DE3528646A1 - Schaltungsanordnung fuer einen infrarot-raumueberwachungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen ein Py­ roelement als Sensor aufweisenden Infrarot-Raumüberwachungsdetek­ tor, wobei die Schaltungsanordnung in der Strom-Betriebsart be­ trieben wird und einen Operationsverstärker aufweist, dessen Aus­ gangssignal einer Schwellwert-Komparatorstufe zugeführt wird.

Detektorschaltungen, die im Zusammenhang mit als Infrarot-Senso­ ren dienenden Pyroelementen verwendet werden, sind üblicherweise Detektoren, die in der Spannungs-Betriebsart (Voltage-Mode) be­ trieben werden. Derartige Detektoren in der Spannungs-Betriebsart weisen eine hohe Impedanz auf, die für die weitere Verarbeitung des Detektor-Ausgangssignals, etwa in einer Schwellwert-Kompara­ torstufe, erforderlich ist. Der Nachteil dieser in der Spannung- Betriebsart arbeitenden Detektoren liegt jedoch darin, daß die Detektorempfindlichkeit zu wünschen übrig läßt, und insbesondere die Verstärkung des Detektors zu höheren Frequenzen hin abnimmt; dies bedeutet, daß sich der Verstärkungsgrad und damit die Aus­ gangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz ändert.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, im Zusammenhang mit einem als Infrarot-Sensor dienenden Pyroelement einen Detektor zu ver­ wenden, der in der Strom-Betriebsart (Current-Mode) arbeitet. Da­ mit ergibt sich eine höhere Detektorempfindlichkeit, und der De­ tektor würde über ein relativ breites Frequenzband auch zu höhe­ ren Frequenzen hin einen konstanten Verstärkungsfaktor aufweisen, was im praktischen Einsatz von besonderem Vorteil wäre. Der Nach­ teil eines in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektors besteht jedoch darin, daß dieser relativ niederohmig ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde daher vorgeschlagen, zwi­ schen das Pyroelement und einen Operationsverstärker einen Impe­ danzwandler in Form eines Feldeffekttransistors (FET) zu schal­ ten. Damit ergibt sich zwar die erforderliche Hochohmigkeit, je­ doch hat die Verwendung eines Impedanzwandlers bzw. eines FET den erheblichen Nachteil, daß der Detektor wesentlich anfälliger ge­ genüber elektromagnetischen Störungen von außen wird und die sei­ tens der abnehmenden Behörde geforderte elektromagnetische Ver­ träglichkeit (EMV) nicht sichergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordung für einen Infrarot-Detektor zu schaffen, die eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Rauscharmut aufweist, über einen relativ breiten Frequenzbereich eine konstante Verstärkung be­ sitzt und dennoch hochohmig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Opera­ tionsverstärker hochohmig und direkt mit den Anschlüssen des Py­ roelements verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich die Möglich­ keit, einen Detektor, der in der Strom-Betriebsart arbeitet, im Zusammenhang mit einem Pyroelement zu verwendung, wobei der De­ tektor eine hohe Impedanz aufweist und dennoch hochempfindlich und rauscharm ist sowie über einen relativ breiten Frequenzbe­ reich eine gleichmäßige Verstärkung aufweist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurden vom Erfinder Untersuchungen mit Detektoren verschiedenster Art angestellt, die im Zusammenhang mit Pyroelementen für Infrarot-Raumschutzüberwachungen verwendet werden sollten. Entgegen der allgemeinen Ansicht der Fachwelt wurde dabei festgestellt, daß es doch möglich ist, einen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor auch ohne die Verwendung eines Impedanzwandlers einzusetzen und damit den Detektor stör­ unempfindlicher und rauschärmer zu machen, vorausgesetzt es wird ein hochohmiger Operationsverstärker für den Detektor verwendet und der Operationsverstärker wird direkt mit den Anschlüssen des Pyroelements verbunden.

