DE3404151C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meldeeinrichtung zur Überwachung eines Raumes auf Temperaturänderungen, bestehend aus einem Strahlungsempfänger, der wenigstens einen Detektor mit wenig­ stens einem die elektromagnetische Strahlung aufnehmenden Sensor und einem integrierten Feldeffekttransistor, sowie einen nachgeschalteten Linearverstärker und Mittel zur Kompen­ sation des Frequenzganges des Sensorausgangspegels aufweist, einer Auswerteschaltung zur Auslösung eines Alarms bei Änderung der Strahlungsintensität und einer Alarmeinheit.

Bei Meldeeinrichtungen, wie sie z. B. aus der DE-OS 31 28 256 bekannt sind, werden heute praktisch ausschließlich Sensoren mit eingebautem Feldeffekttransistor (z. B. Typen 412 der Firma Eltec, RPY 86 der Firma Valvo) verwendet, der als Stromver­ stärker eine Transformation des Sensor-Arbeitswiderstandes von etwa 10¹⁰ Ohm auf den Widerstand der Folgeschaltung (ca. 10 kOhm) bewirkt.

Die Empfindlichkeit der bekannten, in der Praxis verwendeten Sensoren weist im Bereich von ca. 0,1 bis 1 Hz ein Maximum auf und fällt mit wachsender Frequenz um etwa 6 dB pro Oktave ab. Bei kleinem Betriebsfrequenzbereich erfordert der verhältnis­ mäßig geringe Empfangspegelunterschied in der Regel noch keine besonderen Ausgleichsmaßnahmen. Der neuerdings immer häufigere Einsatz von Optiken mit langen Brennweiten zur Erzielung besserer Abbildungen und größerer Reichweiten bedingt jedoch große Zeit­ unterschiede der Strahlungsintensitätsänderungen bei gleich schnellem Durchschreiten der Gesichtsfelder im Nah- bzw. Fern­ bereich des überwachten Raumes und damit einen großen Betriebs­ frequenzbereich.

Bei Passiv-Infrarot-Bewegungsmeldern mit einer Reichweite von etwa 100 m reicht er beispielsweise von etwa 0,1 bis 50 Hz und damit über mehr als 5 Oktaven, so daß der Pegelabfall im Fre­ quenzbereich von 1 bis 50 Hz mehr als 30 dB beträgt und für eine sinnvolle Weiterverarbeitung der empfangenen Signale eine entsprechende Kompensation unumgänglich nötig ist. Dazu weist bei dem Bewegungsmelder HAL 1601 der Anmelderin der nachfolgende Verstärker eine entsprechend große inverse Schräglage seines Verstärkungsfaktors auf. Allerdings erfordert dies bei den ge­ ringen Empfangsleistungen (ca. 10^-8 W) sehr rauscharme und damit teuere Verstärker, damit eine ausreichende Störsicherheit ge­ währleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meldeeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der auf möglichst einfache und kostensparende Weise ein größtmöglicher Rauschab­ stand erzielt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Feld­ effekttransistor als aktives Bauteil eines direkt am Sensor an­ geschlossenen Entzerrer-Verstärkers mitbenutzt ist. Durch diese Spannungsverstärkung direkt am Empfangsmodul unter Einbeziehung des an sich schon vom Sensorhersteller rauscharm ausgesuchten Feldeffekttransistors ist ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höherer Rauschabstand und somit einer Verbesserung der Störsicherheit erreicht, wobei der Vorteil insbesondere für die hohen Frequenzen zum Tragen kommt und die erfindungsgemäße Meldeeinrichtung damit besonders gut für große Reichweiten ge­ eignet ist. Zur Anhebung des Signalpegels auf die für die wei­ tere Verarbeitung nötige Höhe kann daher ein einfacher und ko­ stengünstiger Linear-Verstärker mit geringeren Anforderungen an sein Eigenrauschen verwendet werden.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind ein wirksames Schaltungsmittel zur Erzeugung der Schräglage des Verstärkungsfaktors und eine besonders einfache Ausführung dieser Schaltung beschrieben.

Eine gemäß Anspruch 4 ausgebildete Verstärkerschaltung hat den Vorteil, daß durch den dabei erforderlichen hohen ohm'schen Widerstand (<100 kOhm) der Kondensator des RC-Gliedes klein und billig sein kann und daß eine gute Temperaturkompensation, sowie eine hohe Stabilität des Gleichstromarbeitspunktes er­ reicht ist. Dabei ist ein günstiger Kompromiß zwischen dem Preis der Speisespannungsquelle und ihrer Leistung bei Spannungen zwischen etwa -4 und -8 V erreicht.

