal schalten Q31 und Q35 Q34 ein, der einen signalabhängigen Ladestrom in den Kondensator 45 schickt.

Der zweite "Schwellenwert" ist der Schwellenwert zwischen Entladung und Ladung des Kondensators 45, der den Alarm steuert. Der zweite Schwellenwert wird durch den Stromquellentransistor Q36 bestimmt, der in Verbindung mit einem Transistor Q37 und Dioden D22 und D24 wirkt. Der Kollektorstrom für den Transistor Q25 wird von dem Stromquellentransistor Q36 geliefert, dessen Emitter an Masse liegt. Der Stromquellentransistor Q36, dessen Eingangs-Ubergang parallel zu der Diode D22 liegt, liefert einen Strom der durch die sekundäre Stromquelle in der Diode D22 festgelegt wird. Eine Diode D24 ist zwischen den Verbindungspunkt der Kollektoren Q36 und Q35 und die nicht geerdete Klemme des Kondensators 4 5 geschaltet. Bei normalem Schwingen des Oszillators liefert Q34 Stromimpulse über seinen Emitter in einer den Kondensator 4 5 ladenden

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Richtung. Wahrend dieser Ladezeiten ist die Diode D24 in Sperrichtung gepolt. Während der restlichen Zeit und auch bei nichtschwingendem Oszillator sind U34 nichtleitend, die Diode D24 in Durch! aßrichtung gepolt/und der Kondensator 45 wird mit einer Geschwindigkeit entladen, die durch die Diode und die Stromquelle (Q36) gesteuert ist. Wenn Q35 nicht ausreichend genug leitet um den Stromwert für den Stromquellentransistor Q36 zu liefern, geht der Transistor Q36 in die Sättigung,und die Kollektorspannung von Q36 fällt ab. Der Spannungsabfall verursacht ein weiten der Diode D24 und erlaubt eine Entladung des Kondensators 45. Wenn Impulse vorhanden sind, ergibt sich ein Vergleich zwischen dem im Kondensator 45 gespeicherten Strom, der in Impulsen von Q31, Q35 und Q44 geliefert wird und dem verhältnismäßig beständigen Strom, der durch die Diode D24 und den Transistor Q36 während der übrigen Zeit entnommen wird. Wenn die Stromspeicherung die Stromentnahme übersteigt, lädt sich der Kondensator schnell bis in die Nähe von B+ auf. Wenn das Stromspeichern geringer als die Stromentnahme ist,entlädt sich der Kondensator 4 5 bis in die Nähe des Massepotentials. Auf diese Weise bestimmt der Stromquellentransistor Q36 wie im ersten Ausführungsbeispiel einen virtuellen Schwellenwert, der festlegt, ob der Kondensator 45 ein in der Nähe von B+ liegendes Potential,das die Abwesenheit von Rauch anzeigt oder ein in der Nähe von Masse liegendes Potential aufweist, das das Vorhandensein von Rauch anzeigt.

beide Ausführungsformen erlauben eine Feinverstellung des 'Schwingungswertes der für ein Überschreiten des Schwellenwerts erforderlich ist. Im allgemeinen er-

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möglicht dies eine Erhöhung des Widerstandes in der Ionisationskammer bei einem kleineren Anstieg abzufühlen als notwendig ist, um zwischen dem Schwingen und Nichtschwingen des Oszillators v.u unterscheiden und führt zu größerer Rauchempfindlichkeit. Beide Ausführungsformen sind für eine fabrikmäßige Justierung ausgelegt, um sicherzustellen,daß ein Alarm bei einem vorgeschriebenen Rauchaufkommen ausgelöst wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird dies durch die Justierung des Kondensators 24 erreicht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann der Kondensator 56 justierbar sein. Ein kleiner einstellbarer Kondensator mit einem Luftdielektrium zwischen der Klemme 19 und Masse kann zu diesem Zweck vorgesehen sein. In beiden Fällen können die Kapazitäten klein und durch Verbiegen einer Platte justierbar sein. Der Schwellenwert kann durch geeignete Auswahl der Werte der Widerstände 40 oder 58 eingestellt werden (Fig. 5).

