RU2403666C1

RU2403666C1 - Power supply of fire alarm box

Info

Publication number: RU2403666C1
Application number: RU2009140502/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Гвоздырев (RU); Александр Васильевич Гвоздырев; Александр Антонович Живак (RU); Александр Антонович Живак
Original assignee: Александр Васильевич Гвоздырев
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2010-11-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: power supply of a fire alarm box comprises an energy storage, a high-voltage filter rectifier, a high-frequency key, a high-voltage voltage divider, a timing circuit and a microcontroller and has the following connections: input voltage bus is connected with the energy storage with its output through the high-frequency key connected to a zero bus, and through the high-voltage rectifier by a high-voltage voltage bus connected to a high-voltage filter, a high-voltage voltage divider and through an output connector with a UF receiver of the fire alarm box, an output of the high-voltage divider is connected by a feedback bus to the first input of the microcontroller, an input/output bus of which is connected with the timing circuit, and an output 1 - to a driving point of the high-voltage key, the second input of the microcontroller is connected to an output of the UF receiver of the fire alarm box, and the second output of the microcontroller is an output of the fire alarm box.

EFFECT: improved performance and consumer characteristics.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к преобразователям энергии DC/DC, т.е.от источника напряжения постоянного тока к источнику потребления напряжения также постоянного тока с повышающим коэффициентом передачи, и может быть использовано для питания пожарных извещателей.The invention relates to DC / DC energy converters, i.e., from a DC voltage source to a voltage consumption source also of direct current with an increasing transmission coefficient, and can be used to power fire detectors.

Общей проблемой источников питания для современных пожарных излучателей, работающих в ультрафиолетовом диапазоне (УФ), является увеличение количества подсоединения нескольких пожарных излучателей на один питающий шлейф от источника питания, причем в режиме молчания («дежурный» режим) ток потребления должен быть минимальным (порядка 200-500 мкА на один извещатель), а в режиме «Пожар» ток пожарного извещателя превышает ток в режиме «Дежурный» на 1,5-2 порядка и достигает 3-22 мА. Причем чем больше будут различаться значения токов в режимах «Пожар» и «Дежурный», тем большее количество извещателей можно подключить к одному шлейфу,A common problem of power supplies for modern fire emitters operating in the ultraviolet range (UV) is the increase in the number of connections of several fire emitters per supply cable from the power source, and in silent mode ("standby" mode) the consumption current should be minimal (about 200 -500 μA per detector), and in the "Fire" mode, the current of the fire detector exceeds the current in the "Standby" mode by 1.5-2 orders of magnitude and reaches 3-22 mA. Moreover, the more the current values in the Fire and Standby modes differ, the more detectors can be connected to one loop,

Общеизвестны преобразователи DC/DC, выпускаемые большим количеством отечественных и зарубежных фирм, в том числе и с повышающим коэффициентом передачи.Well-known DC / DC converters, manufactured by a large number of domestic and foreign companies, including those with an increasing transmission coefficient.

Недостатком всех серийно выпускаемых преобразователей DC/DC является строго тестированный или нормированный ряд значений входных и соответственно выходных напряжений. Короче, ни один из существующих DC/DC для использования пожарных извещателей УФ-диапазона не подходит.The disadvantage of all commercially available DC / DC converters is a strictly tested or normalized series of input and output voltage values. In short, none of the existing DC / DC is suitable for use with UV detectors.

Также широко известны схемы преобразователей DC/DC, которые выполняются «россыпью», т.е. из набора дискретных элементов. Эти DC/DC преобразователи построены по классической схеме, т.е. это просто импульсные преобразователи, например, по схеме ШИМ.DC / DC converter circuits that are performed in bulk are also widely known. from a set of discrete elements. These DC / DC converters are built according to the classical scheme, i.e. these are just pulse converters, for example, according to the PWM scheme.

Эти преобразователи при использовании в пожарных извещателях обладают следующими большими недостатками: большой ток в дежурном режиме и очень дороги.These converters, when used in fire detectors, have the following major drawbacks: high standby current and very expensive.

