DE3424136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsempfänger für eine Melde­ einrichtung zur Überwachung eines Raumes auf Temperaturänderungen, bestehend aus

• - wenigstens einem Detektor mit wenigstens einem die elektromagne­ tische Strahlung aufnehmenden Sensor und einem Feldeffekttran­ sistor, dessen Source-Anschluß über einen ersten Widerstand mit dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle und dessen Drain-An­ schluß über einen zweiten Widerstand mit deren anderem Pol ver­ bunden ist,
• - einem bipolaren Transistor, dessen Kollektor über einen dritten Widerstand am einen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlos­ sen ist, sowie erforderlichenfalls
• - einem nachgeschalteten Verstärker.

Ein derartiger, insbesondere für den Einsatz in Passiv-Infrarot- Bewegungsmeldern vorgesehener Strahlungsempfänger ist z. B. durch die in der DE 34 04 151 A1 angegebene Schaltung bekannt. Allerdings unterliegt die Verstärkung (bzw. die Spannung) dieser Schaltung am Eingang des nachgeschalteten Operationsverstärkers sehr starken Änderungen sowohl durch Betriebsspannungsschwankungen, als auch durch die starke Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitterspannung des Bipo­ lartransistors und die in weitem Bereich streuende Gate-Source- Spannung des Feldeffekttransistors und beträgt bei tiefen Frequen­ zen max. nur etwa 14 dB.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Weise einen Strahlungsempfänger der eingangs ge­ nannten Art derart auszubilden, daß er gegen Schwankungen der Ba­ sis-Emitterspannung des Bipolartransistors, der Gate-Source-Span­ nung des Feldeffekttransistors sowie der Betriebsspannung unemp­ findlich ist und über einen großen Frequenzbereich eine hohe Ver­ stärkung aufweist.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß

• - ein die temperaturabhängige Basis-Emitterspannung des Bipolar­ transistors kompensierender Zwei- bzw. Vierpol vorgesehen ist,
• - zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors und Masse eine die untere Grenzfrequenz bestimmtende Serienschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität eingeschaltet ist,
• - der Emitter des Bipolartransistors über einen vierten Widerstand am anderen Pol der Betriebsspannungsquelle liegt und
• - der dem Verstärker vorgeschaltete Teil des Strahlungsempfängers eine durch die Bemessung der vier Zweigwiderstände gemäß der Be­ dingung R ₁/R ₂ = R ₃/R ₄ abgeglichene Brückenschaltung dar­ stellt, an deren durch den Source-Anschluß des Feldeffekttran­ sistors und den Kollektor des Bipolartransistors gebildeter Dia­ gonale die nachfolgende Schaltung angeschlossen ist.

Dabei ist deren Eingangswiderstand zugleich eine Gegenkopplung, mit der über den ersten Widerstand die Grundverstärkung festlegbar ist.

Durch die abgeglichene Brücke ist ohne den geringsten Mehraufwand gegenüber dem Stand der Technik eine vollständige Kompensation von Schwankungen der Betriebsspannung und der Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors durch Bauteilestreuung erzielt. Da an der Brückendiagonale keine störende Gleichspannung auftritt, ist auch kein Koppelkondensator nötig, der die Einschaltzeit des Strah­ lungsempfängers in unerwünschter Weise verlängern würde. Vielmehr kann an die Brückendiagonale direkt ein echter Differenzverstärker angeschlossen werden. Außerdem ist der unerwünschte Temperaturgang der Basis-Emitterspannung des Bipolartransistors durch einen eben­ solchen Temperaturgang einer gleich großen, aber gegenphasigen Spannung des Zwei- bzw. Vierpols neutralisiert. Darüber hinaus ist die untere Grenzfrequenz durch das Serien-RC-Glied wesentlich nach unten verschoben und durch dessen Kondensator zusätzlich eine Ver­ stärkungsanhebung zum Ausgleich der mit steigender Frequenz fal­ lenden Empfindlichkeit der bekannten in der Praxis benutzten Sen­ soren bewirkt.

