DE3007699A1

DE3007699A1 - Optischer rauchdetektor

Info

Publication number: DE3007699A1
Application number: DE19803007699
Authority: DE
Inventors: Arlon D Kompelien
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1980-02-29
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4225791A; IT8047965A0; CA1109540A; SE8001492L; IT1126953B; GB2044923B; FR2450453A1; GB2044923A; JPS55117943A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Rauchdetektor. Bekannte optische Rauchdetektoren erfordern speziell konstruierte Rauchkammern für den Durchgang der mit Rauch angereicherten Luft. Diese Kammern sind so aufgebaut/ daß sie den Einfluß des Umgebungslichtes im wesentlichen ausschalten. Zu diesem Zweck erfordern diese Rauchkammern meistens lange Luftfließwege. Diese langen Fließwege rufen eine Dämpfung des vorliegenden Rauchsignales hervor. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit der Raucherfassungskammer herabgemindert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Rauchdetektor der eingangs genannten Art anzugeben, der auf Grund des verwendeten Auswerteschaltkreises weitgehendst von den Umgebungslichteinflüssen unabhängig ist, so daß eine besondere Ausgestaltung der Raucherfassungskammer nicht erforderlich ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der vorliegende Rauchdetektor basiert auf dem photoelektrischen Prinzip. Zu diesem Zweck umfaßt der Rauchdetektor eine pulsierende Lichtquelle und einen Phototransistor als Lichtdetektor. Der Lichtdetektor ist im Rückführungszweig eines Bandpaßfilters angeordnet. Das Bandpaßfilter gibt nicht nur den Durchlaßbereich für die charakteristische Frequenz der Lichtimpulse vor, sondern liefert auch eine automatische Verstärkungssteuerung für den Lichtdetektor. Durch die automatische Verstärkungssteuerung wird eine große und gleichförmige Empfindlichkeit des Rauchdetektors über einen großen Bereich der Lichtintensität aufrechterhalten, wobei das Umgebungslicht starken Schwankungen unterliegen darf. Eine gleichmäßige Empfindlichkeit für Rauch bei veränderlichen Umgebungslichtbedingungen ist erwünscht. Bei einem Phototransistor hat es sich herausgestellt, daß bei sehr kleinen Emitterströmen, die normalerweise bei einem niedrigen Pegel des Umgebungslichtes vorliegen, der Transistor eine geringe Verstärkung und somit eine geringe Empfindlichkeit aufweist. Der gemäß der

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Erfindung vorgesehene Schaltkreis erzwingt eine Erhöhung des Phototransistorstromes bei einem niedrigen Pegel des Umgebungslichtes, wodurch die Empfindlichkeit auf einem hohen Wert gehalten wird. Andererseits besitzt bei einem hohen Pegel des ümgebungslichtes der Phototransistor einen großen Emitterstrom und kann in die Sättigung geraten. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Schaltkreis wird wiederum eine Sättigung des Phototransistors vermieden und somit die Rauchempfindlichkeit aufrechterhalten .

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Rauchdetektors mit zugehöriger Auswerteschaltung in einem Blockdiagramm;

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Teiles des Auswerteschaltkreises gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel zu dem Schaltkreis gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 liefert eine lichtemittierende Diode 10 (LED) pulsierende Lichtimpulse in einer Raucherfassungskammer 20. Die Kammer 20 besitzt geeignete Öffnungen, um der Umgebungsluft eines zu überwachenden Raumes den Eintritt in die Kammer zu gestatten. Ein Phototransistor 30 ist in der Kammer 20 so angeordnet, daß er das pulsierende Licht der lichtemittierenden Diode 10 erfassen kann, wenn dieses von in die Kammer eingetretenem Rauch reflektiert wird. Näheres bezüglich einer Raucherfassungskammer, bei der reflektiertes Licht den Detektor erreicht, kann der US-PS 3 185 975 entnommen werden. Die pulsierende Lichtquelle 10 wird durch einen Oszillator 12 gesteuert, wobei dieser Oszillator eine Frequenz f von beispielsweise 1 kHz abgibt. Die lichtemittierende Diode 10 und die Kollektorelektrode des Phototransistors 3 werden beide aus einer positiven Gleichspannungsquelle gespeist, wobei die Speisung der lichtemittierenden Diode 10 über einen Schalter 13, der mit der Frequenz f des Oszillators 12 betrieben J J J ο 0 / 0 6 '

