RU71762U1 - INPUT CASCADE OF THE OPTICAL RADIATION FIRE RECORDER - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к фотоприемным устройствам, и может быть использована для пожарной сигнализации, а именно для обнаружения возгорания в инфракрасном диапазоне пламени. В качестве входного предварительного каскада известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и резистор, соединенные параллельно друг с другом и включенные на вход преобразователя, выход которого является выходом устройства (а.с. СССР 1453183, G01J 1/42, оп. 23.01.89 г.)The utility model relates to test equipment, namely to photodetectors, and can be used for fire alarms, namely to detect a fire in the infrared range of a flame. As an input pre-stage, a photodetector is known containing a photodiode and a resistor connected in parallel with each other and connected to the input of the converter, the output of which is the output of the device (A.S. USSR 1453183, G01J 1/42, op. 23.01.89, )

Технической задачей полезной модели является расширение динамического диапазона по входному сигналу и повышение степени линейности передаточной характеристики при больших величинах постоянной составляющей освещенности без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотодиода, уменьшение зависимости чувствительности устройства от величины постоянной составляющей освещенности и от температуры окружающей среды, а также снижение потребляемой устройством мощности при повышении фоновой освещенности фотодиода.The technical task of the utility model is to expand the dynamic range for the input signal and increase the degree of linearity of the transfer characteristic at large values of the constant component of illumination without reducing the sensitivity of the device over a wide range of operating temperatures of the photodiode, reducing the dependence of the sensitivity of the device on the value of the constant component of illumination and on the ambient temperature, and also reducing the power consumption of the device while increasing the background illumination photodiode.

Для решения этой задачи предлагается входной каскад пожарного регистратора оптического излучения, содержащий дифференциальный операционный усилитель (ОУ), фотодиод и регулирующий полевой транзистор, отличающийся тем, что ОУ охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току через резистор и по переменному току - через конденсатор, а их параллельное соединение является НЧ-фильтром.To solve this problem, an input stage of a fire detector of optical radiation is proposed, which contains a differential operational amplifier (OA), a photodiode and a field-effect transistor, characterized in that the OA is covered by negative feedback on direct current through a resistor and on alternating current through a capacitor, and their parallel connection is a low-pass filter.

1 илл.1 ill.

Description

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к фотоприемным устройствам, и может быть использована для пожарной сигнализации, конкретно для обнаружения возгорания в инфракрасном диапазоне пламени.The utility model relates to test equipment, namely to photodetectors, and can be used for fire alarms, specifically for detecting a fire in the infrared range of a flame.

В качестве входного предварительного каскада известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и резистор, соединенные параллельно друг с другом и включенные на вход преобразователя, выход которого является выходом устройства (а.с. СССР 1453183, G01J 1/42, оп. 23.01.89 г.)As an input pre-stage, a photodetector is known containing a photodiode and a resistor connected in parallel with each other and connected to the input of the converter, the output of which is the output of the device (A.S. USSR 1453183, G01J 1/42, op. 23.01.89, )

Такое фотоприемное устройство обладает малым динамическим диапазоном по входному сигналу вследствие возможной перегрузки большим по величине сигналом постоянного светового фона и недостаточной линейностью передаточной характеристики. При снижении нелинейности передаточной характеристики путем уменьшения величины сопротивления резистора падает чувствительность устройства. Чувствительность устройства также падает при увеличении постоянной составляющей освещенности и при увеличении температуры окружающей среды, нагреве фотодиода. При увеличении освещенности и температуры фотодиода до определенного максимума чувствительность падает до нуля.Such a photodetector has a small dynamic range for the input signal due to the possible overload by a large constant light background signal and insufficient linearity of the transfer characteristic. When reducing the non-linearity of the transfer characteristic by reducing the value of the resistance of the resistor, the sensitivity of the device decreases. The sensitivity of the device also decreases with an increase in the constant component of illumination and with an increase in the ambient temperature, heating of the photodiode. When the illumination and temperature of the photodiode increase to a certain maximum, the sensitivity drops to zero.

