TW201326804A - 差動電流量測以判定存在漏電流時的離子電流 - Google Patents

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Abstract

一種離子腔室提供一表示其當受外部條件(例如，清潔空氣或煙霧)影響時的特性之電流。在一第一極性下將一直流(DC)電壓施加至該離子腔室，且在該第一極性下量測通過該離子腔室之所得電流及寄生漏電流，接著在一與該第一極性相反之第二極性下將該DC電壓施加至該離子腔室，且在該第二極性下量測通過該離子腔室之所得電流及寄生漏電流。因為在該第二極性下實質上無電流流過該離子腔室，所以可藉由自於該第一極性下量測之該電流減去於該第二極性下量測之該電流而自總電流量測移除該共同模式寄生漏電流貢獻，從而僅得到通過該離子腔室之該電流。

Description

差動電流量測以判定存在漏電流時的離子電流
本發明係關於一種離子腔室介面，且特定而言係關於一種具有電流輸入介面的微控制器，該微控制器在判定存在漏電流時之離子電流時去除共同模式電流洩漏。
煙霧偵測器一般使用含有一放射性離子源之離子化腔室，該離子化腔室耦接至一高輸入阻抗運算放大器。用於煙霧偵測器中之典型離子化腔室提供極小電流(nA)，該電流在存在煙霧粒子時減小。運算放大器用以將此電流轉換為接著經量測以判定煙霧之存在的電壓。高溫在煙霧偵測器中之運算放大器之輸入上引起增大之漏電流。此情形影響了離子化腔室煙霧偵測功能之總體效能。因此，漏電流之該等增大可引起多種問題，諸如，不準確性等，該多種問題在設計煙霧偵測器時可需要另外的補償電路且因此可增大器件之成本。
另外，離子腔室之阻抗極高，且任何漏電流(例如，印刷電路板漏電流)皆會掩蓋離子腔室電流。煙霧偵測離子腔室因此需要複雜的製造程序，其中感測積體電路運算放大器之接腳經彎曲且直接在空中(mid-air)熔接至離子腔室。如以上所提及，需要特殊之低洩漏電路以偵測由離子腔室中之煙霧之存在所引起的通過離子腔室之小電流改變。
因此，存在對於既不需要敏感且昂貴之組件亦不需要複雜製造程序的用以在煙霧偵測器之離子腔室中偵測煙霧之方式的需要。
根據一實施例，一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法可包含以下步驟：將一離子腔室之第一電極及第二電極耦接至在一第一極性下的一電壓；判定由在該第一極性下之該電壓所引起的在該離子腔室之該第一電極及該第二電極之間的一第一電流；將該離子腔室之該第一電極及該第二電極耦接至在一第二極性下之該電壓；判定由在該第二極性下之該電壓所引起的在該離子腔室之該第一電極及該第二電極之間的一第二電流；及判定該第一電流與該第二電流之間的一差，其中該差可為通過該離子腔室之離子電流。
根據本方法之另一實施例，該第二極性可與該第一極性相反。根據本方法之另一實施例根據本方法之另一實施例，該電壓可為一直流(DC)電壓。根據本方法之另一實施例根據本方法之另一實施例，該離子腔室可包含一用於離子化其中之氣體分子的輻射源。根據本方法之另一實施例根據本方法之另一實施例，該離子腔室可用以偵測煙霧粒子。
根據本方法之另一實施例，該判定該第一電流與該第二電流之間的該差之步驟可包含以下步驟：將第一電流量測及第二電流量測儲存於一記憶體中；及自一電流量測減去另一電流量測。根據本方法之另一實施例，該電壓可為複 數個電壓脈衝。
根據另一實施例，一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法可包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至一供應電壓；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；對該電容器充電歷時一第一時間週期；將該電容器上之一第一充電電壓轉換為其一第一數位表示；將該第一數位表示儲存於一記憶體中；將該電容器設定至該開始電壓；將該離子腔室之該第二電極耦接至該供應電壓；將該離子腔室之該第一電極耦接至該電容器；對該電容器充電歷時一第二時間週期；將該電容器上之一第二充電電壓轉換為其一第二數位表示；將該第二數位表示儲存於該記憶體中；及判定該第一數位表示與該第二數位表示之間的一差，其中該差可為該離子腔室中之該離子電流的一數位表示。
根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為零(0)伏特。根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為該供應電壓。根據本方法之另一實施例，其可包含判定該差是否可在一警報條件範圍中的步驟。根據本方法之另一實施例，其可包含當該差可在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。根據本方法之另一實施例，該電壓可為一包含複數個輸出電壓脈衝的脈衝產生器。根據本方法之另一實施例，其可包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至該電容器上之一電壓的步驟。
根據又一實施例，一種用於判定一離子腔室中之離子電 流的方法可包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至一脈衝源；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；藉由來自該脈衝源之複數個脈衝對該電容器充電歷時一第一時間週期；計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的該複數個脈衝之一第一數目；將該第一數目儲存於一記憶體中；將該電容器設定至供應電壓；將該離子腔室之該第二電極耦接至該脈衝源；將該離子腔室之該第一電極耦接至該電容器；藉由來自該脈衝源之該複數個脈衝對該電容器充電歷時一第二時間週期；計數將該電容器充電至該第二電壓所需要的該複數個脈衝之一第二數目；將該第二數目儲存於一記憶體中；及判定該第一數目與該第二數目之間的一差，其中該差可為該離子腔室中之該離子電流的一數位表示。
根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為零(0)伏特。根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為該供應電壓。根據本方法之另一實施例，其可包含判定該差是否可在一警報條件範圍中的步驟。根據本方法之另一實施例，其可包含當該差可在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。根據本方法之另一實施例，將一圍繞該離子腔室之防護環充電至該電容器上之一電壓的步驟。
根據另一實施例，一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法可包含以下步驟：將一電容器設定至一第一電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至複數個電壓轉變，該複數個電壓轉變具有時間週期及自實質上零伏特至實質 上一電壓之電壓振幅；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；藉由具有該等經定義之時間週期的該複數個電壓轉變對該電容器充電及放電；及計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的該複數個電壓轉變之一轉變數目。
根據本方法之另一實施例，其可包含判定轉變之該數目是否表示一警報條件範圍的步驟。
根據本方法之另一實施例，其可包含以下步驟：量測該電容器上之一充電電壓；及調整該複數個電壓轉變的當在實質上零伏特處及在實質上該電壓處之該等時間週期，其中：當該電容器上之該充電電壓可小於該電壓之一半時，該複數個電壓轉變的當在該零伏特振幅處的該等時間週期可大於該複數個電壓轉變的當在該電壓振幅處之該等時間週期；當該電容器上之該充電電壓可為實質上該電壓之一半時，該複數個電壓轉變之該零伏特振幅及該電壓振幅的該等時間週期可實質上相同；及當該電容器上之該充電電壓可大於該電壓之一半時，該複數個電壓轉變的當在該零伏特振幅處的該等時間週期可小於該複數個電壓轉變的當在該電壓振幅處之該等時間週期。
根據本方法之另一實施例，其可包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至實質上該電容器上之該充電電壓的步驟。
根據另一實施例，一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法可包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室及一電容器串聯耦接至在一第一極性下 之一供應電壓；對該電容器充電歷時一第一時間週期；將該離子腔室及該電容器串聯耦接至在一第二極性下之該供應電壓；對該電容器放電歷時一第二時間週期；及在一偵測時間週期之後量測該電容器上之一充電電壓。
根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為零(0)伏特。根據本方法之另一實施例，該開始電壓可實質上為該供應電壓。根據本方法之另一實施例，其可包含判定該經量測充電電壓是否可在一警報條件範圍中的步驟。根據本方法之另一實施例，其可包含當該經量測充電電壓可在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。根據本方法之另一實施例，該供應電壓可為一具有一包含複數個電壓脈衝之輸出的脈衝產生器。根據本方法之另一實施例，其可包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至實質上該電容器上之該充電電壓的步驟。
根據另一實施例，一種用於偵測煙霧之裝置可包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室可對煙霧進入開放；及一微控制器，該微控制器包含：一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置的電容器；一耦接於該電容器與一電源供應器共同電位之間的第三開關，該第三開關經調適而用於使該電容器放電；一耦接至該數位驅動器之一輸入的計時器， 其中該計時器產生一具有一時間週期之脈衝；一類比數位轉換器(ADC)；一耦接於該電容器與該ADC之間的第四開關；及一數位處理器與記憶體，其中該數位處理器可耦接至該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關，且控制該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關；且該ADC及該計時器可耦接至該數位處理器；其中當該第一開關可處於第一位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該數位驅動器，當該第一開關可處於第二位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該電容器，當該第二開關可處於該第一位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該數位驅動器，當該第二開關可處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該電容器；當該第三開關可閉合時，該電容器可實質上在零(0)伏特處；及當該第四開關可閉合時，該電容器可耦接至該ADC。