Damit ist alleine mit dem dem Verstärker vorgeschalteten Teil des Strahlungsempfängers eine Verstärkung von ≧30 dB über den gesam­ ten Frequenzbereich von etwa 0,05-45 Hz und infolgedessen gegen­ über den bekannten Schaltungen auch ein erheblich größerer Rausch­ abstand erreichbar. Nach Lage des Einzelfalls ist mit dem erfin­ dungsgemäßen Strahlungsempfänger somit entweder eine größere Ge­ samtverstärkung und/oder ein höherer Rauschabstand der gesamten Schaltung oder die Verwendung eines nachgeschalteten Verstärkers mit geringerem Verstärkungsfaktor und/oder Rauschabstand möglich.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind einfache Alternativen für einen Zweipol zur groben Kompensation des Temperaturganges der Basis-Emitterspannung des Bipolartransistors angegeben. Ei noch besserer Ausgleich des Temperaturganges ist mit einem Zweipol nach Anspruch 4 möglich. Eine vom Aufwand her gleiche Kom­ pensationsschaltung ist in Anspruch 5 beschrieben, die jedoch den Vorteil hat, daß die Drain-Spannung des Feldeffekttransistors nicht durch die Basis-Emitterspannung des Vierpols reduziert und somit eine geringere Rückwirkung des Drain-Anschlusses des Feldef­ fekttransistors auf dessen Gate (geringere Arbeitspunktbeein­ flussung) gegeben ist, und daß weiterhin wegen des hohen Eingangs­ widerstandes des als Emitterfolger geschalteten Vierpoltransistors eine belastungsfreie Auskopplung des Nutzsignals ermöglicht ist. Eine vollständige Kompensation des Temperaturganges der Basis- Emitterspannung des Bipolartransistors ist auf ebenso einfache wie wirkungsvolle Weise in beiden Fällen durch eine Ausführung des er­ findungsgemäßen Strahlungsempfängers nach Anspruch 6 erreichbar.

Eine weitere Möglichkeit zur Entzerrung des Frequenzganges der Sensorempfindlichkeit und Erhöhung der Verstärkung bis zu max. et­ wa 70 dB ist gemäß Anspruch 7 durch wenigstens ein zum Emitterwi­ derstand des Bipolartransistors parallel geschaltetes RC-Glied er­ zielbar. Im Einzelfall kann durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung auf äußerst einfache Weise sogar der nachgeschaltete Verstärker eingespart werden.

Bei der in Anspruch 8 angeführten Schaltungsmöglichkeit weist der zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors und dem er­ sten Widerstand eingeschaltete Widerstand in vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion auf, indem er zugleich als Teil des Serien-RC- Gliedes zur Festlegung der unteren Grenzfrequenz dient und die Ge­ samtverstärkung durch seine Größe einstellbar macht. Mit Hilfe des gemäß Anspruch 9 dem Verstärker nachgeschalteten di­ gitalen Tiefpasses hoher Selektion sind Fehlalarme, die von 50-Hz- Störimpulsen (z. B. durch Thyristor-Regler in Leuchtstoffröhren) erzeugt weden, vollständig eliminierbar.

Die Figuren zeigen die Schaltbilder zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlungsempfängers bei einem Passiv-Infra­ rot-Bewegungsmelder.

Der zur Überwachung eines Raumes auf unerwünschte Eindringlinge vorgesehene Bewegungsmelder besteht aus einem Strahlungsempfänger SE, einem nachgeschalteten digitalen Tiefpaß TP, einer Auswerte­ schaltung AS und einer davon bei Vorliegen des Alarmkriteriums an­ gesteuerten Alarmeinheit AE. Der Strahlungsempfänger SE weist einen Detektor D mit zwei die Strahlung über eine nicht dargestellte Optik empfangenden, im Ge­ gentakt arbeitenden Sensoren S ₁, S ₂ und einem integrierten rausch­ armen Feldeffekttransistor FET auf, der einerseits den hohen Sen­ sorausgangswiderstand (ca. 10¹¹ Ohm) auf einen für die Folge­ schaltung verarbeitbaren Wert von ca. 100 kOhm herabtransformiert und zum anderen zusammen mit dem Bipolartransistor T ₁ und einer RC-Schaltung einen zweistufigen Entzerrerverstärker bildet, der den Sensorausgangspegel um ca. 40 dB anhebt und zugleich dessen Abfall mit steigender Frequenz (6 dB pro Oktave ab etwa 2 Hz) kom­ pensiert, also im Betriebsfrequenzbereich von etwa 0,05-45 Hz eine Verstärkung von etwa 40-70 dB aufweist.

Die niedrige untere Grenzfrequenz wird durch ein RC-Glied R ₅, C ₁ zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und Masse erreicht, die Schräglage und der hohe Wert der Verstärkung durch ein dem Emitterwiderstand R ₄ des Bipolartransistors T ₁ pa­ rallel geschaltetes RC-Glied C ₂, R ₇ und die Kapazität C ₁.