Также известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, катод которого соединен с первым (инвертирующим), а анод - со вторым (неинвертирующим) входом дифференциального усилителя с отрицательной обратной связью, цепь которой включает резистор и конденсатор, первые выводы каждого из которых электрически соединены в общую точку, второй вывод резистора соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход дифференциального усилителя является выходом устройства (патент A photodetector containing a photodiode is also known, the cathode of which is connected to the first (inverting) one, and the anode to the second (non-inverting) input of a negative feedback differential amplifier, the circuit of which includes a resistor and a capacitor, the first conclusions of each of which are electrically connected to a common point , the second output of the resistor is connected to the output of the differential amplifier, and the output of the differential amplifier is the output of the device (patent

РФ 2038574, G01J 1/44, оп. 27.06.95 г.) Наличие в этом устройстве отрицательной обратной связи позволяет при высоком коэффициенте усиления дифференциального усилителя по переменному току несколько уменьшить нелинейность фотоприемника при повышенных сигналах постоянного фона и расширяет динамический диапазон входного сигнала. Обеспечивается возможность селективного увеличения чувствительности в некоторой полосе частот, определяемой параметрами цепи обратной связи.RF 2038574, G01J 1/44, op. 06/27/95) The presence of negative feedback in this device allows for a high gain of the differential amplifier for alternating current to somewhat reduce the nonlinearity of the photodetector with increased constant background signals and extends the dynamic range of the input signal. It is possible to selectively increase the sensitivity in a certain frequency band, determined by the parameters of the feedback circuit.

Однако недостатками его являются ограничение динамического диапазона по входному сигналу, недостаточная линейность передаточной характеристики при больших величинах входного сигнала, пониженная чувствительность к малым изменениям оптического сигнала при большой величине постоянной составляющей освещенности, например, в условиях яркого искусственного или солнечного освещения (до 75000 люкс).However, its disadvantages are the limitation of the dynamic range of the input signal, insufficient linearity of the transfer characteristic for large values of the input signal, reduced sensitivity to small changes in the optical signal with a large constant component of illumination, for example, in bright artificial or sunlight (up to 75,000 lux).

Известно фотоприемное устройство по патенту РФ №2193761, которое содержит фотодиод, источник питания и дифференциальный усилитель, при этом катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства. Устройство также содержит регулируемое сопротивление, выполняющее функцию элемента отрицательной обратной связи, которое включено параллельно фотодиоду, а управляющий вход регулируемого сопротивления соединен с выходом дифференциального усилителя - ПРОТОТИП.A photodetector device according to the patent of the Russian Federation No. 2193761 is known, which contains a photodiode, a power source and a differential amplifier, while the cathode of the photodiode is connected to the first input of the differential amplifier, and the anode is connected to the second input of the specified amplifier, the output of which is the output of the device. The device also contains adjustable resistance, performing the function of the negative feedback element, which is connected in parallel with the photodiode, and the control input of the adjustable resistance is connected to the output of the differential amplifier - PROTOTYPE.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- дифференциальный операционный усилитель (ОУ) не замкнут по постоянному току, последовательная связь резистора, полевого транзистора и фотодиода с инверсным входом ОУ априори нелинейна, поэтому при максимальной освещенности внешней среды и максимума полезного сигнала ОУ может лечь на "упор" (плюсовой или минусовой) и фотодиод будет либо полностью открыт (ОУ ляжет на отрицательный "упор") либо - the differential operational amplifier (op-amp) is not closed by direct current, the serial connection of the resistor, field-effect transistor, and photodiode with the inverse input of the op-amp is a priori non-linear, therefore, with maximum ambient light and a maximum of the useful signal, the op-amp can go to the “stop” (plus or minus) and the photodiode will either be fully open (the op-amp will fall to a negative “stop”) or

полностью закрыт (ОУ ляжет на положительный "упор"), схема просто перестанет функционировать;completely closed (the op-amp will fall on a positive "emphasis"), the circuit will simply stop functioning;

- при применении же в качестве регулирующего сопротивления АЦП и цифрового потенциометра значительно усложняет схему и следовательно и удорожает, а при массовом изготовлении в качестве регистратора пожарного извещателя это приведет к большим расходам, следовательно он будет мало конкурентно способен.- when using an ADC and a digital potentiometer as regulating resistance, it significantly complicates the circuit and, therefore, becomes more expensive, and with mass production as a fire detector registrar, this will lead to high costs, therefore it will be little competitive.