根據另一實施例，該離子化腔室可包含：由一第三電極分離之兩個腔室，其中該兩個腔室中之一者可對煙霧進入開放且另一者可對煙霧進入關閉；一耦接至該第三電極之第五開關；該第一開關及該第五開關具有三個位置，其中第三位置可為斷開；該數位驅動器可耦接至該第五開關之一第一位置；及該電容器可耦接至該第五開關之一第二位置。
根據另一實施例，該微控制器可包含一警報驅動器。根據另一實施例，一可聽/視覺警報可耦接至該警報驅動器。根據另一實施例，一防護環可圍繞該離子腔室，其中 該防護環可充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。根據另一實施例，一第二電容器可耦接至該電容器。
根據另一實施例，一種用於偵測煙霧之裝置可包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室可對煙霧進入開放；及一積體電路，該積體電路包含：一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一具有耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置之一第一輸入及耦接至一電壓參考之一第二輸入的電壓比較器；一耦接於該電壓比較器之該第一輸入及該第二輸入之間的電容器；一具有耦接至該電壓比較器之一輸出之一D輸入及耦接至一時脈產生器之一時脈輸入的正反器，其中每當可自該時脈產生器接收到一時脈信號時，該D輸入處之一邏輯值便可被傳送至該正反器之一Q輸出；一耦接於該正反器之該Q輸出與該電壓比較器之該第一輸入之間用於對該電容器充電及放電的回饋電阻器；一耦接於該電壓比較器之該第一輸入與一電源供應器共同電位之間的電流量測電阻器；其中當該電壓比較器之該第一輸入上的一電壓可大於一來自該電壓參考之電壓時，該電壓比較器之該輸出可在一邏輯低處且該電容器可被放電，且當該電壓比較器之該第一輸入上的該電壓可小於來自該電壓參考之該電壓時，該電壓比較器之該輸出可 在一邏輯高處且該電容器可被充電；用於在一特定時間週期期間當該正反器之該Q輸出可在一邏輯高處時計數來自該時脈產生器之時脈脈衝之一第一數目的一第一計數器；及用於在一特定時間週期期間計數來自該時脈產生器之時脈脈衝之一第二數目的一第二計數器；其中當該第一開關可處於第一位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該數位驅動器，當該第一開關可處於第二位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該電壓比較器之該第一輸入，當該第二開關可處於該第一位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該數位驅動器，及當該第二開關可處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該電壓比較器之該第一輸入。
根據另一實施例，該積體電路可為一具有一數位處理器與記憶體之微控制器。根據另一實施例，在藉由該第一計數器及該第二計數器計數期間，該微控制器之該數位處理器與記憶體可進入一低功率睡眠模式中。根據另一實施例，該積體電路可包含一警報驅動器。根據另一實施例，可將一可聽/視覺警報耦接至該警報驅動器。根據另一實施例，一防護環可圍繞該離子腔室，其中該防護環可被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。根據另一實施例，一第二電容器可耦接至該電容器。
根據另一實施例，一種用於偵測煙霧之裝置可包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室可對煙霧進入開放；及一微控制器，其 可包含：一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置的電容器；一耦接於該電容器與一電源供應器共同電位之間的第三開關，該第三開關經調適而用於使該電容器放電；一具有耦接至該電容器之一第一輸入及耦接至一電壓參考之一第二輸入的電壓比較器；一耦接至該數位驅動器之一輸入的脈衝產生器；一耦接至該脈衝產生器之脈衝計數器，其中該脈衝計數器計數來自該脈衝產生器之脈衝的一數目；及一數位處理器與記憶體，其中該數位處理器可耦接至該第一開關、該第二開關及該第三開關、該脈衝產生器及該計數器脈衝，且控制該第一開關、該第二開關及該第三開關、該脈衝產生器及該計數器脈衝；其中當該第一開關可處於第一位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該數位驅動器，當該第一開關可處於第二位置時，該離子化腔室之該第一電極可耦接至該電容器，當該第二開關可處於該第一位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該數位驅動器，當該第二開關可處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極可耦接至該電容器；及當該第三開關可閉合時，該電容器可實質上在零(0)伏特處。
根據另一實施例，在藉由該脈衝計數器進行之脈衝計數期間，該微控制器之該數位處理器與記憶體可進入一低功 率睡眠模式中。根據另一實施例，該微控制器可進一步包含一警報驅動器。根據另一實施例，可將一可聽/視覺警報耦接至該警報驅動器。根據另一實施例，一防護環可位於該離子腔室周圍，其中該防護環可被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。根據另一實施例，一第二電容器可耦接至該電容器。
根據另一實施例，一種用於偵測煙霧之裝置可包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室可對煙霧進入開放；一耦接至該離子化腔室之該第一電極的脈衝產生器，其中脈衝產生器輸出可包含自實質上零伏特至實質上一電壓的電壓轉變；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的電容器；一預充電電壓參考；一耦接於該預充電電壓參考與該電容器之間的預充電開關，其中該預充電開關最初將該預充電電壓參考耦接至該電容器以用於將該電容器充電至一第一電壓；一耦接至該電容器之電壓判定電路；及一耦接至該脈衝產生器且計數來自該脈衝產生器之脈衝之一數目的脈衝計數器，其中該脈衝計數器計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的來自該脈衝產生器之脈衝的數目。
根據另一實施例，該脈衝產生器可為一具有可程式化時間週期的脈衝寬度調變(PWM)產生器。根據另一實施例，該第一電壓可約為該電壓之一半。根據另一實施例，該電壓判定電路可包含一電壓比較器。根據另一實施例，該電壓判定電路可包含一類比數位轉換器(ADC)。
根據另一實施例，該脈衝產生器、該電容器、該預充電電壓參考、該預充電開關、該電壓判定電路及該脈衝計數器可設在一微控制器中。根據另一實施例，該微控制器可進一步包含一警報驅動器。根據另一實施例，一可聽/視覺警報可耦接至該警報驅動器。根據另一實施例，一防護環可圍繞該離子腔室，其中該防護環可被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。根據另一實施例，一第二電容器可耦接至該電容器。
可藉由參考結合隨附圖式進行之以下描述來獲得對本發明之更完整理解。
儘管本發明易具有各種修改及替代形式，但其特定實例實施例已在圖式中展示且在本文中詳細描述。然而，應理解，本文對特定實例實施例之描述並不意欲將本發明限於本文所揭示之特定形式，相反，本發明欲涵蓋如由附加申請專利範圍界定之所有修改及等效物。
根據本文中所論述之本發明之實施例，將尤其允許在除了具有電流輸出之感測器(例如，煙霧偵測離子腔室)以外無外部組件的情況下藉由微控制器直接量測小電流。離子腔室可模型化為一具有穿過其中之電流洩漏的電容器或一視離子腔室中之氣體之離子化而定的可變高電阻。氣體之離子化係由煙霧偵測離子腔室中之離子源引起。不當漏電流亦存在於煙霧偵測離子腔室所耦接之印刷電路板(PCB)上。
用於煙霧之偵測的離子腔室包含一在離子腔室中之放射性源，該放射性源使得腔室中之氣體(例如，空氣)分子中的一些離子化。此情形歸因於高於正常電極化(離子化)氣體分子數目之電極化(離子化)氣體分子數目而導致氣體之高於正常電容率的電容率。因此，當跨越離子腔室電極中之兩者設置一電壓時(參見圖1)，一小電流將流過此經離子化氣體。當煙霧進入離子腔室時，煙霧與經離子化氣體分子起反應，藉此改變了經離子化氣體分子之電容率ε且減小了經離子化氣體分子之數目。此導致通過離子腔室之較低漏電流。離子腔室電流洩漏將隨著溫度、相對濕度及電壓變化而變化。但此等變化極緩慢地改變。然而，煙霧引起離子腔室漏電流之突然改變(減小了離子電流)。
藉由跨越離子腔室施加在第一極性下的一電壓電位且量測通過離子腔室之總電流及PCB漏電流，且接著跨越離子腔室施加在第二(相反)極性下的一電壓電位且僅量測PCB漏電流。可使共同模式雙極PCB漏電流與單極離子電流隔離，藉此增大離子腔室中之煙霧偵測的敏感性。另外，不再需要昂貴的實體洩漏補償技術。
與類比數位轉換器(ADC)一起使用之取樣電容器具有特定約束。然而，此等約束為已知的。外部解決方案需要額外放大步驟以對抗設備印刷電路板(PCB)之寄生影響及其他環境條件。藉由將必要電路部分移動至微控制器及ADC中，容易地知曉、控制此等寄生影響，且電路解決方案更緊湊且對感測器輸入更敏感。
此電流/電壓介面可有利地與離子腔室煙霧偵測器一起使用，且將明顯減小介接至離子腔室煙霧感測器之成本。根據各種實施例，來自諸如離子腔室之外部器件的電流連接至ADC之輸入。ADC之內部取樣電容器接受電流充電且在一時間週期中產生一電壓。在該時間週期過去之後，可藉由用ADC開始自類比至數位之轉換來量測S/H電容器上之電壓。或者，當在S/H電容器上達到特定電壓(電壓目標)時，可判定將S/H電容器充電至該特定電壓所需要的時間。兩種情況都可判定通過離子腔室煙霧感測器之離子電流，且離子電流之改變指示離子腔室中之煙霧。
此電流表示當將第一極性電壓施加至離子腔室電極時通過離子腔室之氣體離子化電流及印刷電路板漏電流。當將第二極性電壓(與第一極性電壓相反)施加至離子腔室電極時，充電電流將僅為印刷電路板漏電流。藉由自使用第一極性電壓判定之電流減去使用第二極性電壓判定之電流，可判定氣體離子化電流。
