ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОЖАРНОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ
POWER SUPPLY OF FIRE ALARM BOX

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.
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,
Общеизвестны преобразователи DC/DC, выпускаемые большим количеством отечественных и зарубежных фирм, в том числе и с повышающим коэффициентом передачи.
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.
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.
Эти преобразователи при использовании в пожарных извещателях обладают следующими большими недостатками: большой ток в дежурном режиме и очень дороги.
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.
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.
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.
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.
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.
Узлы источника питания могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.
Накопитель энергии 1 - например, по схеме, дроссель и емкость.
Выпрямитель высоковольтный 2 - классический.
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.
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.
Высоковольтный делитель напряжения 6 - по классической схеме резистивного делителя.
Хронирующая цепь 7 - это просто параллельно соединенные резистор и конденсатор (с постоянной времени на 1 кГц), соединенные с микроконтроллером цепью вх/вых.
Микроконтроллер 8 - это ИМС MSP430F2001 как имеющий самое низкое энергопотребление, см. e-mail: info@hamamatsu.
Датчик излучения 9 и приемник 3 в УФ-диапазоне фирмы HAMAMATSU, см. e-mail:info@ hamamatsu.
Схема работает следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.