wird, periodisch unterbrochen wird. Wenn sich Rauch in der Kammer 20 befindet, so wird das pulsierende Licht in Richtung auf den Phototransistor 30 reflektiert und dieser erfaßt ein Signal mit der Frequenz f . Der Phototransistor 30 ist in der Rückführungsschleife am Eingang eines aktiven Verstärkers eines Bandpaßfilters 40 angeordnet, wobei dieses Bandpaßfilter 40 noch eine zweite Funktion als Integrator besitzt. Insbesondere ist eine Rückführungsleitung 16 des Bandpaßfilters 40 mit der Steuerelektrode des Phototransistors 30 verbunden. Der Emitter des Phototransistors 30 ist über einen Widerstand 19 an Masse gelegt und ein gemeinsamer Schaltungspunkt 18 von Emitter und Widerstand 19 ist mit dem Eingang des Bandpaßfilters 40 verbunden. Der Ausgang des Bandpaßfilters 40 ist auf einen Synchrondetektor bzw. Demodulator 50 geschaltet. Der Synchrondetektor 50 wird durch den Oszillator 12 zusammen mit der pulsierenden Lichtquelle 10 mit der Frequenz f synchronisiert. Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 50 wird auf ein Tiefpaßfilter 60 gegeben, dessen Ausgang wiederum auf einen Alarmschaltkreis geschaltet ist. Das Bandpaßfilter 40 besitzt einen relativ breiteren Durchlaßbereich als derjenige, der sich durch den Synchrondetektor 50 und das Tiefpaßfilter 60 ergibt, welche Kombination hinsichtlich der Frequenz des Oszillators 12 sehr selektiv ist (z.B. f - 0,1%). Signale mit der Frequenz f am Eingang des Synchrondetektors werden daher in ein Gleichspannungssignal am Ausgang des Tiefpaßfilters 60 umgesetzt.

Gemäß Fig. 2 ist der Phototransistor 30 in den Eingangskreis eines herkömmlichen aktiven Filters eingeschaltet. Das Filter an sich ist allgemein bekannt und wird manchmal als variables Zustandsfilter bzw. als Zweiquadranten-Verstärker bezeichnet. Das aktive Bandpaßfilter gemäß Fig. 2 umfaßt Operationsverstärker 70, 71 und 72. Eine Spannungsquelle mit positivem und negativem Pol, die nicht näher dargestellt ist, speist den Schaltkreis und die Operationsverstärker, so daß deren Ausgangssignale positive bzw. negative Werte einnehmen können. Der Schal- j tungspunkt 18 ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers 70 verbunden und der positive Eingang dieses Verstärkers ist über

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einen Widerstand R_? an Masse angeschlossen. Ein Rückführungswiderstand R₄ ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 70 und die Basiselektrode des Phototransistors 30 geschaltet. Dieser Teil des aktiven Filters liefert ein Hochpaß-Ausgangssignal. Der Ausgang des Verstärkers 70 ist ferner über einen Widerstand R, mit dem negativen Eingang des Verstärkers 71 verbunden, dessen anderer Eingang an Masse angeschlossen ist. Ein Rückführungskondensator C_ ist zwischen den Ausgang und den negativen Eingang des Verstärkers 71 geschaltet. Ein weiterer Rückführungsschaltkreis verbindet den Ausgang des Verstärkers 71 über einen Widerstand R₅ mit dem positiven Eingang des Verstärkers 70. über den Widerstand R₁- wird die geeignete Bandbreite des Bandpaßfilters vorgegeben. Der Ausgang 14 des Verstärkers 71 ist ferner über einen Widerstand R₇ mit dem negativen Eingang eines Verstärkers 72 verbunden, dessen positiver Eingang an Masse angeschlossen ist. Ein Rückführungskondensator C₁ verbindet den Ausgang des Verstärkers 72 mit dessen negativem Eingang. Der Ausgang des Verstärkers 72 ist ferner über einen Widerstand R₃ mit der Basiselektrode des Phototransistors 30 verbunden. Das Signal auf der Rückführungsleitung 16 setzt sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 aus den Signalen der Rückführwiderstände R-, und R. zusammen. Der Basisstrom des Phototransistors 3 0 wird somit durch die Summe der durch die Widerstände R. und R, fließenden Ströme gebildet. Die durch die Widerstände R, und R. fließenden Gleichströme halten

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die Empfindlichkeit des Phototransistors bei schwankendem Umgebungslicht auf einem konstanten Wert. Dies bedeutet, daß der Emitter-Gleichstrom konstant gehalten wird. Gleichzeitig erfüllen die Verstärker 70, 71 und 72 die erforderliche Bandpaß-Filterfunktion und am Ausgang 14 kann ein Bandpaß-Ausgangssignal e des aktiven Filters abgenommen werden.