Zusammen mit je einem Ohm′schen Widerstand R ₁ zwischen dem Wider­ stand R ₅ und dem negativen Pol -U _B der Betriebsspannungsquelle, R ₁ zwischen dem Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und dem positiven Pol +U _B der Betriebsspannungsquelle, R ₃ zwischen demKollektor des Bipolartransistors T ₁ und dem negativen Pol -U _B der Betriebsspannungsquelle, sowie R ₄ zwischen dem Emitter des Bi­ polartransistors T ₁ und dem positiven Pol +U _B der Betriebsspan­ nungsquelle bildet die beschriebene Schaltung eine Impedanzbrücke, an deren Brückendiagonale (Kollektor des Bipolartransistors T ₁, sowie Verbindungspunkt der Widerstände R ₁ und R ₅) ein Nachver­ stärker V angeschlossen ist. Dabei sind die Zweigwiderstände R ₁ bis R ₄ so bemessen, daß R ₁/R ₂ = R ₃/R ₄, so daß die Brücke abge­ glichen ist. Die am Eingang des Verstärkers V liegende Spannung ist damit völlig unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung U _B sowie der Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors FET aufgrund von Bauteilestreuungen. Das Ausgangssignal des Entzer­ rerverstärkers wird in dem nachgeschalteten Verstärker V um etwa 20 dB angehoben, da wegen der geringen empfangenen Strahlungslei­ stung von ca. 10^-8 Watt eine Pegelanhebung von insgesamt etwa 90 dB bei 45 Hz nötig ist. Dieser Verstärker V kann, insbesondere hinsichtlich seines Rauschverhaltens, als Billigversion (einfacher Operationsverstärker) ausgeführt sein, da durch den Einsatz des rauscharmen Entzerrerverstärkers hoher Verstärkung direkt am Emp­ fangsmodul bereits ein hoher Rauschabstand und damit eine hohe Störfreiheit erreicht ist. Eine weitere Verbesserung dieser Störfestigkeit wird durch den nachgeschalteten digitalen Tiefpaß TP erzielt, der außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs eine Sig­ naldämpfung von 60 dB bewirkt und damit z. B. auch starke 50-Hz- Störimpulse, wie sie etwa bei Thyristor-Reglern von Leuchtstoff­ röhren auftreten, vollständig unterdrückt.

Zur absoluten Kompensation der temperaturabhängigen Basis-Emitter­ spannung des Bipolartransistors T ₁ ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein weiterer Bipolartransistor T ₂ vorgesehen, dessen Basis direkt und dessen Kollektor über einen Widerstand R ₆ mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und dessen Emitter über den Widerstand R ₂ mit dem positiven Pol +U _B der Betriebs­ spannungsquelle verbunden ist, wobei die beiden Bipolartransisto­ ren T ₁ und T ₂, sowie die Werte der beiden Emitterwiderstände R ₂, R ₄ möglichst genau gleich sind.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist zur Kompensation des Tempe­ raturgangs der Basis-Emitterspannung des Bipolartransistors T ₁ ein Bipolartransistor T ₂′ entgegengesetzten Leitungstyps (npn) vorge­ sehen, dessen Basis mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekttransis­ tors FET, dessen Kollektor mit dem positiven Pol +U _B der Be­ triebsspannungsquelle und dessen Emitter einerseits mit der Basis des Transistors T ₁ und zum anderen über einen ohm′schen Widerstand R ₆′ mit dem negativen Pol -U _B der Betriebsspannungsquelle verbun­ den ist. Auch hier sind die beiden Widerstände R ₂ und R ₄ gleich groß. Gegenüber dem Zweipol Z des ersten Ausführungsbeispiels weist der Vierpol VP beim Strahlungsempfänger gemäß Fig. 2 den Vorteil auf, daß einerseits die Drain-Spannung des Feldeffekttran­ sistors FET nicht mehr durch die Basis-Emitterspannung des weite­ ren Transistors reduziert wird, wodurch sich eine geringere Rückwirkung des Feldeffekttransistors FET ergibt und andererseits wegen der hohen Eingangsimpedanz des Transistors T ₂′ eine bela­ stungsfreie Auskopplung des Nutzsignals ermöglicht ist.