Es sei darauf hingewiesen, daß als Pyroelement sowohl ein Einzel- als auch ein Doppelelement verwendet werden kann, ohne daß da­ durch die Prinzipien der vorliegenden Erfindung betroffen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Rückkoppelwiderstand des Operationsverstärkers hoch und vorzugs­ weise in einem Bereich von 10¹¹ bis 10¹² Ohm gewählt. Dadurch kann das Ausgangssignal des im Detektorgehäuse untergebrachten Detektors so groß gemacht werden, daß damit ohne eine weitere zu­ sätzliche Verstärkung die Schwellwert-Komparatorschaltung, die zur Signalauswertung erforderlich ist, angesteuert werden kann. Auf diese Weise erfolgt eine Verstärkung nur im Detektorgehäuse selbst und auf einen außerhalb des Gehäuses anzuordnenden Ver­ stärker kann verzichtet werden. Damit wird die Störempfindlich­ keit des Detektors noch weiter verringert, weil kein externer Verstärker vorhanden ist, der Störungen von außen aufnehmen kann.

Besonders vorteilhaft ist es, die Referenzspannung dem Opera­ tionsverstärker zu entnehmen, diese aus dem Detektor herauszufüh­ ren und als Referenzspannung für die Komparatorstufe heranzuzie­ hen. Auf diese Weise wird die Störempfindlichkeit noch weiter verringert, weil keine außerhalb des Detektorgehäuses anzuordnen­ de Beschaltung zur Erzeugung der Referenzsspannung für die Kompa­ ratorstufe erforderlich ist. Darüber hinaus wird insgesamt der Schaltungsaufwand des Detektors verringert. Ein zusätzlicher be­ sonderer Vorteil ergibt sich durch die Verwendung der dem Opera­ tionsverstärker entnommenen Referenzspannung auch für die Kompa­ ratorstufe dadurch, daß Betriebsspannungs-Schwankungen die Schwellwert-Komparatorfunktion nicht beeinträchtigen, weil der Spannungs-Bezugspunkt für die Komparatorstufe sich bei Änderung der Betriebsspannung mitändert, der Komparator-Bezugspunkt also mit den Betriebsspannungs-Schwankungen "mitschwimmt". Die Entnah­ me der Referenzspannung vom Operationsverstärker des Detektors als Vergleichsspannung für die Schaltschwellen der Komparatorstu­ fe ist insbesondere dann möglich, wenn der Rückkoppelwiderstand hochohmig ist, so daß praktisch keine Belastung auftritt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Komparatorstufe im Detektorgehäuse mitinte­ griert ist. Auf diese Weise wird der Detektor noch störunempfind­ licher und seine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht.

Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß zwischen der Minus-Klemme der Betriebsspannungsquelle und dem Re­ ferenzspannungsausgang, sowie zwischen letzterem und der Plus- Klemme der Betriebsspannungsquelle jeweils eine Sperrdiode oder jeweils ein als Sperrdiode geschalteter Transistor vorgesehen ist. Durch statische Aufladungen, die insbesondere während des Fertigungsvorganges auftreten können, entstehen hohe Spannungs­ spitzen, sogenannte Spikes, die an den Operationsverstärker ge­ langen und bei Nichtvorhandensein der Dioden diesen, insbesondere wenn es sich um einen CMOS-Operationsverstärker handelt, zerstö­ ren können. Das Vorsehen der Dioden verhindert dies. Die Dioden bzw. als Sperrdioden ausgebildete Transistoren sind vorzugsweise innerhalb des Detektorgehäuses untergebracht. Für den Fall, daß im Detektorgehäuse kein ausreichender Raum vorhanden ist, ist es auch möglich, nur zwischen der Minus-Klemme der Betriebsspan­ nungsquelle und dem Referenzspannungsausgang eine Sperrdiode bzw. einen als Sperrdiode geschalteten Transistor vorzusehen, die bzw. der innerhalb des Detektorgehäuses angeordnet ist. Zwischen dem Referenzspannungsausgang und der Plus-Klemme der Betriebsspan­ nungsquelle ist dagegen ein Widerstand vorgesehen, der sich außerhalb des Detektorgehäuses befindet.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Diode bzw. die Dioden eine Zenerdiode bzw. Zenerdioden, oder als Zenerdioden geschal­ tete Transistoren sind. Wenn darüberhinaus gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Betriebsspannungen über je einen Vorwiderstand zugeführt werden, ergibt sich aufgrund der Verwen­ dung von Zenerdioden eine zusätzliche Betriebsspannungs-Stabili­ sation, für die keine weiteren Bauteile oder Maßnahmen erforder­ lich sind.