Известен преобразователь DC/DC для пожарных извещателей УФ-диапазона, построенный по классически импульсной схеме «россыпью», см. преобразователь С3704, фирмы HAMAMATSU, e-mail: info@hamamatsu.com - ПРОТОТИП, который состоит из высоковольтного источника питания и схемы обработки сигналов, обладающий классическими вышеприведенными недостатками, к тому же схема обработки сигналов построена по жесткой логике, т.е. ее нельзя перепрограммировать.The well-known DC / DC converter for UV-range fire detectors, built according to the classically pulsed “bulk” circuit, see HAMAMATSU C3704 converter, e-mail: info@hamamatsu.com - PROTOTYPE, which consists of a high-voltage power supply and processing circuit signals, which has the classic drawbacks mentioned above, in addition, the signal processing scheme is built on strict logic, i.e. it cannot be reprogrammed.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных и потребительских качеств, т.е. резкое снижение тока «покоя» (дежурный режим) практически до нуля (75-95 мкА), что позволяет подсоединить к одному источнику питания 25 потребителей (извещателей). Далее, источник питания довольно дешев по сравнению с аналогами и прототипом, т.к. не содержит высоковольтного импульсного трансформатора, который должен быть собственного производства.The technical task of the invention is to increase operational and consumer qualities, i.e. a sharp decrease in the quiescent current (standby mode) to almost zero (75-95 μA), which allows you to connect 25 consumers (detectors) to one power source. Further, the power source is quite cheap compared to analogues and prototype, because does not contain a high-voltage pulse transformer, which must be of its own production.

Для решения этой задачи предлагается источник питания пожарного извещателя, который содержит в своем составе накопитель энергии, высоковольтный выпрямитель с фильтром, высокочастотный ключ, высоковольтный делитель напряжения, хронирующую цепь и микроконтроллер и имеет следующие соединения: шина входного напряжения соединена с накопителем энергии, выход которого через высокочастотный ключ соединен с нулевой шиной, а через высоковольтный выпрямитель шиной высоковольтного напряжения соединена с высоковольтным фильтром, высоковольтным делителем напряжения и через выходной разъем с УФ-приемником пожарного извещателя, выход высоковольтного делителя шиной обратной связи ОС соединен с первым входом микроконтроллера, шина вход/выход которого соединена с хронирующей цепью, а вых1 - с управляющим входом высоковольтного ключа, второй вход микроконтроллера соединен с выходом УФ-приемника пожарного извещателя, а второй выход микроконтроллера является выходом пожарного извещателя; микроконтроллер выполняет функции схемы управления непосредственно самого источника, но и всего пожарного извещателя.To solve this problem, a fire detector power supply is proposed, which contains an energy storage device, a high-voltage rectifier with a filter, a high-frequency switch, a high-voltage voltage divider, a timing circuit and a microcontroller and has the following connections: the input voltage bus is connected to the energy storage device, the output of which is via the high-frequency switch is connected to the zero bus, and through the high-voltage rectifier, by the high-voltage bus, it is connected to the high-voltage filter, the high-voltage m voltage divider and through the output connector with the UV detector of the fire detector, the output of the high-voltage divider is connected via a feedback bus to the first input of the microcontroller, the input / output bus of which is connected to the timing circuit, and output1 to the control input of the high-voltage key, the second input of the microcontroller is connected with the output of the UV detector of the fire detector, and the second output of the microcontroller is the output of the fire detector; the microcontroller functions as a control circuit directly of the source itself, but of the entire fire detector.