Der zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und dem Widerstand R ₁ eingeschaltete Widerstand R ₅ erfüllt eine Dop­ pelfunktion, indem er als Teil des Serien-RC-Gliedes R ₅, C ₁ zur Festlegung der unteren Grenzfrequenz und zugleich zur Einstellung der Gesamtverstärkung dient.

Der erfindungsgemäße Strahlungsempfänger ermöglicht somit mit ein­ fachsten Mitteln den Aufbau eines äußerst störsicheren und trotz­ dem für die Serienfertigung geeigneten kostengünstigen Passiv-In­ frarot-Bewegungsmelders.

Claims (10)

1. Strahlungsempfänger (SE) für eine Meldeeinrichtung zur Überwa­ chung eines Raumes auf Temperaturänderungen, bestehend aus

• - wenigstens einem Detektor (D) mit wenigstens einem die elek­ tromagnetische Strahlung aufnehmenden Sensor (S ₁, S ₂) und einem Feldeffekttransistor (FET), dessen Source-Anschluß über einen ersten Widerstand (R ₁) mit dem einen Pol (-U _B ) der Betriebsspannungsquelle und dessen Drain-Anschluß über einen zweiten Widerstand (R ₂) mit deren anderem Pol (+U _B ) verbun­ den ist,
• - einem bipolaren Transistor (T ₁), dessen Kollektor über einen dritten Widerstand (R ₃) am einen Pol (-U _B ) der Betriebs­ spannungsquelle angeschlossen ist, sowie erforderlichenfalls
• - einem nachgeschalteten Verstärker (V),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein die temperaturabhängige Basis-Emitterspannung des Bipo­ lartransistors (T ₁) kompensierender Zwei- bzw. Vierpol (Z, VP) vorgesehen ist,
• - zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (FET) und Masse eine die untere Grenzfrequenz bestimmende Serien­ schaltung eines Widerstandes (R ₅) und einer Kapazität (C ₁) eingeschaltet ist,
• - der Emitter des Bipolartransistors (T ₁) über einen vierten Widerstand (R ₄) am anderen Pol (+U _B ) der Betriebsspannungs­ quelle liegt und
• - der dem Verstärker (V) vorgeschaltete Teil des Strahlungsemp­ fängers (SE) eine durch die Bemessung der vier Zweigwider­ stände (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) gemäß der Bedienung R ₁/R ₂ = R ₃/R ₄ abgeglichene Brückenschaltung darstellt, an deren durch den Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (FET) und den Kollektor des Bipolartransistors (T ₁) gebildeten Brückendiagonale die nachfolgende Schaltung (V) angeschlossen ist.

2. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol eine Diode ist.

3. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol ein als Diode wirksamer weiterer Bi­ polartransistor ist.

4. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (Z) ein emitterseitig mit dem zweiten Wider­ stand (R ₂), sowie basisseitig direkt und kollektorseitig über einen Widerstand (R ₆) mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekt­ transistors (FET) verbundener weiterer Bipolartransistor (T ₂) ist.

5. Strahlungsempfänger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Bipolartransistor (T ₁) und weiterer Bipolartransistor (T ₂) zwei gleiche vorzugsweise als Doppeltransistor ausgeführte Bipolartransistoren vorgesehen sind und der zweite und vierte Widerstand (R ₂, R ₄) gleiche Wider­ standswerte aufweisen.

6. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol (VP) ein weiterer Bipolartransistor (T ₂′) ent­ gegengesetzten Leitungstyps ist, der basisseitig mit dem Drain- Anschluß des Feldeffekttransistors (FET), kollektorseitig mit dem anderen Pol (+U _B ) der Betriebsspannungsquelle und emitter­ seitig mit der Basis des Bipolartransistors (T ₁), sowie über einen Widerstand (R ₆′) mit dem einen Pol (-U _B ) der Betriebs­ spannungsquelle verbunden ist.

7. Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem vierten Widerstand (R ₄) wenigstens ein RC-Glied (C ₂, R ₇) parallelgeschaltet ist.

8. Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R ₅) der Serienschaltung (R ₅, C ₁) zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransis­ tors (FET) und dem ersten Widerstand (R ₁) eingeschaltet ist und am Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände (R ₅, R ₁) sowohl der Kondensator (C ₁) der Serienschaltung (R ₅, C ₂) als auch der eine Eingang des Verstärkers (V) angeschlossen ist.

9. Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (V) ein digitaler Tiefpaß (TP) mit einer oberen Grenzfrequenz von etwa 45 Hz nachgeschal­ tet ist.