Weiterhin kann die Maßnahme vorteilhaft sein, die Minus-Klemme der Betriebsspannungsquelle an Masse zu legen und nur die posi­ tive Betriebsspannung über einen Vorwiderstand zuzuführen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispiels­ weise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Kennlinienverstärkung für die Detektorschaltung in Spannungs-Betriebsart und in Strom-Betriebsart in Abhän­ gigkeit von der Frequenz,

Fig. 2 eine in der Strom-Betriebsart arbeitende Detektorschaltung mit Impedanzwandler und

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Schaltungsbeispiel für einen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor.

Fig. 1 zeigt die Verstärkungs-Kennlinie 11 für einen in der Span­ nungs-Betriebsart arbeitenden Detektor und die Verstärkungs-Kenn­ linie 12 für einen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie erwähnt, wird für einen im Zusammenhang mit Infrarotsensoren verwendeten Detektor angestrebt, daß er über den Arbeitsfrequenzbereich hinweg im we­ sentlichen eine konstante Verstärkung aufweist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist diese Forderung mit einem in der Spannungs-Be­ triebsart arbeitenden Detektor nicht erfüllbar. Demgegenüber weist die Verstärkungs-Kennlinie eines in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektors über einen relativ breiten Bereich zu höhe­ ren Frequenzen hin einen geradlinigen Verstärkungs-Kennlinienver­ lauf, d. h. über einen relativ breiten Frequenzbereich eine kon­ stante Verstärkung auf, so daß ein Detektor für die Strom-Be­ triebsart insbesondere in dieser Hinsicht wesentlich geeigneter ist.

Wie erwähnt, hat ein in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detek­ tor jedoch eine nicht ausreichend hohe Impedanz, so daß ein Impe­ danzwandler in der Detektorschaltung vorgesehen sein muß. Fig. 2 zeigt einen derartigen in der Strom-Betriebsart arbeitenden De­ tektor mit Impedanzwandler.

Der eine Anschluß eines Pyroelements 1, das ein Einzel- oder Dop­ pelelement sein kann, liegt an Masse oder dem Minus-Anschluß der Betriebsspannungsquelle, und der andere Anschluß des Pyroelements 1 ist mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET) 2 verbunden, dessen Drain-Elektrode mit der Plus-Klemme einer Be­ triebsspannungquelle U _B in Verbindung steht. Die Source-Elektrode des FET 2 liegt über einem Widerstand R ₁ an Masse bzw. am Minus- Pol der Betriebsspannungsquelle sowie direkt am Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 3, an dessen Plus-Eingang die Refe­ renzspannung U _Ref anliegt. Zwischen der Gate-Elektrode des FET 2 und dem Ausgang des Operationsverstärkers 3 ist ein Rückkoppel- Widerstand R _R geschaltet. Das Ausgangssignal des Operationsver­ stärkers 3 wird einem weiteren Schaltungsteil, beispielsweise ei­ ner Schwellwert-Komparatorstufe zur Signalauswertung zugeleitet.

Der vor dem Verstärker angeordnete Impedanzwandler in Form eines Junktion-FET 2 hat den Nachteil, daß das Spannungsrauschen dieses FET voll in das auszuwertende Signal miteingeht. Insbesondere wird das Spannungsrauschen des FET erheblich durch den zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode wirkenden ohmschen Rückwirkungsleitwert hervorgerufen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen im Zusammenhang mit einem Pyroele­ ment verwendeten Detektor dargestellt. Das Pyroelement 1 liegt mit seinem einen Anschluß direkt am Minus-Eingang eines Opera­ tionsverstärkers 3 und mit seinem anderen Anschluß direkt am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 3. Zwischen dem Ausgang und dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers 3 liegt ein Rück­ koppelwiderstand R _R . Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist das in der weiteren Schaltungsanordnung auszuwertende Detek­ torsignal A, das beispielsweise einer Schwellwert-Komparatorstufe 4 zugeleitet wird. Die Betriebsspannungen + U _B bzw. - U _B werden dem Operationsverstärker 3 zugeleitet.