На чертеже представлена структурная схема пожарного извещателя с источником питания, на которой показано: 1 - накопитель энергии, 2 - высоковольтный выпрямитель, 3 - УФ-приемник, 4 - высоковольтный фильтр, 5 - высокочастотный ключ, 6 - высоковольтный делитель напряжения, 7 - хронирующая цепочка, 8 - микроконтроллер, 9 - датчик излучения, причем датчик излучения 9 и приемник 3 в источник питания не входит, но источник питания совмещен со схемой его управления на МС8, а последняя выполняет функцию (с УФ-датчиком и приемником) самого пожарного извещателя.The drawing shows a structural diagram of a fire detector with a power source, which shows: 1 - energy storage, 2 - high-voltage rectifier, 3 - UV receiver, 4 - high-voltage filter, 5 - high-frequency switch, 6 - high-voltage voltage divider, 7 - timing chain, 8 - microcontroller, 9 - radiation sensor, and the radiation sensor 9 and receiver 3 are not included in the power source, but the power source is combined with its control circuit on MS8, and the latter performs the function (with an UV sensor and receiver) of the fire detector itself .

Схема имеет следующие соединения: источник питания пожарного извещателя содержит в своем составе накопитель энергии 1, высоковольтный выпрямитель 2 с фильтром 4, высокочастотный ключ 5, высоковольтный делитель напряжения 6, хронирующую цепь 7 и микроконтроллер 8 и имеет следующие соединения: шина, входного напряжения соединена с накопителем энергии 1, выход которого через высокочастотный ключ 5 соединен с нулевой шиной, а через высоковольтный выпрямитель 2 шиной высоковольтного напряжения соединена с высоковольтным фильтром 4, высоковольтным делителем напряжения 6 и через выходной разъем Ш1 с УФ-приемником 3 и УФ-датчика 9 пожарного извещателя, выход высоковольтного делителя 6 шиной обратной связи ОС соединен с первым входом микроконтроллера 8, шина вход/выход которого соединена с хронирующей цепью 7, а вых1 - с управляющим входом высоковольтного ключа 5, второй вход микроконтроллера 8 соединен с выходом УФ-приемника 3 пожарного извещателя, а второй выход микроконтроллера 8 является выходом пожарного извещателя; микроконтроллер 8 выполняет функции схемы управления непосредственно самого источника, но и всего пожарного извещателя.The circuit has the following connections: the fire detector power supply contains an energy storage device 1, a high-voltage rectifier 2 with a filter 4, a high-frequency switch 5, a high-voltage voltage divider 6, a timing circuit 7 and a microcontroller 8 and has the following connections: bus, input voltage connected to energy storage 1, the output of which is connected to the zero bus via a high-frequency switch 5, and is connected to a high-voltage filter 4 through a high-voltage rectifier 2 with a high-voltage filter 4, high-voltage voltage divider 6 and through the output connector Ш1 with UV receiver 3 and UV sensor 9 of the fire detector, the output of the high-voltage divider 6 is connected via the feedback bus OS to the first input of the microcontroller 8, the input / output bus of which is connected to the timing circuit 7, and output1 - with the control input of the high voltage switch 5, the second input of the microcontroller 8 is connected to the output of the UV detector 3 of the fire detector, and the second output of the microcontroller 8 is the output of the fire detector; microcontroller 8 performs the functions of a control circuit directly of the source itself, but of the entire fire detector.

Узлы источника питания могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.Power supply units can be performed on the following ERE and IC.

Накопитель энергии 1 - например, по схеме, дроссель и емкость.Energy storage 1 - for example, according to the scheme, a choke and a capacitance.

Выпрямитель высоковольтный 2 - классический.High-voltage rectifier 2 - classic.

Высоковольтный фильтр 4 - по классической Т-образной схеме: два резистора соединены между собой, а к точке их соединения подключен конденсатор, второй вывод которого соединен с нулевой шиной.High-voltage filter 4 - according to the classic T-shaped circuit: two resistors are interconnected, and a capacitor is connected to their connection point, the second output of which is connected to the zero bus.

Высокочастотный ключ 5 - на транзисторах по каскадной схеме, причем нижний транзистор низковольтный, а верхний - высоковольтный, такое построение позволяет получать высоковольтные импульсы при низковольтном управляющем напряжении от микроконтроллера.High-frequency switch 5 - on transistors in a cascade circuit, with the lower transistor low-voltage and the upper high-voltage, this design allows you to receive high-voltage pulses at low voltage control voltage from the microcontroller.