Für Geräte mit sehr großen Reichweiten und damit Bandbreiten ist zur Erzielung der erforderlichen Schräglage wenigstens eine wei­ tere Verstärkerstufe nötig. In Anspruch 5 ist ein besonders zweck­ mäßiger Aufbau und Anschluß für eine zweistufige Ausführung ange­ geben, wobei die Schräglage einerseits durch den Gegenkopplungs­ widerstand und den daran angeschlossenen und auf Masse geführten Kondensator und zum anderen durch das Serien-RC-Glied bewirkt ist. Diese Schaltung ist insgesamt hinsichtlich ihres Verstärkungs­ faktors weitgehend unabhängig von Bauteiletoleranzen stabil, so daß in der Serienfertigung kein Abgleich nötig ist.

Zur weiteren Erhöhung der Störsicherheit ist in Anspruch 7 die Einschaltung eines Digitalfilters vorgeschlagen, welches im Be­ triebsfrequenzbereich eine sehr hohe Selektivität (<60 dB) auf­ weist.

Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbei­ spiels der als Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder ausgeführten er­ findungsgemäßen Meldeeinrichtung, wobei der Übersichtlichkeit halber nur von dem die Erfindung betreffenden Teil des Strahlungs­ empfängers ein vollständiges Schaltbild dargestellt ist, während die restlichen Schaltungsteile lediglich symbolhaft dargestellt sind und die in diesem Zusammenhang nicht interessierende Optik ganz weggelassen ist.

Der zur Überwachung eines Raumes mit etwa 100 m Reichweite auf unerwünschte Eindringlinge vorgesehene Bewegungsmelder besteht aus einem Strahlungsempfänger SE, einem nachgeschalteten Digi­ talfilter DF, einer Auswerteschaltung AS und einer davon bei Vorliegen des Alarmkriteriums angesteuerten, aus einem Relais R und einem Signalgeber SG bestehenden Alarmeinheit AE.

Der Strahlungsempfänger SE weist einen Detektor D mit zwei die Strahlung empfangenden, im Gegentakt arbeitenden Sensoren S ₁, S ₂ und einen integrierten rauscharmen Feldeffekttransistor FET auf, der einerseits den hohen Sensor-Ausgangswiderstand (ca. 10¹⁰ Ohm) auf einen für die Folgeschaltung optimalen Wert von ca. 10 kOhm herabtransformiert und zum anderen zusammen mit einem bipolaren Transistor T und einer RC-Schaltung einen zwei­ stufigen Entzerrer-Verstärker bildet, der den Sensorausgangs­ pegel um 10 dB anhebt und zugleich dessen Abfall mit steigender Frequenz (6 dB/Oktave) kompensiert.

Das Ausgangssignal wird in einem Linear-Verstärker LV um weitere 50 dB angehoben, da wegen der geringen empfangenen Strahlungs­ leistung von ca. 10^-8 W eine Pegelanhebung von insgesamt etwa 90 dB (bei 50 Hz) nötig ist.

Für diesen Verstärker LV kann, insbesondere hinsichtlich seines Rauschens, eine Billig-Version (hier ein einfacher Operations­ verstärker) verwendet werden, da durch den Einsatz des rausch­ armen Entzerrer-Verstärkers direkt am Empfangsmodul bereits ein hoher Rauschabstand und damit auch eine hohe Störfreiheit er­ reicht ist. Eine weitere Verbesserung der Störfestigkeit wird durch das nachgeschaltete Digitalfilter DF erzielt, das außer­ halb des Betriebsfrequenzbereichs eine Signaldämpfung von ≧60 dB bewirkt.

Die Auswerteschaltung AS, die derjenigen in dem Ausführungsbei­ spiel der DE-OS 31 28 256 entspricht, besteht aus einem dynami­ schen Fensterdiskriminator FD, sowie zwei davon getriggerten, durch ein Und-Glied U verbundenen Timern Z ₁, Z ₂. Dabei liefert das Und-Glied U nur dann ein alarmauslösendes Ausgangssignal an die Alarmeinheit AE, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeit von 10 sec nacheinander sowohl ein positiver als auch ein negativer Spannungsimpuls am Ausgang des Strahlungsempfängers SE vorhanden sind.

Im Entzerrerverstärker ist die Basis des Transistors T mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekt-Transistors FET verbunden, der Kollektor des Transistors T bildet den Ausgang.