充電時間量測單元(CTMU)之部分可用於判定S/H電容器上之充電電壓值。CTMU係更完整地描述於可在www.microchip.com上獲得之微晶片應用記錄(Microchip applications notes)AN1250、AN1375等及美國專利第7,460,441 B2號及第7,764,213 B2號中；其中所有文獻皆特此出於所有目的而以引用之方式併入本文中。藉由在一已知時間週期上自電流源對已知值之電容器充電、接著取樣在該經充電電容器上顯現之電壓而達成CTMU充電電壓量 測準確度。接著藉由類比數位轉換器(ADC)將此經取樣電壓轉換為數位值，且(視情況)可使用查找表或其他構件將經取樣電壓之數位值轉換為用於與參考值比較的值。若經取樣電壓值明顯不同於參考值(如在警報條件下，例如，煙霧偵測)，則可起始一警報。若經取樣電壓值在所要值內，則不存在警報條件。
本文中所描述之各種實施例提供了為使用具有電流輸出之感測器的應用建立具成本效益之解決方案的能力。因此，移除了對於昂貴運算放大器及相關聯電路的需要。根據各種實施例之介面可有利地結合煙霧偵測器離子腔室進行使用以偵測快速發生之發煙火災。
現參看圖式，其示意性地說明特定實例實施例之細節。圖式中的相同元件將由相同數字表示，且類似元件將由具有不同小寫字母字尾的相同數字來表示。
參看圖1，其描繪具有輻射源之離子腔室的示意圖，且該示意圖展示在不同極性電壓連接至該離子腔室的情況下流過該離子腔室之電流。離子腔室102可特徵化為在其間具有一些經離子化氣體(例如，空氣)分子的兩個電極(例如，電極104及106)。氣體分子由輻射源108離子化。當在第一極性下(電極106為正且電極104為負)於兩個電極104及106之間施加電壓電位112時，正偏壓之離子化電子電流116將流過經離子化氣體。當在第二極性下(電極104為正且電極106為負)於兩個電極104及106之間施加電壓電位112時，實質上將無負偏壓之離子化電子電流116a流過經 離子化氣體，因為現在電極104將排斥經離子化氣體電子。然而，漏電流114(例如，印刷電路板污染、油脂、灰塵，等)將無關於電壓電位112之連接極性而流動。
因此，當跨越腔室102電極104及106在第一極性下連接電壓電位112時，通過電流計110之總電流為經離子化電子電流116加上漏電流114。且當跨越腔室102電極104及106在第二極性下連接電壓電位112時，通過電流計110之總電流實質上為無經離子化電子電流116a加上漏電流114，此導致實質上僅有漏電流114。因此，藉由自總電流減去漏電流114，可判定實際的經離子化電子電流116。此允許對經離子化電子電流116之任何改變的更敏感量測而不會使此等改變被不當漏電流114掩蓋。預期且在本發明之範疇內，可由離子源108離子化之任何流體(例如，氣體或液體)將如上文所描述起作用。
參看圖2，其描繪正在自恆定電流源充電之電容器的時間-電壓曲線圖。當經由恆定電流源222對電容器220充電時，跨越電容器220之電壓V根據方程式(1)隨著時間線性增大：I=C＊dV/dT，其中C為電容器220之電容值，I為來自恆定電流源222之電流，且V為在時間T處在電容器220上的電壓。當電流I、時間T及電壓V中之任兩個值已知時，可自兩個已知值計算出另一未知值。舉例而言，若電容器220之電容及時間T=T2-T1已知，且電容器220上之電壓V經量測，則可判定電流充電。此允許將充電電壓(例如，電容器220上之電壓)轉換至經量測之製程變數(例如，經離子 化電子電流116加上漏電流114，及實質上漏電流114(電流116a+電流114))。簡單的電壓對製程變數值查找表亦可經提供且儲存於數位處理器326(圖3)之記憶體中。
參看圖3，其描繪根據本發明之教示的耦接至微控制器之輸入及輸出介面之電流源的示意性方塊圖。微控制器324包含一具有相關聯之取樣與保持(S/H)電容器220的內部類比數位轉換器(ADC)328。另外，提供了一取樣與保持開關336及一放電開關332。放電開關332使S/H電容器220放電至實質上為零(0)伏特。提供ADC開關334以在類比數位轉換循環期間將ADC 328耦接至S/H電容器220。
計時器330可用以精確地控制取樣與保持開關336。微控制器324中之數位處理器與記憶體326可用以控制放電開關332及ADC開關334(或ADC 328周邊器件可控制開關334)且開始計時器330，或可自微控制器324中之數位處理器326單獨地提供一獨立控制單元(未圖示)以獨立地控制對S/H電容器220充電及取樣的操作。根據其他實施例，此控制單元(未圖示)可為(例如，但不限於)在微控制器324內之一可程式化狀態機或任何其他合適之順序控制單元。
電流源222可為具有電流輸出之感測器，例如，離子煙霧腔室102(參見圖1)。輸出驅動器327可用以驅動電流源222，且週期性地將操作電壓112(圖1)供應至電流源222以用於節省電力(例如，增大電池壽命)。離子煙霧腔室102亦可特徵化為隨著煙霧引入其中而具有改變(增大)之極高電阻的可變電阻器。S/H電容器220上之所得充電電壓係離子 煙霧腔室102等效電阻及S/H電容器220電容之RC時間常數的結果。較佳地，輸出驅動器327可在將使S/H電容器220充電至將允許ADC 328獲得最佳電壓解析度之電壓的時間週期中施加供應操作電壓112。另外，可針對不同操作條件改變該等時間週期以使S/H電容器220上之充電電壓最佳化，例如，在靜態取樣條件期間為供應電壓之一半。藉此最大化充電電壓自靜態電壓取樣條件向上或向下之可量測改變的範圍解析度。
參看圖4，其描繪根據本發明之教示的圖3中所展示之周邊功能之操作的示意時序圖。開關332閉合，從而移除S/H電容器220上之任何電荷至實質上零伏特。接著，計時器330使取樣與保持開關336閉合歷時一已知固定時間週期，T=T2-T1。接著，在時間T之後，取樣與保持開關336斷開。此使得取樣與保持電容器220以藉由由輸出驅動器327驅動之電流源222判定的速率充電。在時間週期T已過去之後，ADC開關334閉合且ADC 328將S/H電容器220上之充電電壓轉換為其數位表示。數位處理器326可因此讀取此數位表示以用於進一步處理，例如，煙霧偵測及其警報通知。可藉由以計時器330之輸出來驅動驅動器327而消除開關336，且驅動器327之輸出可與雙向電流二極體329串聯以防止當處於邏輯低輸出條件下時S/H電容器放電回至驅動器327。一旦至S/H電容器220之脈衝結束，驅動器327之輸出便亦可被置於高阻抗狀態下。
參看圖5，其描繪根據本發明之一特定實例實施例的單 腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。微控制器524包含一具有相關聯之取樣與保持(S/H)電容器220的類比數位轉換器(ADC)328、一計時器330、一數位處理器與記憶體326、一放電開關332、一ADC取樣開關334、一數位輸出驅動器536，及耦接至外部通用輸入/輸出(GPIO)連接538之通用輸入/輸出(GPIO)開關540及542。放電開關332使S/H電容器220放電至實質上零(0)伏特。ADC取樣開關334在類比數位轉換循環期間將ADC 328耦接至S/H電容器220。微控制器524可進一步包含一耦接至可聽/視覺警告550(例如，喇叭、警笛等)的警報驅動器548。煙霧偵測離子腔室102耦接至GPIO連接538。可將外部電容器220a添加至輸入-輸出(I/O)連接544以用於增大離子腔室102充電之總電容。可將此外部電容器220a及I/O連接544添加至本文中所揭示之實施例中的任一者。
計時器330可用以控制至離子腔室102之電壓脈衝。數位處理器326可用以控制放電開關332、ADC取樣開關334且開始計時器330，或者ADC 328之周邊器件可控制ADC取樣開關334且亦開始計時器330，或者可自數位處理器326單獨地提供一獨立控制單元(未圖示)以獨立地控制此等組件之操作。根據其他實施例，此控制單元(未圖示)可為(例如但不限於)在微控制器524內之可程式化狀態機或任何其他合適順序控制單元。輸出驅動器536施加具有由計時器330判定的持續時間之脈衝寬度的電壓(112)，且可具有在靜態操作條件下可使電容器220充電至自輸出驅動器536供 應之電壓之約一半的脈衝持續時間。週期性地產生脈衝將節省電力(例如，電池電力)。在週期性脈衝之間，微控制器524可進入低功率睡眠模式中。
GPIO開關540及542允許將電極104及106交替地連接至驅動器536之輸出及電容器220。當GPIO開關540處於位置a時，電極104經由GPIO連接538a耦接至驅動器536之輸出。當GPIO開關542處於位置b時，電極106經由GPIO連接538b耦接至電容器220。在此組態中，正偏壓之離子化電子電流116將在電極104與106之間流動。當GPIO開關540處於位置b時，電極104經由GPIO連接538a耦接至電容器220。當GPIO開關542處於位置a時，電極106經由GPIO連接538b耦接至驅動器536之輸出。在此組態中，負偏壓之離子化電子電流116a將不在電極104與106之間流動，且連接538之間的唯一電流將歸因於漏電流114。
在來自驅動器536之電壓脈衝結束之後，ADC開關334閉合且ADC 328將電容器220上之充電電壓轉換為其數位表示。此數位表示可儲存於數位處理器326之記憶體中以用於進一步處理。或者，在正偏壓之離子化電子電流116流動時且接著在負偏壓之離子化電子電流116a不流動時轉換及儲存來自電容器220之充電電壓將允許藉由自較大充電電壓(由正偏壓之離子化電子電流116及漏電流114產生)減去較小充電電壓(僅由漏電流114產生)而僅判定通過煙霧偵測器腔室102之離子化電子電流。
當存在表示煙霧存在條件的經量測充電電壓之改變時， 數位處理器326可啟用警報驅動器548，該警報驅動器548接通可聽/視覺警告550以指示煙霧之存在。可在特定時間週期內量測此改變。充電電壓改變之迅速率亦可用以指示煙霧之存在，其中充電電壓之緩慢改變可由例如溫度、相對濕度、空氣中及/或印刷電路板上之污染物等的環境條件的改變引起。
參看圖6，其描繪根據本發明之另一特定實例實施例的根據本發明之一特定實例實施例之兩腔室離子煙霧偵測器的示意性方塊圖。兩腔室離子煙霧偵測器以與圖5中所展示且上文所描述之煙霧偵測器實質上相同的方式工作，添加了一清潔空氣參考腔室102b、一第三GPIO連接538c及相關聯GPIO開關544。可如上文所描述交替地獲得煙霧腔室102a及清潔空氣腔室102b之充電電壓樣本，接著處理清潔空氣腔室電壓樣本及煙霧腔室電壓樣本以移除任何共同模式漏電流，且接著進行比較。若差足夠大，則判定偵測到煙霧且可致動可聽/視覺警告550。
參看圖7，其描繪根據本發明之又一特定實例實施例的使用差動三角積分類比數位轉換器(ADC)之單腔室離子煙霧偵測器的示意性方塊圖。根據此實例實施例，煙霧偵測器可包含一煙霧偵測感測器離子化腔室102、一數位處理器與記憶體326、一警報驅動器548、一可聽/視覺警告550、一時脈產生器726、一第一計數器732、一第二計數器728、一電壓比較器736、一D正反器734、一回饋電阻器738、一內部電容器740、一電壓參考742及一電流量測電 阻器744。除離子化腔室102及可聽/視覺警告550以外，前述元件皆可設在積體電路微控制器724中。當數位處理器326判定存在煙霧時，警報驅動器548可致動可聽/視覺警告550(例如，喇叭、警笛，等)。