Высоковольтный делитель напряжения 6 - по классической схеме резистивного делителя.High voltage voltage divider 6 - according to the classical scheme of the resistive divider.

Хронирующая цепь 7 - это просто параллельно соединенные резистор и конденсатор (с постоянной времени на 1 кГц), соединенные с микроконтроллером цепью вх/вых.The timing chain 7 is simply a resistor and a capacitor connected in parallel (with a time constant of 1 kHz) connected to the microcontroller by an I / O circuit.

Микроконтроллер 8 - это ИМС MSP430F2001 как имеющий самое низкое энергопотребление, см. e-mail: info@hamamatsu.Microcontroller 8 is the MSP430F2001 IC as having the lowest power consumption, see e-mail: info @ hamamatsu.

Датчик излучения 9 и приемник 3 в УФ-диапазоне фирмы HAMAMATSU, см. e-mail:info@ hamamatsu.HAMAMATSU UV radiation sensor 9 and receiver 3, see e-mail: info @ hamamatsu.

Схема работает следующим образом.The scheme works as follows.

Для этого используется комплексный подход, а именно: в качестве микроконтроллера (МС) 8 выбран MSP430F2001 как имеющий самое меньшее потребление из всех существующих в спящем режиме при условии способности реагировать на асинхронные внешние события; далее была создана схема повышающего преобразователя напряжения DC/DC без трансформатора.For this, an integrated approach is used, namely: as the microcontroller (MS) 8, MSP430F2001 was selected as having the lowest consumption of all existing in sleep mode, provided that it is able to respond to asynchronous external events; Then a DC-DC boost converter without a transformer was created.

В результате такого подхода были получены следующие характеристики источника питания (ИП): суммарный потребляемый ток ИП от шлейфа в режиме «дежурный» составляет 75-95 мкА во всем диапазоне входных напряжений 15-25 В и в диапазоне рабочих температур от минус 70 до плюс 80°С. Для этого применен ключ 5, включенный по каскадной схеме, состоящей из нижнего низковольтного транзистора и верхнего высоковольтного. Такое построение ключа позволяет получать высоковольтные импульсы при низковольтном управляющем напряжении от МС8.As a result of this approach, the following characteristics of the power supply (IP) were obtained: the total consumed current of the IP from the loop in the “standby” mode is 75-95 μA in the entire range of input voltages of 15-25 V and in the range of operating temperatures from minus 70 to plus 80 ° C. For this, a key 5 is used, included in a cascade circuit consisting of a lower low-voltage transistor and an upper high-voltage one. This design of the key allows you to receive high-voltage pulses at a low-voltage control voltage from MS8.

В дросселе источника энергии 1 при открытии ключа 5 ток нарастает по линейному закону, максимум которого определяется параметрами дросселя и ключа 5. Превышения этого тока резко снимает КПД преобразователя, иначе говоря, чтобы не превышать это значение время открытого ключа должно быть достаточно коротким. А учитывая, что ключ 5 управляется МС8, то это предъявляет свои требования к тактовой частоте (ƒт) МС8 - она должна быть достаточно высокой. С другой стороны закрытие ключа 5 должно осуществляться максимально быстро, т.к. заваленные фронты (в случае плавного выключения) также приводят к снижению КПД, поэтому это условие тоже требует высокой (ƒт) МС8.When opening the switch 5 of the energy source 1, the current increases linearly, the maximum of which is determined by the parameters of the inductor and switch 5. Exceeding this current drastically removes the efficiency of the converter, in other words, in order not to exceed this value, the time of the public switch should be short enough. And given that the key 5 is controlled by MS8, this makes its demands on the clock frequency (ƒt) of the MS8 - it should be quite high. On the other hand, key 5 should be closed as quickly as possible. heaped fronts (in the case of a smooth shutdown) also lead to a decrease in efficiency, therefore this condition also requires a high (ƒm) MS8.