Es sei nun der Betrieb des Schaltkreises gemäß Fig. 2 betrachtet, wenn sich der Phototransistor 30 in einem statischen Betriebszustand befindet. Das heißt, der Phototransistor 30 empfängt einen bestimmten Umgebungslichtbetrag und die Ströme durch die Widerstände R₃ und R. weisen einen konstanten Wert auf. Ferner sei angenommen, daß die Ausgangsspannung e am Ausgang 14 einen

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bestimmten Wert aufweist. Wenn das von dem Phototransistor 30 empfangene ümgebungslicht anwächst, so hat der Emitter-Gleichstrom des Phototransistors das Bestreben anzuwachsen und die sich ergebende Gleichspannungsänderung am negativen Eingang des Verstärkers 70 führt zu einer Abnahme der Spannung am Ausgang dieses Verstärkers. Die Verminderung der Ausgangsspannung des Verstärkers 70 führt zu einer Abnahme des durch den Widerstand R. fließenden Stromes. Dadurch wird andererseits die Aussteuerung des Phototransistors 30 vermindert und der Spannungsabfall über dem Widerstand 18 wird reduziert. Der Gegenkopplungsschaltkreis mittels des Widerstandes R₄ über dem Operationsverstärker 70 hat somit das Bestreben, den Emitterstrom des Phototransistors konstant zu halten, wenn sich der Betrag des Umgebungslichtes erhöht oder vermindert. Zur gleichen Zeit, wo dieser Gegenkopplungsstrom wirksam ist, erfaßt der Operationsverstärker

71 die Ausgangsspannungsänderung des Verstärkers 70. Die Ausgangsspannung e wächst an und ruft über den Operationsverstärker

72 eine Abnahme an dessen Ausgang hervor. Die Abnahme der Spannung am Ausgang des Verstärkers 72 vermindert den durch den Widerstand R₃ fließenden Strom, wodurch der in die Basis des Phototransistors 30 fließende Strom ebenfalls vermindert wird. Diese Abnahme des Basisstromes ruft ebenfalls eine Verringerung der Aussteuerung des Phototransistors 30 hervor, wodurch der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 reduziert wird. Auf diese Weise wird eine zweite Gegenkopplungsschleife für eine Gleichspannungskomponente erzielt. Auch bei sehr geringem Umgebungslicht wird der Gleichstrom durch den Phototransistor durch die über die Widerstände R^ und R₄ fließenden Ströme entsprechend eingestellt. Phototransistoren mit sehr geringem Emitterstrom besitzen eine geringe Verstärkung. Durch eine Erhöhung des Phototransistorstromes bei dunkler Umgebung kann somit eine hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten werden. Die Wirkung der Operationsverstärker 71, 72 und 70 liegt darin, die Spannung in dem Schaltungspunkt 18, d. h. am Eingang des Operationsverstärkers 70 im wesentlichen auf Massepotential zu halten. In dem beschriebenen Auswerteschaltkreis bewirkt daher die Rückführung auf die Basis des Phototransistors 30 eine automatische Einstellung der Basisansteuerung, wodurch der Emitter dieses Transistors auch

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bei sehr großen Schwankungen des Umgebungslichtes etwa auf Massepotential gehalten wird. Dies bedeutet, daß der mittlere Emitterstrom des Phototransistors durch einen konstanten Wert vorgegeben ist. Ein konstanter Emitterstrom unabhängig von Schwankungen des Umgebungslichtes hält aber die Verstärkung bzw. die Empfindlichkeit des Phototransistors auf einem nahezu konstanten Wert, da die Empfindlichkeit eine Funktion des Emitterstromes ist.

Da der Phototransistor 30 auf die Summe der durch die Widerstände R₃ und R₄ fließenden Ströme anspricht, ergibt sich bezüglich des Schaltkreises gemäß Fig. 2 das Verhalten eines aktiven Filters, wenn der Phototransistor auf pulsierende Lichtimpulse mit einer Frequenz in der Bandmitte des Bandpaßfilters anspricht. Wenn somit Rauch in der Raucherfassungskammer vorliegt, spricht der Phototransistor auf die pulsierenden Lichtimpulse mit der Frequenz f an.