Die RC-Schaltung besteht aus je einem ohm'schen Widerstand R ₁ zwischen dem Minuspol -U _B der Speisespannungsquelle und dem Source-Anschluß des Feldeffekt-Transistors FET, R ₂ zwischen dessen Drain-Anschluß bzw. der Basis des Transistors T und dem Pluspol +U _B der Speisespannungsquelle, R ₃ zwischen dem Source- Anschluß des Feldeffekt-Transistors FET und dem Kollektor des Transistors T, R ₅ zwischen diesem und dem Minuspol -U _B der Speisespannungsquelle, R ₄ zwischen deren Pluspol +U _B und dem Emitter des Transistors T, sowie einem Kondensator C ₁ zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und Masse und der Serienschaltung eines ohm'schen Widerstandes R ₆ und eines Kondensators C ₂ parallel zum Widerstand R ₄. Die Gleichstrom­ arbeitspunkte der beiden Transistoren werden durch die Wider­ stände R ₁, R ₂, R ₃, R ₄ und R ₅ eingestellt.

Die untere Grenzfrequenz von etwa 1,5 Hz, bei der die Schräg­ lage beginnt, wird durch das RC-Glied R ₁, C ₃ bestimmt, die Schräg­ lage des Verstärkungsfaktors selbst durch die Gegenkopplung R ₁, R ₃, C ₁, sowie zusätzlich durch das RC-Glied R ₆, C ₂.

Die angeführten Bauteile sind derart dimensioniert, daß im Be­ triebsfrequenzbereich von etwa 1,5-50 Hz der Verstärkungs­ faktor von ca. 10 dB auf ca. 40 dB ansteigt, womit der Abfall des Sensorausgangspegels mit etwa 6 dB pro Oktave gerade ausge­ glichen ist.

Mit der beschriebenen einfachen und unabhängig von Bauteiletole­ ranzen stabilen Verstärkerschaltung und deren direkte Anordnung am Detektor unter Einbeziehung des an sich bereits rauscharmen Feldeffekt-Transistors FET ist eine preisgünstige und stör­ sichere, für die Serienfertigung geeignete praxisgerechte Melde­ einrichtung geschaffen.

Claims (6)

1. Meldeeinrichtung zur Überwachung eines Raumes auf Tempera­ turänderungen, bestehend aus einem Strahlungsempfänger, der wenigstens einen Detektor mit wenigstens einem der elektro­ magnetische Strahlung aufnehmenden Sensor und einem integrier­ ten Feldeffekttransistor, sowie einen nachgeschalteten Linear- Verstärker und Mittel zur Kompensation des Frequenzganges des Sensorausgangspegels aufweist, einer Auswerteschaltung zur Auslösung eines Alarms bei Änderung der Strahlungsintensität und einer Alarmeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Feld­ effekttransistor (FET) als aktives Bauteil eines direkt am Sensor (S ₁, S ₂) angeschlossenen Entzerrer-Verstärkers mitbe­ nutzt ist.

2. Meldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche Frequenzgang eines Entzerrer-Verstärkers durch eine an den Source-Anschluß des Feldeffekt-Transistors (FET) angeschlossene frequenzabhängige Gegenkopplungsschal­ tung (R ₁, C ₁) erzeugt ist und der nachfolgende Linear-Ver­ stärker (LV) am Drain-Anschluß des Feldeffekt-Transistors (FET) angeschlossen ist.

3. Meldeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung ein RC-Glied (R ₁, C ₁) ist.

4. Meldeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C ₁) an Masse und der Widerstand (R ₁) der Gegenkopplungsschaltung (R ₁, C ₁) an den Minuspol (-U _B ) der Speisespannungsquelle angeschlossen und so bemessen ist, daß an ihm die Source-Betriebsgleichspannung abfällt.

5. Meldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldeffekttransistor (FET) ein weite­ rer Transistor (T) nachgeschaltet ist, dessen Basis am Drain- Anschluß des Feldeffekt-Transistors (FET), dessen den nach­ folgenden Linear-Verstärker (LV) ansteuernder Kollektor über einen Gegenkopplungswiderstand (R ₃) am Source-An­ schluß des Feldeffekt-Transistors (FET), sowie über einen ohm'schen Widerstand (R _S ) am Minuspol (-U _B ) der Speise­ spannungsquelle und dessen Emitter über einen ohm'schen Widerstand (R ₄), sowie ein dazu parallel geschaltetes Serien-RC-Glied (R ₆, C ₂) am Pluspol (+U _B ) der Speise­ spannungsquelle angeschlossen ist.

6. Meldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Linear-Verstärker (LV) und der Auswerteschaltung (AS) wenigstens ein Digital­ filter (DF) vorgesehen ist.