Im Zusammenhang mit Untersuchungen von Detektoren, die bei der Verwendung von Pyroelementen als Infrarot-Sensoren verwendet wer­ den, hat sich herausgestellt, daß - entgegen der Ansicht der Fachwelt - ein in der Strom-Betriebsart arbeitender Detektor ohne Impedanzwandler verwendbar ist, der in der dargestellten Weise aufgebaut ist, wobei die Eingänge des Operationsverstärkers 3 di­ rekt mit den Anschlüssen des Pyroelements 1 in Verbindung stehen und der Operationsverstärker 3 hochohmig ist. Auf diese Weise er­ gibt sich eine den Erfordernissen entsprechend ausreichend hohe Impedanz des Detektors. Als Operationsverstärker werden bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise BiMOS- oder CMOS-Operations­ verstärker verwendet.

Vorteilhaft ist es weiterhin, den Rückkoppelwiderstand R _R mög­ lichst hoch, vorteilhafterweise über 10¹¹ Ohm, beispielsweise 10¹² Ohm zu wählen. Dadurch wird das Ausgangssignal so groß, daß auf eine weitere Verstärkung vor der Verarbeitung des Signals in der Schwellwert-Komparatorstufe 4 verzichtet werden kann. Abgese­ hen von einer einfacheren Bauweise hat dies den Vorteil, daß keine zusätzlichen Bauelemente vorhanden sind, die Störungen von außen aufnehmen und den Detektor störunempfindlicher machen.

Mit dem Bezugszeichen 5 ist das Detektorgehäuse angedeutet. In ihm befinden sich die bis jetzt beschriebenen Schaltungsteile der Detektorschaltung, die durch das Gehäuse 5 gegen Störeinflüsse von außen im wesentlichen geschützt sind.

Aus Symmtriegründen wird die Referenzspannung U _Ref vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa in der Mitte des Aussteuerbereichs der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers liegt, was bei der Verwendung von CMOS-Operationsverstärkern, die - wie erwähnt - besonders geeignet sind, etwa der Hälfte der Betriebsspannung entspricht.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Refe­ renzspannung U _Ref über einen dem Rückkoppelwiderstand R _R entspre­ chenden Widerstand R′ _R dem verwendeten Operationsverstärker 3 entnommen und aus dem Detektorgehäuse 5 herausgeführt. Dadurch erfährt der Operationsverstärker praktisch keine Belastung, weil der Widerstand R′ _R hochohmig ist.

Die Herausführung der Referenzspannung aus dem Detektorgehäuse und die gleichzeitige Verwendung als Referenzspannung für die nachfolgende Komparatorschaltung führt nicht nur zu einem gerin­ geren schaltungsmäßigen Aufwand, sondern insbesondere auch zu ei­ ner geringeren Störempfindlichkeit, weil keine externen Beschal­ tungen nötig sind und die Möglichkeit der Störungsaufnahme da­ durch verringert wird. Darüberhinaus ergibt sich der weitere nicht unwesentliche Vorteil, daß nämlich bei Betriebsspannungs- Schwankungen die Schwellwert-Komparatorstufe davon praktisch un­ beeinflußt bleibt, weil der aus dem Detektor herausgeführte Span­ nungsreferenz-Punkt für die Komparatorstufe sich mit den Schwan­ kungen der Betriebsspannung ändert.

Zum Schutz der im Detektorgehäuse befindlichen Bauteile können die Dioden D ₁ und D ₂ verwendet werden, die in der in Fig. 3 dar­ gestellten Weise in der Schaltungsanordnung vorgesehen sind.

Die Anode einer Diode D ₁ ist mit der Minus-Klemme -U _B der Be­ triebsspannungsquelle, und deren Kathode mit dem Referenzspan­ nungsausgang U _Ref verbunden; letzterer steht mit der Anode einer weiteren Diode D ₂ in Verbindung, deren Kathode mit der Plus- Klemme +U _B der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Diese Dio­ den dienen dem Schutz der im Detektorgehäuse befindlichen Bau­ teile, insbesondere des Operationsverstärkers 3. Anstelle der Dioden können auch als Dioden geschaltete Transistoren verwendet werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Betriebs­ spannung -U _B und +U _B über Widerstände R ₃ bzw. R ₄ zugeführt. Wenn als Dioden D ₁ und D ₂ Zenerdioden verwendet werden, ergibt sich ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand eine Be­ triebsspannungsstabilisation.