Ein pulsierendes Signal tritt am Ausgang e auf, wobei dieses Signal die Frequenz f besitzt, auf die das Bandpaßfilter abgestimmt ist. Das aktive Filter vermindert auf Grund des pulsierenden Signales nicht den Basisstrom des Phototransistors 30, da sich die Wechselstromkomponenten, die über die Widerstände R₃ und R. fließen, einander aufheben. Die integrierende Wirkung eines jeden der Operationsverstärker 71 und 72 ruft insgesamt eine Phasenverschiebung von 180° für die mit der Frequenz f hindurchgelassenen Signale hervor. Die durch die Lichtimpulse hervorgerufenen Signalströme des Phototransistors mit der Frequenz f erzeugen das Signal, das verstärkt und am Ausgang des Bandpaßfilters als Ausgangssignal e ausgegeben wird.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu dem Schaltkreis gemäß Fig. 2. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein unterschiedliches ebenfalls bekanntes aktives Filter verwendet. Wenn der Phototransistor 30 in der Rückführungsschleife des Verstärkers dieses Filters angeordnet wird, so besitzt der Schaltkreis gemäß Fig. 3 die gleiche Wirkungsweise wie der

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Schaltkreis gemäß Fig. 2. Das auf der Rückführungsleitung 16
auftretende Signal wird im vorliegenden Fall durch ein T-Glied gebildet, das in bekannter Weise als RC-Brückenglied im Rückführungsschaltkreis eines Operationsverstärkers angeordnet ist. Die beiden Widerstände dieses Brückenschaltkreises liefern die Gleichstromkomponente für die Aufrechterhaltung eines konstanten Emitter-Gleichstromes des Phototransistors 30.

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Claims

HONEYWELL INC. 27. Februar 1980

Honeywell Plaza 1007290 GE

Minneapolis, Minnesota, USA Hz/de

Optischer Rauchdetektor

Patentansprüche:

Optischer Rauchdetektor, gekennze ichnet

durch

eine Lichtimpulse mit einer Frequenz f abgebende Lichtquelle (10) innerhalb einer Raucherfassungskammer (20); einen Phototransistor (30) zur Erfassung der Lichtimpulse in der genannten Kammer, welcher mit seinem Kollektor an eine Gleichspannungsquelle und mit seinem Emitter über einen Widerstand (19) an eine Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist;

ein aktives auf die Impulsfrequenz f abgestimmtes Bandpassfilter (40), das mit seinem Eingang an dem Emitter des Phototransistors (30) und mit seinem Ausgang an einen Auswerteschaltkreis (50,60) angeschlossen ist; und das Bandpaßfilter (40) mit der Basis des Phototransistors (30) verbindende Schaltungsmittel (R₃, R₄, 72) zur Konstanthaltung der Transistorverstärkung, um unabhängig von der Stärke des Umgebungslichtes einen im wesentlichen konstanten Emitter-Gleichstrom aufrechtzuerhalten.
2. Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine lichtemittierende Diode (10) als Lichtquelle.

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3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bandpaßfilter aufweist: Einen ersten als Hochpaß betriebenen Operationsverstärker (70), der mit einem Eingang an den Emitter und mit seinem Ausgang über einen Widerstand (R.) an die Basis des Phototransistors (30) angeschlossen ist;

einen zweiten als Tiefpaß betriebenen Operationsverstärker (71), der mit einem Eingang über einen Widerstand (Rg) an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers (70) angeschlossen ist und mit seinem Ausgang über einen Kondensator (C-j) auf den genannten Eingang zurückgeführt ist, wobei sein Ausgang zugleich den Ausgang (e ) des Filters (40) bildet; und einen dritten als Tiefpaß betriebenen Operationsverstärker (72), der mit einem Eingang über einen Widerstand (R₇) an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (71) angeschlossen ist und mit seinem Ausgang einmal über einen Kondensator (C₁) auf den genannten Eingang zurückgeführt und zum anderen über einen Widerstand (R₃) mit der Basis des Phototransistors (30) verbunden ist (Fig. 2) .
4. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bandpaßfilter aufweist: Einen einzigen Operationsverstärker, der mit einem Eingang an den Emitter des Phototransistors (30) angeschlossen ist und dessen Ausgang über ein T-Glied auf die Basis des Phototransistors (30) zurückgeführt ist, wobei das T-Glied zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R) aufweist, denen einmal ein [ Kondensator (C) parallelgeschaltet ist und deren gemeinsamer ^! Schaltungspunkt zum anderen über einen weiteren Kondensator (C₃) an das Bezugspotential gelegt ist.
5. Detektor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch einen dem Bandpaßfilter (40) nachgeschalteten Synchrondetektor (50) , der zusammen mit der Lichtquelle (10) von einem Oszillator (12) mit der Frequenz f betrieben wird.

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