Технической задачей полезной модели является расширение динамического диапазона по входному сигналу и повышение степени линейности передаточной характеристики при больших величинах постоянной составляющей освещенности без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотодиода, уменьшение зависимости чувствительности устройства от величины постоянной составляющей освещенности и от температуры окружающей среды, а также снижение потребляемой устройством мощности при повышении фоновой освещенности фотодиода.The technical task of the utility model is to expand the dynamic range for the input signal and increase the degree of linearity of the transfer characteristic for large values of the constant component of illumination without reducing the sensitivity of the device over a wide range of operating temperatures of the photodiode, reducing the dependence of the sensitivity of the device on the value of the constant component of illumination and the ambient temperature, and also reducing the power consumption of the device while increasing the background illumination photodiode.

Для решения этой задачи предлагается входной каскад пожарного регистратора оптического излучения, содержащий дифференциальный операционный усилитель (ОУ), фотодиод и регулирующий полевой транзистор, отличающийся тем, что ОУ охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току через резистор и по переменному току - через конденсатор, а их параллельное соединение является НЧ-фильтром; ОУ включен по схеме питания от одного положительного источника, при этом рабочая точка ОУ задается резистивным делителем, включенном между положительным источником и нулевой шиной; постоянная времени фильтра нижних частот выбирается из условия пропускания частот в диапазоне 4-12 Гц; фотодиод выбирается из условия работы в инфракрасном диапазоне частот; управление полевым транзистором осуществляется соединением выхода ОУ с затвором полевого транзистора через RC фильтр, причем конденсатор соединен с затвором и нулевой шиной; фотодиод включен параллельно стоку-истоку полевого To solve this problem, an input stage of a fire detector of optical radiation is proposed, which contains a differential operational amplifier (OA), a photodiode and a field-effect transistor, characterized in that the OA is covered by negative feedback on direct current through a resistor and on alternating current through a capacitor, and their parallel connection is a low-pass filter; The op-amp is switched on according to the power supply from one positive source, while the operating point of the op-amp is set by a resistive divider connected between the positive source and the zero bus; the low-pass filter time constant is selected from the transmission condition of frequencies in the range of 4-12 Hz; the photodiode is selected from the operating conditions in the infrared frequency range; the field-effect transistor is controlled by connecting the output of the op-amp with the gate of the field-effect transistor through an RC filter, the capacitor being connected to the gate and the zero bus; the photodiode is connected in parallel with the drain-source of the field

транзистора, причем анод фотодиода соединен с положительным источником питания ОУ, а катод - с прямым входом ОУ.transistor, moreover, the anode of the photodiode is connected to a positive op-amp power source, and the cathode is connected to a direct input of the op-amp.

На чертеже изображена электрическая схема пожарного извещателя, на которой показано: AD - дифференциальный операционный усилитель, VT - полевой транзистор, VD - фотодиод, С1-С5 - конденсаторы, R1-R4 - резисторы, шина питания+5 В и нулевая шина.The drawing shows an electrical diagram of a fire detector, which shows: AD - differential operational amplifier, VT - field-effect transistor, VD - photodiode, C1-C5 - capacitors, R1-R4 - resistors, power bus + 5 V and zero bus.

Схема имеет следующие соединения. Шина питания +5 В соединена с нулевой шиной через фильтрующий конденсатор С1, с первым входом резисторного делителя R1-R2, также соединена с анодом фотодиода VD, со стоком полевого транзистора VT и с положительным входом питания AD, нулевая шина соединена с отрицательным входом 4 питания AD, с вторыми входами конденсатора С3 и резистивного делителя R1-R2, первый вход конденсатора СЗ соединен с средней точкой 3 резистивного делителя R1-R2, которая соединена также с прямым входом AD; катод фотодиода VD соединен с истоком полевого транзистора VT и отрицательным полюсом электролитического конденсатора С2 и с инверсным входом AD; выход AD является выходом регистратора, а внутри схемы соединен: через резистор R3 с затвором VT, а через параллельно соединенные резистор R4 и конденсатор С5 - с инверсным входом AD.The circuit has the following connections. The +5 V power bus is connected to the zero bus through the filtering capacitor C1, with the first input of the resistor divider R1-R2, also connected to the anode of the photodiode VD, with the drain of the field effect transistor VT and with the positive input of the AD power supply, the zero bus is connected to the negative power input 4 AD, with the second inputs of capacitor C3 and resistive divider R1-R2, the first input of capacitor C3 is connected to the midpoint 3 of resistive divider R1-R2, which is also connected to direct input AD; the cathode of the photodiode VD is connected to the source of the field-effect transistor VT and the negative pole of the electrolytic capacitor C2 and to the inverse input AD; AD output is the output of the recorder, and is connected inside the circuit: through resistor R3 with a gate VT, and through parallel connected resistor R4 and capacitor C5 with an inverse input AD.