Als Oszillatorfrequenz wurde eine Frequenz von etwa 1 Hertz gewählt, die in der Nähe einer optimalen Frequenz zu liegen scheint. Die Frequenz kann etwas größer (2 oder 3 Hertz) oder kleiner sein. Wenn die Frequenz höher als 2 oder 3 Hertz ist, kann sich eine Verringerung der Empfindlichkeit ergeben. Bei niedrigeren Frequenzen kann die Alarmauslösung langer als notwendig verzögert sein.

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Claims (19)

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger 7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3, Postfach 348 29. November 1977 i,i,io„ τ»·, .«r .,i Stuttgart (07 11)35 65 39 PA 116 rüku as»« Telex 07 256610 smru Telegramme Patentschutz Esshngenneckar P a ten tan sprü ehe

1.] Rauchdetektor mit einer Ionisations-Rauchdetektorkammer, die zwei Klemmen aufweist, zwischen denen eine beim Auftreten in der Luft enthaltener Verbrennungsprodukte abnehmende hohe Impedanz vorhanden ist, und der eine durch Messung des durch die Kammer fließenden Kurzschlußstromes Änderungen der Kammer-Impedanz feststellende Fühlerschaltung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Klemme an eine einseitig an Masse liegende Wechselstromquelle (7) angeschlossene Ionisations-Rauchdetektorkammer (10) mit ihrer anderen Klemme an den Eingang eines Verstärkers (8) mit im Vergleich zu der Kammer-Impedanz vernachlässigbarer Eingangs-Impedanz anaeschlossen ist, der mit seinem Masseanschluß an Masse angekoppelt ist und zwischen dessen Ausgangsklemme und Masse ein Lastwiderstand (9) liegt, an den durch einen verstärkten Wechselstrom eine Wechselspannung hervorgerufen wird, deren Größe von der Kammer-Impedanz und der Dichte der auftretenden, in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte abhängt und daß an den Verstärkerausgang eine auf die Größe der Wechselspannung ansprechende und die Dichte feststellende Schaltung (12, 13) angekoppelt ist.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker (8) bipolare Transistoren enthält.

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2 "ι' b 3 3 ί Α

3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (7) durch den Stromverstärker (8) gebildet ist, der zusätzlich i.ine positive Rückkopplungsschaltung (24) aufweist und daß die Verstärkerausgangsklemme (36) an die erste Klemme (18) der Ionisations-Rauchdetektorkammer (10) angeschlossen ist und über sie Wechselspannungsschwingungen in die Kammer (10) einkoppelbar sind.

4. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10) in der positiven Rückkopplungsschaltung liegt und durch diese (10, 24) bei einem einer geringen Dichte der in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte entsprechenden Zustand kleinerer Impedanz der Kammer (10) ein Schwingungszustand und bei einer einer vorbestimmten höheren Dichte der in der Luft enthaltenen Verbrennungsprodukte entsprechenden höheren Impedanz der Kammer (10) ein Nicht-Schwingungszustand einstellbar ist.

5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung bei in dem niedrigeren Impedanzzustand befindlicher Kammer (10) mit einer willkürlichen Amplitude schwingt und daß bei in dem höheren Impedanzzustand befindlicher Kammer (10) die Rückkopplungsschaltung mit einer Amplitude schwingt, die kleiner ist als diese willkürliche Amplitude.

6. Rauchdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker (8) einen ersten Transistor (Q1) mit als Eingang dienender Basis, an Masse angeschlossenem Emitter und als Ausgang dienendem Kollektor, sowie einen zweiten Transistor (Q5) aufweist, dessen Basiseingangsgröße von der Kollektorausgangsgröße des ersten Transistors (Q1) abgeleitet ist und dessen Emitter über einen eine erste Impedanz (R_f, 22) enthaltenden Schaltungszweig an

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^Vb3324

Masse und dessen Kollektor über einen eine zweite Impedanz (Rj. , 32) enthaltenden Schaltungszweig an eine Vorspannungsquelle (B+) angeschlossen sind und daß die Rückkopplungsschaltung enthält:

a) einen Gegenkopplungsweg, in dem ein zwischen dem Emitter des zweiten Transistors (Q2) und dem Basiseingang des ersten Transistors (Q1) geschalteter großer Widerstand (R., 20) liegt und

b) einen Wechselstrom-Rückkopplungsweg,in dem die zwischen dem Kollektorausgang des zweiten Transistors (Q2) und dem Basiseingang des ersten Transistors (QD geschaltete Kammer-Impedanz (R ) liegt.

7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch ausreichend große Gegenkopplung die Verstärkung des Verstärkers (8) unabhängig von den Transistordaten und mit hoher Genauigkeit, abhängig von den Impedanzen

R_f, R₁. , R. und R gemacht ist und daß diese Impedanzen r Ij ι g

(R_f,R^, R., R) der folgenden Gleichung für die Verstärkung entsprechen:

R₁ Rr
^Rg ^Rf

in der £ derart gewählt ist, daß unter normalen, niedrigen Impedanzbedingungen bei der willkürlichen Amplitude Schwingungsbedingungen gegeben sind.

8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Stromquelle aufweist, die einen dritten Transistor (Q3) enthält, dessen Emitter an die Vorspannungsquelle (B+) angeschlossen ist und deren Kollektor den Kollektorstrom für den ersten Transistor (Q1) liefert und eine,die Verstärkung erhöhende, große Lastimpedanz ergibt.

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2 '7 b 3 3 2 4

9. Rauchdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (Q2) an einer Grenze des Schwingunqsvonjanges bei die willkürliche Amplitude erreichenden Schwingungen in Sättigung kommt und eine Spitze in dem ßasisstrom hervorruft und daß dem zweiten Transistor (Q2) ein vierter Transistor (Q4) als ein die Verstärkung erhöhender Puffer vorgeschaltet ist, an dessen Basis die Ausgangsgröße des ersten Transistors (Q1) angekoppelt ist und dessen Emitter mit dem Basiseingang des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist und diesem Basisstrom zuliefert.

10. Rauchdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Größe der Wechselspannung ansprechende und die Dichte der Verbrennungsprodukte feststellende Schaltung an den Kollektor des vierten Transistors (Q4) angekoppelt ist und auf das Auftreten der Schwingungsspitzen anspricht.

11. Rauchdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er einen fünften Transistor (Q5) aufweist, der mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors (Q1), mit seinem Kollektor an Masse und mit seinem Emitter an die Basis des vierten Transistors (Q4), sowie über den dritten Transistor (Q3) an die Vorspannungsquelle (B+) angeschlossen ist und daß der fünfte Transistor (Q5) unter Erhöhung der Empfindlichkeit das Verstärkereingangsrauschen und den Basisstrom des ersten Transistors (Q1) auf den Sub-Nanoampere-Bereich herabsetzt.

12. Rauchdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Größe der Wechselspannung ansprechende und die Dichte der in der Luft enthaltenden Verbrennungsprodukte feststellende Schaltung einen Kondensator (25) und dessen mit vorbestimmter Geschwindigkeit erfolgende

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Entladung steuernde Schaltungsteile (Q16) aufweist, sowie über eine auf die Ausgangsspannung des vierten Transistors (Q4) ansprechende Schaltung (Q11, Q13, Q14) enthält, durch die der Kondensator (25) beim Auftreten einer die willkürliche Amplitude überschreitenden Schwingung aufgeladen wird,wobei die Ladegeschwindigkeit die erwähnte Entladungsgeschwindigkeit übersteigt und die an dem Kondensator (25) liegende Spannung unter diesen Bedingungen einen hohen Wert, sowie beim Fehlen dieser Bedingungen einen niederen Wert erhält, und daß an den Kondensator (25) ein Spannungsfühler (12) angekoppelt ist, durch den ein Warnsignal abgebbar ist, sowie der Kondensator (25) auf den niedrigen Wert entladen wird.