離子腔室102電極104及106分別耦接至GPIO連接538a及538b。GPIO連接538a及538b分別耦接至GPIO開關540及542。GPIO開關540及542允許電極104及106交替地連接至驅動器536之輸出及電容器220。當GPIO開關540處於位置a時，電極104經由GPIO連接538a耦接至驅動器536之輸出。
當GPIO開關542處於位置b時，電極106經由GPIO連接538b耦接至電容器220。在此組態中，正偏壓之離子化電子電流116將在電極104與106之間流動。當GPIO開關540處於位置b時，電極104經由GPIO連接538a耦接至電容器220。當GPIO開關542處於位置a時，電極106經由GPIO連接538b耦接至驅動器536之輸出。在此組態中，負偏壓之離子化電子電流116a將不在電極104與106之間流動，且連接538之間的唯一電流將歸因於漏電流114。
比較器736具有高阻抗差動輸入及提供邏輯低「0」及邏輯高「1」位準之低阻抗輸出。比較器736之正輸入可耦接至可提供約VDD/2之參考電壓之電壓參考742。其他參考電壓可由電壓參考742提供且在本文中出於所有目的而被預期。電容器740耦接於比較器736之負輸入與正輸入之間。電流量測電阻器744將電壓提供至比較器736之正輸入，該電壓與來自離子腔室102之電流成比例。當GPIO開關540 處於位置a且GPIO開關542處於位置b時，在比較器736之正輸入處的電壓將為由離子腔室102之離子化電流116及漏電流114判定的第一電壓。且當GPIO開關540處於位置b且GPIO開關542處於位置a時，在比較器736之正輸入處的電壓將為僅由漏電流114判定之第二電壓。
當比較器736之負輸入處的電壓大於(或等於)比較器736之正輸入處的電壓時，比較器736之輸出將為邏輯「0」，例如，實質上為VSS。當比較器736之負輸入處的電壓小於比較器736之正輸入處的電壓時，比較器736之輸出將為邏輯「1」，例如，實質上為VDD。
比較器736之輸出耦接至正反器734之D輸入，且每當在正反器734之時脈輸入處接收到來自時脈726之時脈信號時，D輸入處的邏輯位準便將傳送至正反器734之Q輸出(例如，實質上為VDD或VSS)。回饋電阻器738耦接於正反器734之Q輸出與比較器736之負輸入之間，比較器736之負輸入亦耦接至電容器740之頂部。當正反器734之Q輸出處於邏輯「1」時，電容器740將充電至一較高電壓，且當正反器734之Q輸出處於邏輯「0」時，電容器740將放電至一較低電壓。當比較器之負輸入及正輸入在實質上相同之電壓下時，將達到靜態平衡。對於未偵測到煙霧、電阻器744之電阻經選定而產生VDD/2且電壓參考742處於實質上VDD/2處的靜態平衡而言，正反器734之邏輯1/0輸出將處於實質上50%之作用時間循環。若電壓參考742輸出小於VDD/2，則靜態作用時間循環將小於50%，且若電壓參考 742輸出大於VDD/2，則靜態作用時間循環將大於50%。比較器736、正反器734、回饋電阻器738及電容器740形成積分三角調變器。
第一計數器732及第二計數器728之時脈輸入耦接至時脈產生器726且每當接收到時脈信號時便遞增，只是第一計數器732將僅在啟用時遞增。第一計數器732之啟用輸入耦接至正反器734之Q輸出，且其計數藉此經控制而僅在Q輸出處於一個或另一個邏輯位準(例如，處於邏輯「1」)時計數。第一計數器732及第二計數器728之最大計數值可與必要值一樣大，例如，16個位元。第一計數器732及第二計數器728亦可串接，例如，複數個第一計數器732及第二計數器728。計數值越大，則解析度越大，但類比數位轉換所需要之時間亦增大。藉由應用適當時脈速度及回饋電阻器738、電流量測電阻器744及電容器740之適當值，可獲得極高解析度，從而將允許數位處理器容易地辨別在煙霧偵測離子化腔室102中存在煙霧偵測事件的情況。
數位處理器326分別讀取第一計數器732及第二計數器728之第一計數值及第二計數值，接著重設其以便再次開始計數。根據經讀取之第一計數值及第二計數值，數位處理器326可判定發生了煙霧事件的情況。數位處理器326亦可對此等計數值進行抽選，進行平均，等。數位處理器326亦可自總電流(離子腔室電流116加上漏電流114)減去漏電流114以自所要離子腔室電流116減去共同模式漏電流114。
另外，數位處理器326可執行平滑、時間平均、雜訊抑制、過取樣、抽選及/或數位信號處理以增強漏電流改變偵測敏感性及/或減少雜訊拾取。又，對於更可靠煙霧偵測之另一增強為要求漏電流之改變在小於或等於特定時間週期的時間中發生以便去除由於溫度、相對濕度及/或供應電壓(例如，電池，未圖示)之變化引起的緩慢的量測電流改變。
預期且在本發明之範疇內，數位處理器與記憶體326可在第一計數器732及第二計數器728正在計數的同時進入低功率睡眠模式中，且僅喚醒以自第一計數器732及第二計數器728讀取計數值且進行適當計算以判定是否在離子腔室102中存在煙霧。以上所描述之所有其他功能及電路皆保持在作用中模式下，但皆為極低功率。又，第二計數器728可為微控制器中的低功率待用睡眠模式功能所固有的喚醒計時器。此睡眠模式可進一步增大煙霧偵測器之電池壽命。數位處理器326可在積分三角調變器正轉換跨越電阻器744之電壓時將驅動器536驅動至邏輯高「1」，且在積分三角調變器處於待用模式下時將驅動器536驅動至邏輯低「0」以節省電力。可週期性地獲得煙霧偵測器離子腔室102之樣本以進一步減小電力消耗。
參看圖8，其描繪根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。微控制器824包含一脈衝產生器850、一脈衝計數器852、一電容器220、一電壓比較器860、一電壓參考856、一數位處理器與記憶 體326、一放電開關858，及耦接至外部GPIO連接538之通用輸入/輸出(GPIO)多工器(開關)840及842。放電開關858使電容器220放電至實質上零(0)伏特。微控制器824可進一步包含一耦接至可聽/視覺警告550(例如，喇叭、警笛，等)的警報驅動器548。煙霧偵測離子腔室102耦接至GPIO連接538。電壓參考856可為可程式化的，例如，受數位處理器326控制之數位類比轉換器(DAC)。
視情況，具有耦接至多工器840而非VDD之輸出的數位驅動器536可將來自脈衝產生器850的短持續時間脈衝而非恆定正電壓(例如，VDD)供應至離子腔室102，以使得電容器220耗費較長時間來充電至VDD。此可允許微控制器824定時之更多靈活性。
數位處理器326可用以控制放電開關858且重設脈衝計數器852，或者一周邊器件可控制開關858且重設脈衝計數器852，或者可自數位處理器326單獨地提供一獨立控制單元(未圖示)以獨立地控制此等組件之操作。根據其他實施例，此控制單元(未圖示)可為(例如)微控制器824內之可程式化狀態機或任何其他合適順序控制單元。輸出驅動器536可施加具有由脈衝產生器850判定之持續時間之脈衝寬度的電壓脈衝(112)。
至離子腔室102之電壓(脈衝)將對電容器220充電。當電容器220上之充電大於一來自電壓參考856之參考電壓(例如，VDD/2)時，比較器860之輸出將變為邏輯「0」且停用脈衝產生器850(邏輯「1」啟用脈衝產生器850)。脈衝計數 器852計數將電容器充電至特定電壓(例如，VDD/2)所必要的來自脈衝產生器850之脈衝之數目。離子腔室102充當一可變電流源，其中當需要較低時間(較低數目之脈衝)來將電容器充電至VDD/2時，則通過離子腔室102之電流較高(電流116+電流114)，且當需要較大時間(較大數目之脈衝)來將電容器充電至VDD/2時，則通過離子腔室102之電流較低(僅為電流114)。相比於在離子腔室102中不存在煙霧的情況，當存在煙霧時離子腔室102將具有通過其中之較低電流(較少之離子化氣體分子)。
因此，藉由比較將電容器220充電至特定電壓(例如，VDD/2)所需要的脈衝之數目，可判定在離子腔室102中是否存在煙霧。數位處理器326自脈衝計數器852讀取計數值，將該等計數值儲存於其記憶體中，且接著閉合開關858以使電容器220放電。如下文中更完全描述，當藉由數位處理器326改變GPIO多工器(開關)840及842時，該循環反覆地重複。週期性地產生複數個脈衝將節省電力(例如，電池電力)。在週期性的複數個脈衝之間，微控制器824可進入低功率睡眠模式中。
GPIO多工器(開關)840及842允許電極104及106交替地連接至VDD(或者連接至驅動器536之輸出)及電容器220。當GPIO多工器840處於位置0時，電極104經由GPIO連接538a耦接至VDD，或者耦接至驅動器536之輸出。當GPIO多工器842處於位置1時，電極106經由GPIO連接538b耦接至電容器220。在此組態中，正偏壓之離子化電子電流116將在 電極104與106之間流動。當GPIO多工器840處於位置1時，電極104經由GPIO連接538a耦接至電容器220。當GPIO多工器842處於位置0時，電極106經由GPIO連接538b耦接至VDD，或者耦接至驅動器536之輸出。在此組態中，負偏壓之離子化電子電流116a將不在電極104與106之間流動，且在GPIO連接538之間的唯一電流將歸因於漏電流114。數位處理器326可讀取且重設脈衝計數器852，可開始及停止脈衝產生器850以用於節省電池電力，且控制多工器(開關)858、840及842。
相比於負偏壓之離子化電子電流116a不流動且僅僅漏電流114對電容器20充電的情況，當正偏壓之離子化電子電流116及漏電流114流動時，經計數之脈衝數目將較小。當通過離子腔室102之電流較低時，耗費較多脈衝將電容器220充電至VDD/2。此情形允許藉由自脈衝之較高數目(僅表示漏電流114)減去脈衝之較低數目(表示正偏壓之離子化電子電流116及漏電流114)來判定通過煙霧偵測器腔室102之離子化電子電流116。所得之脈衝計數差表示離子化之電子電流116。
當存在足以表示煙霧存在條件的所得脈衝計數差之改變時，數位處理器326可啟用警報驅動器548，該警報驅動器548可接通可聽/視覺警告550以指示煙霧之存在。可在特定時間週期內量測此計數改變。計數之迅速改變亦可用以指示煙霧之存在，其中計數之緩慢改變可能僅指示例如溫度、相對濕度、空氣中及/或印刷電路板上之污染物等的 環境條件之改變。
參看圖9，其描繪根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。圖9中所展示之實施例以與圖8中所展示且上文所描述之實施例實質上相同之方式工作，其中類比數位轉換器328及取樣開關334取代比較器860及電壓參考856。又，脈衝計數器852a預載有一特定脈衝計數器且將針對自脈衝產生器850接收之每一脈衝遞減計數至零。當脈衝計數器852a到達零計數時，其將停止脈衝產生器850。藉由選擇適當計數值以得到由ADC 328獲得的電容器220上之電壓之最佳解析度，可將電容器220上之電壓的極敏感解析度轉換為計數器數字。可藉此將針對離子腔室電流116及漏電流114判定之計數數目與僅針對反極性漏電流114判定之計數數目進行比較。