Элементы схемы могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС: резисторы R1-R4 типа С2-33, см. «Справочник. Резисторы», М, Р и С, 1987, стр.51; конденсаторы С1-С5 типа К53-10, см. «Справочник по электролитическим конденсаторам», М, Р и С, 1983, стр.430; фотодиод VD типа ФД263-1, ФД256 и др. см, «Справочник. Оптоэлектрические приборы», т.3, М, РадиоСофт, 2000 г.; полевой транзистор VT типа КП945, см. «Справочник. Транзисторы и их зарубежные аналоги» М, РадиоСофт, 2001 г., т.3, стр.195; операционный усилитель AD типа 140 УД17, см. «Справочник. Интегральные микросхемы», М, РадиоСофт, 2001 г., стр.431 или его зарубежный аналог AD 8541AR фирмы Analog Dines.Elements of the circuit can be performed on the following ERE and IC: resistors R1-R4 type C2-33, see. "Reference. Resistors ", M, R and C, 1987, p. 51; capacitors C1-C5 type K53-10, see "Handbook of electrolytic capacitors", M, P and C, 1983, p. 230; photodiode VD type FD263-1, FD256 and others see, "Reference. Optoelectric devices ”, t.3, M, RadioSoft, 2000; field effect transistor VT type KP945, see. "Reference. Transistors and their foreign analogues ”M, RadioSoft, 2001, v.3, p. 195; operational amplifier AD type 140 UD17, see "Reference. Integrated Circuits ”, M, RadioSoft, 2001, p. 431 or its foreign analogue AD 8541AR from Analog Dines.

Пожарный регистратор работает следующим образом.Fire recorder works as follows.

Предварительно следует заметить, что в языках пламени максимума амплитуды излучения лежит на частоте 4-12 Гц, которые нужно выделить.First, it should be noted that in the languages of the flame, the maximum radiation amplitude lies at a frequency of 4-12 Hz, which must be distinguished.

При включении схемы и освещении фотодиода VD световым сигналом с постоянной и переменной составляющими фотодиод VD генерирует пульсирующий ток, преобразующийся в напряжение на выходе усилителя AD. Цепь обратной связи (резистор 4 и конденсатор 5)играет роль фильтра, обеспечивающего заданную полосу частот переменного полезного сигнала. В данном случае рабочий диапазон частот регистратора. Между затвором и истоком полевого транзистора действует напряжение с конденсатора С2,пропорциональное постоянной составляющей светового сигнала. Величина шунтирующего фотодиод VD регулируемого сопротивления (промежуток сток-исток полевого транзистора VT) изменяется от максимума при минимальной постоянной составляющей светового сигнала до минимума при максимальной постоянной составляющей светового сигнала.When you turn on the circuit and illuminate the photodiode VD with a light signal with constant and variable components, the photodiode VD generates a pulsating current, which is converted into the voltage at the output of the amplifier AD. The feedback circuit (resistor 4 and capacitor 5) plays the role of a filter that provides a given frequency band of the variable useful signal. In this case, the operating frequency range of the recorder. Between the gate and the source of the field-effect transistor, the voltage from the capacitor C2 is proportional to the constant component of the light signal. The value of the adjustable resistance shunt photodiode VD (the drain-source gap of the field-effect transistor VT) varies from a maximum at the minimum constant component of the light signal to a minimum at a maximum constant component of the light signal.

При увеличении постоянной составляющей светового сигнала на фотодиоде VD величина напряжения на затворе полевого транзистора VT увеличивается, значение шунтирующего фотодиод VD низкоомного сопротивления уменьшается. От фотодиода VD в промежуток сток-исток полевого транзистора VT отводятся возникающие при этом в фотодиоде VD дополнительные носители зарядов, что поддерживает постоянную концентрацию носителей зарядов в самом фотодиоде, обеспечивает неизменность режима работы фотодиода и линейность его передаточной характеристики. Приуменьшении постоянной составляющей светового сигнала величина напряжения на затворе полевого транзистора VT уменьшается, значение шунтирующего фотодиод сопротивления увеличивается. Уменьшается количество отводимых от фотодиода VD в промежуток сток-исток полевого транзистора VT носителей зарядов, обеспечивается стабильность режима работы фотодиода VD и линейность его передаточной характеристики. При этом практически осуществляется стабилизация напряжения на фотодиоде VD.With an increase in the constant component of the light signal at the photodiode VD, the voltage at the gate of the field-effect transistor VT increases, the value of the low-resistance shunt photodiode VD decreases. Additional charge carriers arising from the VD photodiode in the drain-source gap of the field effect transistor VT are removed in this case, which maintains a constant concentration of charge carriers in the photodiode itself, ensures the photodiode remains unchanged and its transfer characteristic is linear. By reducing the constant component of the light signal, the voltage across the gate of the field-effect transistor VT decreases, the value of the shunt photodiode increases. The number of charge carriers removed from the photodiode VD to the drain-source gap of the field effect transistor VT is reduced, the stability of the operation mode of the photodiode VD and the linearity of its transfer characteristic are ensured. In this case, voltage stabilization on the VD photodiode is practically carried out.