13. Rauchdetektor nach Anspruch 8, cadurch gekennzeichnet, daß er einen vierten Transistor (Q41) aufweist, dessen Emitter unter Ausbildung einer Kaskoden-Verstärkungsstufe mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q21) gekoppelt ist und daß der Kollektor des vierten Transistors (Q41), von dem die Ausgangsgröße abgenommen wird, an die Stromquelle (Q23) angekoppelt ist.

14. Rauchdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er einen fünften Transistor (Q42) aufweist, dessen Emitter mit dem Kollektor des dritten Transistors (Q23) unter Ausbildung einer Kaskoden-Stromquelle gekoppelt ist und in den Kollektor des vierten Transistors (Q41) Kollektorstrom einspeist, sowie eine die Verstärkung erhöhende, hohe Impedanzlast für den Kaskodenverstärker bildet.

15. Rauchdetektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Klemmschaltung mit zwei Dioden (D27, D26) aufweist, die an zwei gleichen Elektroden miteinander verbunden sind und deren andere Elektroden an die Basis bzw. den Kollektor des vierten Transistors (Q41)

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angeschlossen sind, wobei die an die Basis angeschlossene Diode (D26) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und daß die Klemmschaltung zur Verhütung einer Sättigung verhindert, daß das Kuilektorpotential des vierten Transistors (Q41) unter das Potential dessen Basis abfällt.

16. Rauchdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Transistor (Q22) ein die Verstärkung erhöhender, als Puffer wirkender sechster Transistor (Q24) vorgeschaltet ist, an dessen Basis der Kollektorausgang des vierten Transistors (Q41) angekoppelt ist und daß der Emitter des sechsten Transistors (Q24) derart qesrhaltet ist, daß er dem zwe^^n Transistor (Q22) Basisstrom zuführt.

17. Rauchdetektor n^ch Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zweite, eine Sättigung des zweiten Transistors (Q22) verhindernde Klemmschai hung aufweist, welche eine dritte Diode (D23) und einen siebten Transistor (Q31) aufweist, von denen die dritte Diode (D23) und der Eingangs-Ubergang des siebten Transistors (Q31) in Reihe in gleicher Polarität an eine auf den Emitter des zweiten Transistors (Q2) bezogene Spannungsquelle (Q39) angeschlossen und derart gewählt sind, daß sie ein Absinken der Kollektorspannung des zweiten Transistors (Q22) auf einen Wert verhüten, der weniqer als einen Diodenabfall oberhalb des Emitterpotentiales liegt.

18. Rauchdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Wechselspannung ansprechende Schaltung an den Kollektor des siebten Transistors (Q36) angekoppelt ist und auf die Spitze des Basisstroms anspricht.

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19. Rauchdetektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Wechselspannung ansprechende Schaltung einen Kondensator (4 5) und dessen Kntladung mit vorbestimmter Geschwindigkeit bewirkende Schaltungsteile (Q36, D24) aufweist, sowie eine auf die Ausgangsspannung des siebten Transistors (Q36) ansprechende Schaltung (Q35, Q34) aufweist, durch die beim Auftreten einer die willkürliche Amplitude übersteigenden Schwingung der Kondensator (45) mit einer Geschwindigkeit aufladbar ist, welche die erwähnte Entladegeschwindigkeit übersteigt, wobei die Kondensatorspannung unter diesen Bedingungen einen hohen Wert und beim Fehlen dieser Bedingungen einen niederen Wert annimmt, und daß an den Kondensator (45) ein Spannungsfühler (12) angekoppelt ist, der ein Warnsignal abgibt, sowie der Kondensator (4 5) auf den niederen Wert entladen wird.

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