參看圖10，其描繪根據本發明之另一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。微控制器1024包含一脈衝寬度調變(PWM)產生器1050、一脈衝計數器852、一電容器220、一電壓比較器860、一第一電壓參考856、一第二電壓參考857、一數位處理器與記憶體326、一預充電開關859，及一數位輸出驅動器536。預充電開關859將電容器220充電至來自第二電壓參考857之標稱正第二參考電壓(例如，VDD/2)。微控制器1024可進一步包含一耦接至可聽/視覺警告550(例如，喇叭、警笛，等)的警報驅動器548。煙霧偵測離子腔室102耦接至GPIO連接538。第一電壓參考856及第二電壓參考857之輸出電壓值分別可 為可程式化的(例如，受數位處理器326控制之數位類比轉換器(DAC))，或可固定。來自第一電壓參考856之第一參考電壓輸出大於來自第二電壓參考857之第二參考電壓輸出。
PWM產生器1050可經由驅動器536將(例如，但不限於)實質上50%之作用時間循環脈衝或下文中更完整描述之作用時間循環之任何百分比組合的脈衝提供至離子腔室102。數位處理器326可用以控制預充電開關859且開始PWM產生器1050，或者一周邊器件可控制預充電開關859且亦開始PWM產生器1050，或者可自數位處理器326單獨地提供一獨立控制單元(未圖示)以獨立地控制此等組件之操作。根據其他實施例，此控制單元(未圖示)可為(例如)在微控制器824內之可程式化狀態機或任何其他合適順序控制單元。輸出驅動器536以可選擇(可程式化)作用時間循環將高邏輯位準及低邏輯位準(例如，VDD電壓電位及VSS電壓電位)施加至離子腔室102之電極104。另一電極106耦接至電容器220，該電容器220已經由預充電開關859預充電至在(例如，但不限於)VDD/2之第二參考電壓。
當至離子腔室102之電極104的電壓脈衝處於邏輯高(VDD)時，電極104將相對於耦接至電容器220之電極106處於正電位，該電容器220處於在(例如，但不限於)VDD/2之第二參考電壓。離子化電流116與漏電流114之組合將藉此將電容器220充電至一較大正電壓。當至離子腔室102之電極104的電壓脈衝處於邏輯低(VSS)時，電極104將相對於耦 接至電容器220之電極106處於負電位，該電容器220處於在(例如，但不限於)VDD/2之第二參考電壓。因此，僅漏電流114將使電容器220放電至一較小正電壓。因為來自驅動器536之電壓脈衝可具有(例如，但不限於)約50%的作用時間循環，所以與脈衝之邏輯低部分使電容器220放電的程度相比，脈衝之邏輯高部分將繼續將電容器220充電為具有更大正電壓。最後，電容器220上之充電電壓將到達接近於VDD之正電位，因為通過離子腔室102之邏輯高電流(電流116+電流114)將大於在相反方向上(參見圖1)流動的通過離子腔室102之邏輯低電流(僅為電流114)。在離子腔室102中不存在煙霧的情況下，離子化電流116將處於其最大值，且相比於在離子腔室102中存在煙霧的情況，電容器220將以較少計數充電至接近於VDD之正電位，因為在離子腔室102中存在煙霧的情況下，離子化電流116將藉此被減小(較少的離子化之氣體分子)。藉由判定在一特定時間週期內將電容器220充電至接近於VDD之正電位所需要的脈衝數目，或將電容器220充電至接近於VDD之正電位所需要的時間(未圖示計時器)，可可靠地實現對離子腔室102中之煙霧的偵測。藉由自將電容器220充電至接近於VDD之正電壓電位的過程中移除作為影響因素的共同模式漏電流114，實現對煙霧之存在的更敏感偵測。
數位處理器326自脈衝計數器852讀取計數值，將該等計數值儲存於其記憶體中，且接著閉合開關859以對電容器220預充電。該循環反覆地重複。週期性地產生複數個脈 衝將節省電力(例如，電池電力)。在週期性複數個脈衝之間，微控制器1024可進入低功率睡眠模式中。
參看圖11，其描繪根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。圖11中所展示之實施例以與圖10中所展示且上文所描述之實施例實質上相同之方式工作，其中類比數位轉換器328及取樣開關334取代比較器860及電壓參考856。又，脈衝計數器852a預載有一特定脈衝計數且將針對自PWM產生器1050接收之每一邏輯高脈衝遞減計數至零。當脈衝計數器852a到達零計數時，其將停止PWM產生器1050。藉由選擇適當計數值以得到電容器220上之接近於VDD之正電位的由ADC 328獲得之最佳解析度及視情況選擇來自DAC 857之預充電電壓，計數器數字的任何改變的極敏感解析度將指示離子腔室中的煙霧。藉此，藉由自將電容器220充電至接近於VDD之正電位的過程中移除作為影響因素的共同模式漏電流114，實現對煙霧之存在的極敏感偵測。
預期且在本發明之範疇內，來自PWM產生器1050之脈衝串的作用時間循環可與電容器220上之充電電壓成比例地改變。舉例而言，當電容器上之充電電壓為VDD之50%(VDD/2)時，脈衝串之作用時間循環可最佳化為50%。當電容器220上之充電電壓大於VDD之50%(VDD/2)時，脈衝串之正部分亦可大於50%且零(Vss)部分可小於50%，因為電容器220上之充電電壓與VDD之間的電壓差將小於電容器220上之充電電壓與VSS之間的電壓差，因而在VDD下之較長脈 衝週期將成比例地以較小電壓差對電容器充電。以此方式，可將預充電電壓選擇為任何電壓值(為了更大之解析度準確度)，且隨著電容器220上之充電電壓增大至VDD而成比例地調整脈衝串流作用時間循環。電容器220上之充電電壓之改變的時間速率(每取樣時間週期之脈衝)可用於判定腔室中之煙霧偵測。
可在GPIO連接538b處添加一外部充電電容器220a以增大電容220之電容值。此將增大將電容器220充電至接近於VDD之正電壓所需要的時間，藉此增大可用於判定煙霧是否已進入離子腔室102的脈衝計數之數目。
參看圖12，其描繪根據本發明之特定實例實施例及教示的可結合本文中所揭示且描述之實施例使用之單腔室離子煙霧偵測器之前端部分的示意性方塊圖。參看圖12(a)，離子腔室102與電容器220串聯耦接，其中正電壓(例如，VDD)耦接至電極104且共同電壓(例如，VSS)耦接至電容器220之未耦接至離子腔室102之電極106的一側。在此組態中，離子化電子電流116及漏電流114兩者在電容器220之一側上(由「+」表示)將電容器220充電至正電壓，該側耦接至離子腔室102之電極106。
參看圖12(b)，離子腔室102與電容器220串聯耦接，其中共同電壓(例如，VSS)耦接至電極104，且正電壓(例如，VDD)耦接至電容器220之未耦接至離子腔室102之電極106的側。在此組態中，僅漏電流114使電容器220放電至一較小正電壓。實際上，耦接至串聯耦接之離子腔室102及電 容器220的電壓之極性在圖12(a)及圖12(b)中所展示之組態之間相反。因此，當電容器220及離子腔室102如圖12(a)中所展示進行組態時，相比於如圖12(b)中所展示的組態(其中以較低漏電流114使電容器220放電)，以較高電流(離子電流116+漏電流114)對電容器220充電。電容器220上之所得充電實質上僅來自離子電流116，因為藉由在一特定時間週期上交替地對電容器220充電及放電已有效地消除了漏電流114。
該正電壓可為連續電壓(例如，VDD)，或可為具有固定或可變持續時間(例如，脈衝寬度)的脈衝。將具有短持續時間之脈衝用於正電壓將在電容器必須放電(例如，藉由開關332)之前需要較長時間來對電容器220充電。可進一步使用可變持續時間之脈衝(例如，脈衝寬度調變(PWM))以使電容器220之充電/放電速率線性化。當充電電壓小於1/2 VDD時，可使用較長脈衝持續時間來使電容器220放電且可使用較短脈衝持續時間來對電容器充電以達成電壓改變之特定時間速率。當充電電壓為約1/2 VDD時，則實質上相等之脈衝持續時間將產生大約相同的充電及放電電壓改變時間速率。當充電電壓大於1/2 VDD時，則可使用較短脈衝持續時間來使電容器220放電且可使用較長脈衝持續時間來對電容器220充電。
圖12(c)中所展示之電路為實施跨越串聯耦接之離子腔室102及電容器220之前述電壓極性反轉的電路實施例。根據本發明之教示，此電路可與圖5至圖11中所展示之實施例 中的任一者一起使用。另外，不需要對充電電壓(其由以離子電流116及漏電流114之充電速率取得之第一充電電壓樣本及以僅僅漏電流114之充電速率取得之第二充電電壓樣本產生)進行記憶體儲存，因此顯著節省數位邏輯額外耗用(overhead)。圖12(c)中所展示之電路在來自數位輸出驅動器536之每隔一個脈衝處執行共同模式漏電流114去除。
多工器1270及1272控制施加至串聯耦接之離子腔室102及電容器220的電壓極性。當正反器1278之Q輸出處於邏輯「0」時，離子腔室102及電容器220耦接至第一電壓極性，如圖12(a)中所展示。當正反器1278之Q輸出處於邏輯「1」時，離子腔室102及電容器220耦接至第二電壓極性，如圖12(b)中所展示。正反器1278之Q輸出在來自驅動器536之脈衝的每一負向轉變處改變。因此，圖12(a)中所展示之組態接收以離子化電流116及漏電流114對電容器220充電的一脈衝，且圖12(b)中所展示之組態接收以漏電流114使電容器220放電的一脈衝。
電容器220之此充電/放電針對複數個脈衝持續，直至電容器220到達特定正電壓為止，可藉由類比數位轉換器(ADC)1228獲得該特定正電壓之樣本，且接著可在其後(例如)藉由開關332對電容器220放電。可週期性地獲得電壓樣本(例如，參見圖5、圖6、圖9及圖11)，且可相應地調整脈衝之脈衝寬度(PWM)。恆定電壓VDD可取代經由二極體329的來自驅動器536之脈衝。二極體329可用以防止當脈 衝處於邏輯低「0」(例如，共同電壓)時電容器220的反向放電。預期且在本發明之範疇內，可將防護環844及類比驅動器842添加至圖12(c)中所展示之電路實施例。
參看圖13，其描繪根據本發明之又一特定實例實施例的使用外部充電電容器之單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖。圖13中所展示之電路為很簡單的主要為數位的微控制器1324，其耦接至與離子腔室102組合之外部電容器220b。藉由數位輸出驅動器536及1354建立起電極104及與電極106串聯耦接之電容器220b上的電壓極性，其中來自驅動器536之邏輯位準輸出與來自驅動器1354之邏輯位準輸出相反。因此，當存在自驅動器536至GPIO連接538a的邏輯高時，電極104在正電壓(例如，VDD)下，且電容器220b的耦接至GPIO連接538b之末端實質上為零(0)伏特(例如，VSS)(參見圖12(a))。反相器1356將數位輸出驅動器1354驅動至一與數位輸出驅動器536之邏輯位準相反的邏輯位準。