Die Schwellwert-Komparatorstufe 4, die der Auswertung des Detek­ orsignals A dient, enthält zwei Komparatoren 6 und 7 in Form von Operationsverstärkern, wobei dem Minus-Eingang des Komparators 6 und dem Plus-Eingang des Komparators 7 das Ausgangssignal A des Operationsverstärkers 3 zugeleitet wird. Die Referenzspannung U _Ref wird über Schwellwert-Einstellwiderstände R ₁ und R ₂ an den Plus-Eingang des Komparators 6 bzw. an den Minus-Eingang des Kom­ parators 7 gelegt.

Als weitere Möglichkeit der Vereinfachung und insbesondere der Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit kann vorge­ sehen sein, daß auch die Schwellwert-Kompensationsstufe 4 im De­ tektorgehäuse 5 untergebracht werden kann. Auf diese Weise ist auch dieser Schaltungsteil gegen Störungen von außen im wesentli­ chen abgeschirmt.

Wie Fig. 1 zeigt, ergibt sich für den in der Strom-Betriebsweise arbeitenden Detektor (Kennlinie 12) ein Abfall des Frequenz-Ver­ stärkungsverlaufs zu höheren Frequenzen hin, der durch Abnahme der Leerlaufverstärkung des verwendeten Operationsverstärkers zu­ stande kommt. Daher wird als Operationsverstärker 3 vorzugsweise ein solcher gewählt, der über den gewünschten Frequenzbereich hinweg eine konstante Leerlaufverstärkung aufweist. Gegebenen­ falls können zu dem besagten Zweck auch zwei Operationsverstärker in Reihe geschaltet werden. Sinnvoll ist eine Leerlaufverstärkung im Nutzbereich von 120 dB. Die Kompensation des Operationsver­ stärkers, d. h. der Abknickpunkt der Leerlaufverstärkung sollte außerhalb des Nutzbereichs liegen.

Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch Abwandlungen und Ausgestaltungen mög­ lich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung für einen ein Pyroelement als Sensor auf­ weisenden Infrarot-Raumüberwachungsdetektor, wobei die Schal­ tungsanordnung in der Strom-Betriebsart betrieben wird und ei­ nen Operationsverstärker aufweist, dessen Ausgangssignal einer Schwellwert-Kompensationsstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (3) hoch­ ohmig und direkt mit den Anschlüssen des Pyroelements (1) ver­ bunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelwiderstand (R _R ) des Operationsverstärkers (3) größer als 10¹¹ Ohm und vorzugweise in einem Bereich von 10¹¹ bis 10¹² Ohm gewählt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Referenzspannung dem Operationsverstärker (3) entnommen, aus dem Detektorgehäuse (5) herausgeführt ist und als Referenzspannung (U _Ref ) für die Schwellwert-Kompara­ torstufe (4) dient.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert-Komparatorstufe (4) im De­ tektorgehäuse (5) untergebracht ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Minus-Klemme (-U _B ) der Be­ triebsspannungsquelle und dem Referenzspannungsausgang (U _Ref ), sowie zwischen letzterem und der Plus-Klemme (+U _B ) der Be­ triebsspannungsquelle jeweils eine Sperrdiode D ₁ bzw. D ₂ oder jeweils ein als Sperrdiode geschalteter Transistor vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Minus-Klemme (-U _B ) der Betriebsspannungsquel­ le und dem Referenzausgang (U _Ref ) eine innerhalb des Detektor­ gehäuses (5) angeordnete Sperrdiode D ₁ bzw. ein als Sperrdiode geschalteter Transistor, und zwischen dem Referenzspannungs­ ausgang (U _Ref ) und der Plus-Klemme (+U _B ) der Betriebsspan­ nungsquelle ein Widerstand (R ₅) außerhalb des Detektorgehäuses (5) vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden D ₁ bzw. D ₂ Zenerdioden oder als Zenerdioden geschaltete Transistoren sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungen +U _B und -U _B über je einen Vorwider­ stand (R ₃ bzw. R ₄) zugeführt werden.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Minus-Klemme (-U _B ) der Betriebsspan­ nungsquelle an Masse liegt und nur die positive Betriebsspan­ nung +U _B über einen Vorwiderstand (R ₃) zugeführt wird.