Согласно этим требованиям тактовая частота МС8 должна быть как можно выше. Но с другой стороны, высокая тактовая частота приводит к большому току, потребляемому МС. Более того, другой необходимости иметь очень высокую тактовую частоту - нет. Микроконтроллер большую часть своего времени ничего не делает, а его работающий высокочастотный тактовый генератор будет потреблять существенную долю энергии.According to these requirements, the clock frequency of the MC8 should be as high as possible. But on the other hand, a high clock frequency leads to a large current consumed by the MS. Moreover, there is no other need for a very high clock speed. The microcontroller does nothing for most of its time, and its working high-frequency clock will consume a significant proportion of the energy.

Единственное решение проблемы - иметь два генератора: высокочастотный и низкочастотный. Низкочастотный генератор 7 работает постоянно, но при этом потребляет очень мало энергии. Высокочастотный генератор потребляет много энергии, но включается на очень короткие промежутки времени. При таком использовании двух генераторов суммарное энергопотребление ИП укладывается в описанные выше требования.The only solution to the problem is to have two generators: a high-frequency and a low-frequency. The low-frequency generator 7 is constantly running, but it consumes very little energy. A high-frequency generator consumes a lot of energy, but turns on for very short periods of time. With this use of two generators, the total energy consumption of the IP fits into the requirements described above.

Низкочастотный генератор 7 задает время (отсчеты времени) пробуждения микроконтроллера и выполнения им каких-либо операций. Высокочастотный генератор осуществляет тактирование микроконтроллера во время его активной фазы. Высоковольтный преобразователь - это импульсное устройство, обладающее вполне конкретными электрическими характеристиками и занимающее какое-то физическое пространство. Это значит, во время своей работы высоковольтный преобразователь напряжения работает не только как преобразователь, а еще и как мощный высокочастотный генератор, излучающий свою энергию в окружающее пространство.The low-frequency generator 7 sets the time (time samples) waking up the microcontroller and performing any operations. The high-frequency generator clocks the microcontroller during its active phase. A high-voltage converter is a pulse device that has very specific electrical characteristics and occupies some kind of physical space. This means that during its operation, the high-voltage voltage converter works not only as a converter, but also as a powerful high-frequency generator that radiates its energy into the surrounding space.

Излучение энергии создает помехи и снижает КПД преобразователя, что приводит к увеличению потребляемого тока. Но поскольку излучение энергии в пространство происходит из какого-то объема, то задача экономии энергии сводится к уменьшению этого объема. В нашем случае - при использовании плоской печатной платы - можно говорить не об объеме, а о площади. Под площадью, с которой «уходит» энергия, следует понимать площадь излучающего контура. Чем меньше площадь контура, тем меньше энергии будет «утекать» в окружающее пространство. Топология расположения элементов на печатной плате выполнена с учетом этих требований.Energy radiation creates interference and reduces the efficiency of the converter, which leads to an increase in current consumption. But since the radiation of energy into space comes from a certain volume, the task of saving energy is reduced to reducing this volume. In our case - when using a flat printed circuit board - we can talk not about volume, but about area. By the area from which the energy "leaves", we should understand the area of the radiating circuit. The smaller the contour area, the less energy will “leak” into the surrounding space. The layout topology of the elements on the printed circuit board is made taking into account these requirements.

Claims

1. The fire detector power supply includes an energy storage device, a high-voltage rectifier with a filter, a high-frequency switch, a high-voltage voltage divider, a timing circuit and a microcontroller, and has the following connections: the input voltage bus is connected to an energy storage device, the output of which is connected to zero through a high-frequency switch bus, and through a high-voltage rectifier a high-voltage bus is connected to a high-voltage filter, a high-voltage voltage divider and through the output ra a connector with a UV detector of the fire detector, the output of the high-voltage divider by an OS feedback loop is connected to the first input of the microcontroller, the input / output bus of which is connected to the timing circuit, and output1 is connected to the control input of the high-voltage key, the second input of the microcontroller is connected to the output of the UV detector of the fire detector, and the second output of the microcontroller is the output of the fire detector.

2. The power source according to claim 1, characterized in that the microcontroller performs the functions of a control circuit directly of the source itself, but of the entire fire detector.