脈衝產生器1050(例如，脈衝寬度調變(PWM)產生器)將具有經定義之脈衝寬度的脈衝提供至GPIO連接538a及538b。使用PWM產生器1050允許根據電容器220b上之充電電壓之值來變化高及低脈衝寬度(作用時間循環)。如上文更完整地描述，來自PWM產生器1050之脈衝串的作用時間循環可與電容器220b上之充電電壓的改變成比例地改變。
數位輸出驅動器1352可用以使電容器220b放電，接著進入高阻抗輸出狀態(例如，三態)中，使得ADC 328可在取 樣開關334閉合時取樣電容器220b上之充電電壓。ADC 328及開關334可週期性地取樣電容器220b上之正在改變之充電電壓，且將此等電壓樣本轉換為其數位表示。如本文中更完整地描述，數位處理器326讀取此等數位表示，且可將該等數位表示用於判定煙霧是否已進入離子腔室102。數位處理器326亦可控制PWM產生器以基於經取樣之充電電壓值來變化脈衝寬度作用時間循環。
參看圖14，其描繪環繞緊密相鄰於接地導電平面之電容性板之靜電場線(圖14(a))及在電容性板與接地導電平面之間具有防護環的情況下環繞電容性板之靜電場線(圖14(b))的示意性表示。在圖14(a)中展示在不同電壓電位下電極106與環繞導體之間的靜電場之示意性表示。注意在電極106與環繞之金屬及/或導體(例如，接地平面846)之間的強靜電場線。此寄生電容限制了對在煙霧進入至腔室102中期間所發生的電極106之電容值之改變的偵測解析度。寄生電容類似地影響電極106與微控制器1024或1124之間的連接。其亦限制了可在離子腔室煙霧偵測器中使用之雜訊屏蔽的量。
可將防護環844引入到離子腔室102之電極106周圍。藉由維持防護環844上之電壓(其實質上與電極106上之電壓相同)，可明顯減小寄生電容。藉此增大了對在煙霧進入離子腔室102中期間發生的離子腔室102之洩漏電容值之改變的偵測解析度。另外，防護環844可增強電極106及離子腔室102之雜訊屏蔽。
圖14(b)展示電極106、防護環844及接地平面846(若存在)之間的靜電場的示意性表示，其中電極106及防護環844處於實質上相同之電壓電位。注意電極106與接地平面846之間的弱得多之靜電場線(較長之線)。在電極106與防護環844之間實質上不存在寄生電容，因為電極106及防護環844處於實質上相同之電壓電位。返回參看圖10及圖11，類比驅動器842可耦接至類比匯流排846，該類比匯流排846亦耦接至GPIO連接538b及電容器220。防護環844可耦接至GPIO連接840，GPIO連接840亦可耦接至類比驅動器842。類比驅動器842可將防護環844驅動至電容器220上之充電電壓，該充電電壓可為實質上與電極106上之電壓相同的電壓，藉此減小了電極106與環繞之接地金屬之間的靜電場。
參看圖15，其描繪根據本發明之教示及實施例的示意性操作程序流程圖。在步驟1506中，將煙霧偵測器離子腔室102之第一電極及第二電極耦接至在第一極性下之電壓。在步驟1508中，判定由於對離子腔室102施加第一極性電壓而產生的第一電流。在步驟1510中，將第一電流轉換為其第一數位表示。在步驟1512中，將第一數位表示儲存於記憶體中以用於進一步處理。在步驟1518中，將煙霧偵測器離子腔室102之第一電極及第二電極耦接至在第二極性下之電壓。在步驟1520中，判定由於施加第二極性電壓而產生的第二電流。在步驟1522中，將第二電流轉換為其第二數位表示。在步驟1524中，將第二數位表示儲存於記憶 體中以用於進一步處理。
在步驟1526中，將第一數位表示與第二數位表示之間的差之絕對值(亦即，正值)儲存於記憶體中。此差值表示通過離子腔室102之離子電流116，其中自其移除了共同模式漏電流114。在步驟1528中，根據差值判定煙霧偵測警報條件是否存在。可藉由比較差值與一參考值、比較先前差值與當前差值及/或複數個差值之改變速率來進行此判定。當警報條件存在時，在步驟1530中可產生警報。
參看圖16，其描繪根據本發明之教示及實施例的示意性操作程序流程圖。在步驟1602中，將電容器220設定至開始電壓(例如，零(0)伏特(例如，VSS))或耦接至供應電壓(例如，VDD)。在步驟1604中，將煙霧偵測離子腔室102之第一電極104連接至供應電壓112。在步驟1606中，將煙霧偵測離子腔室102之第二電極106連接至電容器220。在步驟1608中，在第一時間週期期間藉由通過離子腔室102之離子電流116及漏電流114對電容器220充電。在步驟1610中，將電容器220上之所得充電電壓轉換為其第一數位表示。在步驟1612中，將第一數位表示儲存於記憶體中以用於進一步處理。
在步驟1614中，將電容器220設定至開始電壓。在步驟1616中，將煙霧偵測離子腔室102之第二電極106連接至供應電壓112。在步驟1618中，將煙霧偵測離子腔室102之第一電極104連接至電容器220。在步驟1620中，在第二時間週期期間僅藉由漏電流114對電容器220充電。在步驟1622 中，將電容器220上之所得充電電壓轉換為其第二數位表示。在步驟1624中，將第二數位表示儲存於記憶體中以用於進一步處理。
在步驟1626中，將第一數位表示與第二數位表示之間的差之絕對值(亦即，正值)儲存於記憶體中。此差值表示通過離子腔室102之離子電流116，其中自其移除了共同模式漏電流114。在步驟1628中，根據差值判定煙霧偵測警報條件是否存在。可藉由比較差值與一參考值、比較先前差值與當前差值及/或複數個差值之改變速率來進行此判定。當警報條件存在時，在步驟1630中可產生警報。
參看圖17，其描繪根據本發明之教示及實施例的示意性操作程序流程圖。在步驟1702中，將電容器220設定至第一電壓。在步驟1704中，將煙霧偵測離子腔室102之第一電極104連接至來自脈衝產生器1050的具有經定義之時間週期的複數個電壓轉變。在步驟1706中，將煙霧偵測離子腔室102之第二電極106連接至電容器220。在步驟1708中，將自在第一時間週期期間為實質上零伏特至在第二時間週期期間為供應電壓的複數個電壓轉變施加至煙霧偵測離子腔室102之第一電極104。其中當電壓轉變處於供應電壓時以通過離子腔室102之離子電流116加漏電流114對電容器220充電，且當電壓轉變處於實質上零伏特時以漏電流114使電容器220放電。步驟1710判定將電容器充電至第二電壓所需要的電壓轉變之數目。在步驟1728中，根據電壓轉變之數目判定煙霧偵測警報條件是否存在。其中當警 報條件存在時，在步驟1730中可產生警報。可將電壓轉變之數目及/或在電壓轉變之特定時間週期內電壓轉變之數目用於判定警報條件。
第一時間週期及第二時間週期可實質上相等或根據電容器220上之充電電壓之值進行調整，其中，當充電電壓小於供應電壓之一半時第一時間週期可大於第二時間週期，且當充電電壓大於供應電壓之一半時第一時間週期可小於第二時間週期。此特徵可用以在電容器220上之充電電壓自小於供應電壓之一半變為大於供應電壓之一半時更加線性地對電容器220充電及放電。當電容器220上之充電電壓為供應電壓之約一半時，第一時間週期及第二時間週期可實質上相同。脈衝寬度調變(PWM)產生器1050可用以產生此等可變作用時間循環脈衝以對電容器220充電及放電。
參看圖18，其描繪根據本發明之教示及實施例的示意性操作程序流程圖。在步驟1802中，將電容器220設定至開始電壓(例如，零(0)伏特(例如，VSS))或耦接至供應電壓(例如，VDD)。在步驟1804中，將煙霧偵測離子腔室102及電容器220串聯耦接至在第一極性下之供應電壓。在步驟1806中，藉由通過離子腔室102之離子化電流及漏電流對電容器220充電歷時第一時間週期。
在步驟1808中，將煙霧偵測離子腔室102及電容器220串聯耦接至在第二極性下之供應電壓，其中第二極性可與第一極性相反。在步驟1810中，藉由漏電流使電容器220放電歷時第二時間週期。在步驟1812中，在偵測時間週期之 後量測電容器220上之充電電壓。
在步驟1814中，根據經量測之充電電壓判定煙霧偵測警報條件是否存在。可藉由比較經量測電壓與一參考值、比較先前經量測電壓與當前經量測電壓及/或複數個經量測電壓隨時間改變之速率來進行此判定。當警報條件存在時，在步驟1816中可產生警報。
預期且在本發明之範疇內，電容器220可首先完全充電至一電壓而非放電至實質上零(0)伏特，接著將離子腔室耦接至電容器220以使得離子電子電流116及漏電流114將使電容器220放電且僅漏電流114將對電容器220充電。因為離子電子電流116與漏電流114之組合大於僅有單獨的漏電流114，所以電容器將最終放電至約零(0)伏特。
儘管已藉由參考本發明之實例實施例而描繪、描述且界定本發明之實施例，但該等參考不暗示著對本發明之限制，且不應推導出該限制。如一般熟習相關技術並獲益於本發明的人將想到，所揭示之標的物能夠在形式上及功能上具有相當大的修改、變更及等效物。本發明之所描繪且描述之實施例僅為實例，且並非為詳盡無遺的本發明範疇。
102‧‧‧離子腔室/腔室/離子煙霧腔室/煙霧偵測器腔室/離子化腔室
102a‧‧‧煙霧腔室
102b‧‧‧清潔空氣參考腔室/清潔空氣腔室
104‧‧‧電極
106‧‧‧電極
108‧‧‧輻射源
110‧‧‧電流計
112‧‧‧電壓電位/操作電壓/供應操作電壓/電壓
114‧‧‧漏電流/電流/共同模式漏電流/反極性漏電流
116‧‧‧正偏壓之離子化電子電流/經離子化電子電流/電流/離子腔室電流
116a‧‧‧負偏壓之離子化電子電流/經離子化電子電流/電流
220‧‧‧電容器/取樣與保持(S/H)電容器/電容
220a‧‧‧外部電容器/外部充電電容器
220b‧‧‧外部電容器/電容器
222‧‧‧恆定電流源/電流源
324‧‧‧微控制器
326‧‧‧數位處理器/數位處理器與記憶體
327‧‧‧輸出驅動器/驅動器
328‧‧‧內部類比數位轉換器(ADC)
329‧‧‧雙向電流二極體/二極體
330‧‧‧計時器
332‧‧‧放電開關/開關
334‧‧‧ADC(類比數位轉換器)開關/ADC取樣開關/開關
336‧‧‧取樣與保持開關/開關
524‧‧‧微控制器
536‧‧‧數位輸出驅動器/數位驅動器/輸出驅動器/驅動器
538a‧‧‧GPIO(通用輸入/輸出)連接
538b‧‧‧GPIO(通用輸入/輸出)連接
538c‧‧‧第三GPIO(通用輸入/輸出)連接
540‧‧‧通用輸入/輸出(GPIO)開關
542‧‧‧通用輸入/輸出(GPIO)開關
544‧‧‧輸入-輸出(I/O)連接/相關聯GPIO(通用輸入/輸出)開關
548‧‧‧警報驅動器
550‧‧‧可聽/視覺警告
724‧‧‧微控制器
726‧‧‧時脈產生器/時脈
728‧‧‧第二計數器
732‧‧‧第一計數器
734‧‧‧D正反器/正反器
736‧‧‧電壓比較器/比較器
738‧‧‧回饋電阻器
740‧‧‧內部電容器/電容器
742‧‧‧電壓參考
744‧‧‧電流量測電阻器/電阻器
824‧‧‧微控制器
840‧‧‧通用輸入/輸出(GPIO)多工器(開關)/多工器/多工器(開關)
842‧‧‧通用輸入/輸出(GPIO)多工器(開關)/多工器(開關)/類比驅動器