Изменение температуры окружающей среды, ее повышение или понижение вызывает повышение или понижение температуры самого фотодиода VD и пропорциональное увеличение или уменьшение генерируемого фотодиодом тока. Это аналогично увеличению или уменьшению постоянной составляющей светового сигнала на входе фотодиода VD и вызывает описанное выше соответствующее изменение значения шунтирующего фотодиод VD сопротивления, обеспечивающее стабильность режима работы фотодиода VD.A change in the ambient temperature, its increase or decrease causes an increase or decrease in the temperature of the photodiode VD itself and a proportional increase or decrease in the current generated by the photodiode. This is similar to an increase or decrease in the constant component of the light signal at the input of the photodiode VD and causes the above-described corresponding change in the value of the shunt photodiode VD resistance, which ensures the stability of the photodiode VD.

Использование предложенного регистратора обеспечивает линейное преобразование входного светового сигнала при величине освещенности до 75000 люкс с погрешностью ±1% в интервале температур -55°С-+80°С.Using the proposed registrar provides a linear conversion of the input light signal with an illumination of up to 75,000 lux with an accuracy of ± 1% in the temperature range -55 ° С- + 80 ° С.

Claims (6)

1. Входной каскад пожарного регистратора оптического излучения, содержащий дифференциальный операционный усилитель (ОУ), фотодиод и регулирующий полевой транзистор, отличающийся тем, что ОУ включен в режиме масштабного усилителя и охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току через резистор, а по переменному току - через конденсатор, а их параллельное соединение является НЧ-фильтром.1. The input stage of the fire detector of optical radiation, containing a differential operational amplifier (OA), a photodiode and a field-effect transistor, characterized in that the OA is turned on in a large-scale amplifier and is covered by negative DC feedback through a resistor, and through an alternating current through capacitor, and their parallel connection is an low-pass filter. 2. Входной каскад по п.1, отличающийся тем, что ОУ включен по схеме питания от одного положительного источника, при этом рабочая точка ОУ задается резистивным делителем, включенном между положительным источником и нулевой шиной.2. The input stage according to claim 1, characterized in that the op-amp is switched on according to the power supply from one positive source, while the operating point of the op-amp is set by a resistive divider connected between the positive source and the zero bus. 3. Входной каскад по п.1, отличающийся тем, что постоянная времени фильтра нижних частот выбирается из условия пропускания частот в диапазоне 4-12 Гц.3. The input stage according to claim 1, characterized in that the time constant of the low-pass filter is selected from the condition of transmission of frequencies in the range of 4-12 Hz. 4. Входной каскад по п.1, отличающийся тем, что фотодиод выбирается из условия работы в инфракрасном диапазоне частот.4. The input stage according to claim 1, characterized in that the photodiode is selected from the operating conditions in the infrared frequency range. 5. Входной каскад по п.1, отличающийся тем, что управление полевым транзистором осуществляется соединением выхода ОУ с затвором полевого транзистора через RC фильтр, причем конденсатор соединен с затвором и нулевой шиной.5. The input stage according to claim 1, characterized in that the field-effect transistor is controlled by connecting the op-amp output to the gate of the field-effect transistor via an RC filter, the capacitor being connected to the gate and the zero bus. 6. Входной каскад по п.1, отличающийся тем, что фотодиод включен параллельно стоку-истоку полевого транзистора, причем анод фотодиода соединен с положительным источником питания ОУ, а катод - с прямым входом ОУ.

6. The input stage according to claim 1, characterized in that the photodiode is connected parallel to the drain-source of the field-effect transistor, the anode of the photodiode connected to a positive op-amp power source, and the cathode to a direct input of the op-amp.