ВХОДНОЙ КАСКАД ПОЖАРНОГО РЕГИСТРАТОРА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

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.
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.)
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.
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
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.
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).
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.
Недостатками прототипа являются:
- 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
полностью закрыт (ОУ ляжет на положительный "упор"), схема просто перестанет функционировать;
- 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.
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.
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
транзистора, причем анод фотодиода соединен с положительным источником питания ОУ, а катод - с прямым входом ОУ.
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.
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.
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.
Пожарный регистратор работает следующим образом.
Предварительно следует заметить, что в языках пламени максимума амплитуды излучения лежит на частоте 4-12 Гц, которые нужно выделить.
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.
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.
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.
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.