844‧‧‧防護環
846‧‧‧接地平面/類比匯流排
850‧‧‧脈衝產生器
852‧‧‧脈衝計數器
852a‧‧‧脈衝計數器
856‧‧‧電壓參考/第一電壓參考
857‧‧‧第二電壓參考
858‧‧‧放電開關/開關/多工器(開關)
859‧‧‧預充電開關/開關
860‧‧‧電壓比較器
1024‧‧‧微控制器
1050‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)產生器
1124‧‧‧微控制器
1228‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
1270‧‧‧多工器
1272‧‧‧多工器
1324‧‧‧微控制器
1352‧‧‧數位輸出驅動器
1354‧‧‧數位輸出驅動器/驅動器
1356‧‧‧反相器
圖1說明具有輻射源之離子腔室的示意圖，且該示意圖展示在不同極性電壓連接至該離子腔室時流過該離子腔室之電流；圖2說明自恆定電流源充電之電容器的時間-電壓曲線 圖；圖3說明根據本發明之教示的耦接至微控制器之輸入及輸出介面之電流源的示意性方塊圖；圖4說明根據本發明之教示的圖3中所展示之周邊功能之操作的示意時序圖；圖5說明根據本發明之一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖；圖6說明根據本發明之另一特定實例實施例的根據本發明之一特定實例實施例之兩腔室離子煙霧偵測器的示意性方塊圖；圖7說明根據本發明之又一特定實例實施例的使用差動三角積分類比數位轉換器(ADC)之單腔室離子煙霧偵測器的示意性方塊圖；圖8說明根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖；圖9說明根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖；圖10說明根據本發明之另一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖；圖11說明根據本發明之又一特定實例實施例的單腔室離子煙霧偵測器之示意性方塊圖；圖12包含圖12(a)、圖12(b)及圖12(c)，其說明根據本發明之特定實例實施例及教示的可結合本文中所揭示且描述之實施例使用之單腔室離子煙霧偵測器之前端部分的示意 性方塊圖；圖13說明根據本發明之又一特定實例實施例的使用外部充電電容器之單腔室離子煙霧偵測器的示意性方塊圖；圖14包含圖14(a)及圖14(b)，其說明環繞緊密相鄰於接地導電平面之電容性板的靜電場線，及在電容性板與接地導電平面之間有防護環的情況下環繞電容性板之靜電場線的示意性表示；及圖15、圖16、圖17及圖18說明根據本發明之教示及實施例的操作示意性程序流程圖。
102‧‧‧離子腔室/腔室/離子煙霧腔室/煙霧偵測器腔室/離子化腔室
104‧‧‧電極
106‧‧‧電極
108‧‧‧輻射源
110‧‧‧電流計
112‧‧‧電壓電位/操作電壓/供應操作電壓/電壓
114‧‧‧漏電流/電流/共同模式漏電流/反極性漏電流
116‧‧‧正偏壓之離子化電子電流/經離子化電子電流/電流/離子腔室電流
116a‧‧‧負偏壓之離子化電子電流/經離子化電子電流/電流

Claims (60)

  1. 一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法，該方法包含以下步驟：將一離子腔室之第一電極及第二電極耦接至在一第一極性下的一電壓；判定由在該第一極性下之該電壓所引起的在該離子腔室之該第一電極與該第二電極之間的一第一電流；將該離子腔室之該第一電極及該第二電極耦接至在一第二極性下之該電壓；判定由在該第二極性下之該電壓所引起的在該離子腔室之該第一電極與該第二電極之間的一第二電流；及判定該第一電流與該第二電流之間的一差，其中該差為通過該離子腔室之該離子電流。
  2. 如請求項1之方法，其中該第二極性與該第一極性相反。
  3. 如請求項1之方法，其中該電壓為一直流(DC)電壓。
  4. 如請求項1之方法，其中該離子腔室包含一用於離子化其中之氣體分子的輻射源。
  5. 如請求項1之方法，其中該離子腔室用以偵測煙霧粒子。
  6. 如請求項1之方法，其中該判定該第一電流與該第二電流之間的該差之步驟包含以下步驟：將第一電流量測及第二電流量測儲存於一記憶體中；及自一電流量測減去另一電流量測。
  7. 如請求項1之方法，其中該電壓為複數個電壓脈衝。
  8. 一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法，該方法包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至一供應電壓；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；對該電容器充電歷時一第一時間週期；將該電容器上之一第一充電電壓轉換為其一第一數位表示；將該第一數位表示儲存於一記憶體中；將該電容器設定至該開始電壓；將該離子腔室之該第二電極耦接至該供應電壓；將該離子腔室之該第一電極耦接至該電容器；對該電容器充電歷時一第二時間週期；將該電容器上之一第二充電電壓轉換為其一第二數位表示；將該第二數位表示儲存於該記憶體中；及判定該第一數位表示與該第二數位表示之間的一差，其中該差為該離子腔室中之該離子電流的一數位表示。
  9. 如請求項8之方法，其中該開始電壓實質上為零(0)伏特。
  10. 如請求項8之方法，其中該開始電壓實質上為該供應電壓。
  11. 如請求項8之方法，其進一步包含判定該差是否在一警 報條件範圍中的步驟。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含當該差在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。
  13. 如請求項8之方法，其中該電壓為一包含複數個輸出電壓脈衝的脈衝產生器。
  14. 如請求項8之方法，其進一步包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至該電容器上之一電壓的步驟。
  15. 一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法，該方法包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至一脈衝源；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；藉由來自該脈衝源之複數個脈衝對該電容器充電歷時一第一時間週期；計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的該複數個脈衝之一第一數目；將該第一數目儲存於一記憶體中；將該電容器設定至供應電壓；將該離子腔室之該第二電極耦接至該脈衝源；將該離子腔室之該第一電極耦接至該電容器；藉由來自該脈衝源之該複數個脈衝對該電容器充電歷時一第二時間週期；計數將該電容器充電至該第二電壓所需要的該複數個脈衝之一第二數目； 將該第二數目儲存於一記憶體中；及判定該第一數目與該第二數目之間的一差，其中該差為該離子腔室中之該離子電流的一數位表示。
  16. 如請求項15之方法，其中該開始電壓實質上為零(0)伏特。
  17. 如請求項15之方法，其中該開始電壓實質上為該供應電壓。
  18. 如請求項15之方法，其進一步包含判定該差是否在一警報條件範圍中的步驟。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包含當該差在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。
  20. 如請求項15之方法，其進一步包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至該電容器上之一電壓的步驟。
  21. 一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法，該方法包含以下步驟：將一電容器設定至一第一電壓；將一離子腔室之一第一電極耦接至複數個電壓轉變，該複數個電壓轉變具有時間週期及自實質上零伏特至實質上一電壓之電壓振幅；將該離子腔室之一第二電極耦接至該電容器；藉由具有該等經定義之時間週期的該複數個電壓轉變對該電容器充電及放電；及計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的該複數個電壓轉變之一轉變數目。
  22. 如請求項21之方法，其進一步包含判定轉變之該數目是否表示一警報條件範圍的步驟。
  23. 如請求項21之方法，其進一步包含以下步驟：量測該電容器上之一充電電壓；及調整該複數個電壓轉變的當在實質上零伏特處及在實質上該電壓處之該等時間週期，其中：當該電容器上之該充電電壓小於該電壓之一半時，該複數個電壓轉變的當在該零伏特振幅處的該等時間週期大於該複數個電壓轉變的當在該電壓振幅處之該等時間週期；當該電容器上之該充電電壓為實質上該電壓之一半時，該複數個電壓轉變之該零伏特振幅及該電壓振幅的該等時間週期實質上相同；及當該電容器上之該充電電壓大於該電壓之一半時，該複數個電壓轉變的當在該零伏特振幅處的該等時間週期小於該複數個電壓轉變的當在該電壓振幅處之該等時間週期。
  24. 如請求項21之方法，其進一步包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至實質上該電容器上之該充電電壓的步驟。
  25. 一種用於判定一離子腔室中之離子電流的方法，該方法包含以下步驟：將一電容器設定至一開始電壓；將一離子腔室及一電容器串聯耦接至在一第一極性下 之一供應電壓；對該電容器充電歷時一第一時間週期；將該離子腔室及該電容器串聯耦接至在一第二極性下之該供應電壓；對該電容器放電歷時一第二時間週期；及在一偵測時間週期之後量測該電容器上之一充電電壓。
  26. 如請求項25之方法，其中該開始電壓實質上為零(0)伏特。
  27. 如請求項25之方法，其中該開始電壓實質上為該供應電壓。
  28. 如請求項25之方法，其進一步包含判定該經量測充電電壓是否在一警報條件範圍中的步驟。
  29. 如請求項28之方法，其進一步包含當該經量測充電電壓在該警報條件範圍中時致動一警報的步驟。
  30. 如請求項25之方法，其中該供應電壓為一具有一包含複數個電壓脈衝之輸出的脈衝產生器。
  31. 如請求項25之方法，其進一步包含將一圍繞該離子腔室之防護環充電至實質上該電容器上之該充電電壓的步驟。
  32. 一種用於偵測煙霧之裝置，其包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室對煙霧進入開放；及一微控制器，其包含： 一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置的電容器；一耦接於該電容器與一電源供應器共同電位之間的第三開關，該第三開關經調適而用於使該電容器放電；一耦接至該數位驅動器之一輸入的計時器，其中該計時器產生一具有一時間週期之脈衝；一類比數位轉換器(ADC)；一耦接於該電容器與該ADC之間的第四開關；及一數位處理器與記憶體，其中該數位處理器耦接至該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關，且控制該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關；及該ADC及該計時器耦接至該數位處理器；其中當該第一開關處於該第一位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該數位驅動器，當該第一開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該電容器，當該第二開關處於該第一位置時，該離子化腔室 之該第二電極耦接至該數位驅動器，當該第二開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極耦接至該電容器；當該第三開關閉合時，該電容器實質上在零(0)伏特處；及當該第四開關閉合時，該電容器耦接至該ADC。
  33. 如請求項32之用於偵測煙霧之裝置，其中該離子化腔室包含：由一第三電極分離之兩個腔室，其中該兩個腔室中之一者對煙霧進入開放且另一者對煙霧進入關閉；一耦接至該第三電極之第五開關；該第一開關及該第五開關具有三個位置，其中第三位置為斷開；該數位驅動器耦接至該第五開關之一第一位置；及該電容器耦接至該第五開關之一第二位置。
  34. 如請求項32之用於偵測煙霧之裝置，其中該微控制器進一步包含一警報驅動器。
  35. 如請求項34之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該警報驅動器之可聽/視覺警報。
  36. 如請求項32之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一圍繞該離子腔室之防護環，其中該防護環被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。
  37. 如請求項32之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該電容器之第二電容器。
  38. 一種用於偵測煙霧之裝置，其包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室對煙霧進入開放；及一積體電路，其包含：一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一具有耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置之一第一輸入及耦接至一電壓參考之一第二輸入的電壓比較器；一耦接於該電壓比較器之該第一輸入與該第二輸入之間的電容器；一具有耦接至該電壓比較器之一輸出之一D輸入及耦接至一時脈產生器之一時脈輸入的正反器，其中每當自該時脈產生器接收到一時脈信號時，該D輸入處之一邏輯值被傳送至該正反器之一Q輸出；一耦接於該正反器之該Q輸出與該電壓比較器之該第一輸入之間用於對該電容器充電及放電的回饋電阻器；一耦接於該電壓比較器之該第一輸入與一電源供應器共同電位之間的電流量測電阻器；其中當該電壓比較器之該第一輸入上的一電壓大於一來自該電壓參考之電壓時，該電壓比較器之該輸出 在一邏輯低處且該電容器被放電，且當該電壓比較器之該第一輸入上的該電壓小於來自該電壓參考之該電壓時，該電壓比較器之該輸出在一邏輯高處且該電容器被充電；用於在一特定時間週期期間當該正反器之該Q輸出在一邏輯高處時計數來自該時脈產生器之時脈脈衝之一第一數目的一第一計數器；及用於在一特定時間週期期間計數來自該時脈產生器之時脈脈衝之一第二數目的一第二計數器；其中當該第一開關處於該第一位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該數位驅動器，當該第一開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該電壓比較器之該第一輸入，當該第二開關處於該第一位置時，該離子化腔室之該第二電極耦接至該數位驅動器，及當該第二開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極耦接至該電壓比較器之該第一輸入。
  39. 如請求項38之用於偵測煙霧之裝置，其中該積體電路為一具有一數位處理器與記憶體之微控制器。
  40. 如請求項39之用於偵測煙霧之裝置，其中在藉由該第一計數器及該第二計數器計數期間，該微控制器之該數位處理器與記憶體進入一低功率睡眠模式中。
  41. 如請求項38之用於偵測煙霧之裝置，其中該積體電路進 一步包含一警報驅動器。
  42. 如請求項41之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該警報驅動器之可聽/視覺警報。
  43. 如請求項38之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一圍繞該離子腔室之防護環，其中該防護環被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。
  44. 如請求項38之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該電容器之第二電容器。
  45. 一種用於偵測煙霧之裝置，其包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室對煙霧進入開放；及一微控制器，其包含：一耦接至該離子化腔室之該第一電極的第一開關；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的第二開關；一具有一耦接至該第一開關及該第二開關之第一位置之輸出的數位驅動器；一耦接至該第一開關及該第二開關之第二位置的電容器；一耦接於該電容器與一電源供應器共同電位之間的第三開關，該第三開關經調適而用於使該電容器放電；一具有耦接至該電容器之一第一輸入及耦接至一電壓參考之一第二輸入的電壓比較器；一耦接至該數位驅動器之一輸入的脈衝產生器； 一耦接至該脈衝產生器之脈衝計數器，其中該脈衝計數器計數來自該脈衝產生器之脈衝的一數目；及一數位處理器與記憶體，其中該數位處理器耦接至該第一開關、該第二開關及該第三開關、該脈衝產生器及該計數器脈衝，且控制該第一開關、該第二開關及該第三開關、該脈衝產生器及該計數器脈衝；其中當該第一開關處於該第一位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該數位驅動器，當該第一開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第一電極耦接至該電容器，當該第二開關處於該第一位置時，該離子化腔室之該第二電極耦接至該數位驅動器，當該第二開關處於該第二位置時，該離子化腔室之該第二電極耦接至該電容器；及當該第三開關閉合時，該電容器實質上在零(0)伏特處。
  46. 如請求項45之用於偵測煙霧之裝置，其中在藉由該脈衝計數器進行之脈衝計數期間，該微控制器之該數位處理器與記憶體進入一低功率睡眠模式中。
  47. 如請求項45之用於偵測煙霧之裝置，其中該微控制器進一步包含一警報驅動器。
  48. 如請求項47之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該警報驅動器之可聽/視覺警報。
  49. 如請求項45之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一圍繞該離子腔室之防護環，其中該防護環被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。
  50. 如請求項45之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該電容器之第二電容器。
  51. 一種用於偵測煙霧之裝置，其包含：一具有一輻射源且包含第一電極及第二電極之離子化腔室，其中該離子化腔室對煙霧進入開放；一耦接至該離子化腔室之該第一電極的脈衝產生器，其中該脈衝產生器輸出包含自實質上零伏特至實質上一電壓的電壓轉變；一耦接至該離子化腔室之該第二電極的電容器；一預充電電壓參考；一耦接於該預充電電壓參考與該電容器之間的預充電開關，其中該預充電開關最初將該預充電電壓參考耦接至該電容器以用於將該電容器充電至一第一電壓；一耦接至該電容器之電壓判定電路；及一耦接至該脈衝產生器且計數來自該脈衝產生器之脈衝之一數目的脈衝計數器，其中該脈衝計數器計數將該電容器充電至一第二電壓所需要的來自該脈衝產生器之脈衝的數目。
  52. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其中該脈衝產生器為一具有可程式化時間週期的脈衝寬度調變(PWM)產生器。
  53. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其中該第一電壓為約該電壓之一半。
  54. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其中該電壓判定電路包含一電壓比較器。
  55. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其中該電壓判定電路包含一類比數位轉換器(ADC)。
  56. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其中該脈衝產生器、該電容器、該預充電電壓參考、該預充電開關、該電壓判定電路及該脈衝計數器係設在一微控制器中。
  57. 如請求項56之用於偵測煙霧之裝置，其中該微控制器進一步包含一警報驅動器。
  58. 如請求項57之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該警報驅動器之可聽/視覺警報。
  59. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一圍繞該離子腔室之防護環，其中該防護環被充電至一實質上與該電容器上之一充電電壓相同的防護環電壓。
  60. 如請求項51之用於偵測煙霧之裝置，其進一步包含一耦接至該電容器之第二電容器。
TW101136986A 2011-10-06 2012-10-05 用於判定離子腔室中之離子電流的方法及用於偵測煙霧之裝置 TWI580959B (zh)

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