DE3528646C3

DE3528646C3 - Schaltungsanordnung für einen Infrarot-Raumüberwachungsdetektor

Info

Publication number: DE3528646C3
Application number: DE3528646A
Authority: DE
Inventors: Hermann Zierhut
Original assignee: Hirschmann Richard Co GmbH
Current assignee: RICHARD HIRSCHMANN GMBH & CO, 7300 ESSLINGEN, DE
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2005-08-10
Also published as: DE3528646A1; EP0218011B1; DE3528646C2; US4795905A; DE3675621D1; EP0218011A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen ein Pyroelement als Sensor aufweisenden Infrarot-Raumüberwachungsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Detektorschaltungen, die im Zusammenhang mit als Infrarot-Sensoren dienenden Pyroelementen verwendet werden, sind üblicherweise Detektoren, die in der Spannungs-Betriebsart (Voltage-Mode) betrieben werden, vgl. z. B. Israel Helmut, "Aufspüren von Infrarotstrahlen" in Funkschau Nr. 4/1982, S. 61-65. Derartige Detektoren in der Spannungs-Betriebsart weisen eine hohe Impedanz auf, die für die weitere Verarbeitung des Detektor-Ausgangssignals, etwa in einer Schwellenwert-Komparatorstufe, erforderlich ist. Der Nachteil dieser in der Spannungs-Betriebsart arbeitenden Detektoren liegt jedoch darin, daß die Detektorenempfindlichkeit zu wünschen übrig läßt, und insbesondere die Verstärkung des Detektors zu höheren Frequenzen hin abnimmt; dies bedeutet, daß sich der Verstärkungsgrad und damit die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz ändert.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, im Zusammenhang mit einem als Infrarot-Sensor dienenden Pyroelement einen Detektor zu verwenden, der in der Strom-Betriebsart (Current-Mode) arbeitet. Damit ergibt sich eine höhere Detektorempfindlichkeit, und der Detektor würde über ein relativ breites Frequenzband auch zu höheren Frequenzen hin einen konstanten Verstärkungsfaktor aufweisen, was im praktischen Einsatz von besonderem Vorteil wäre. Der Nachteil eines in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektors besteht jedoch darin, daß dieser relativ niederohmig ist. Aus dem Firmenprospekt Eltec, 8/78, Datenblätter für pyroelektrische Infrarot-Detektoren, Mod. 404 CM bzw. 408 ist es bekannt, zwischen das Pyroelement und einem Operationsverstärker einen Impedanzwandler in Form eines Feldeffekttranssistors (FET) zu schalten. Damit ergibt sich zwar die erforderliche Hochohmigkeit, jedoch hat die Verwendung eines Impedanzwandlers bzw. eines FET den erheblichen Nachteil, daß der Detektor wesentlich anfälliger gegenüber elektromagnetischen Störungen von außen wird, und die seitens der abnehmenden Behörde geforderte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht sichergestellt werden kann.

Aus Porter. S.G. in "Ferroelectrics", 1981, Vol. 33, S. 193-195, ist eine Schaltungsanordnung für einen pyroelektrischen Detektor bekannt bei der der Verstärker zwei Eingänge aufweist, die direkt mit den Anschlüssen eines Pyroelementes verbunden sind. Der +-Eingang des als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkers ist dabei mit der Klemme 0_V (Null Volt) verbunden. Insbesondere bei einem hohen Verstärkungsgrad des Verstärkers bzw. bei hoher Verstärkerempfindlichkeit und zu verstärkenden Strömen, die sehr klein sind und etwa im Piko-Ampere-Bereich liegen, ist die Temperaturabhängigkeit bei dieser bekannten Schaltungsanordnung sehr hoch, so daß sie insbesondere bei der Verstärkung sehr kleiner Ströme, wie sie das Pyroelement bereit stellt, nicht zuverlässig arbeitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Infrarot-Detektor zu beschaffen, der zusätzlich zu einer hohen Empfindlichkeit, einer hohen Rauscharmut und einer konstanten Verstärkung über einen relativ breiten Frequenzbereich hinweg eine wesentlich verbesserte Störsicherheit aufweist und eine zuverlässigere Funktionsweise einer nachgeschalteten Komperatorstufe auch bei Betriebsspannungsschwankungen ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird durch die dem Operationsverstärker und auch der Komparatorstufe zugeführte Referenzspannung erreicht, daß Betriebsspannungsschwankungen die Schwellenwert-Komparatorfunktion nicht beeinträchtigen, weil der Spannungs-Bezugspunkt für die Komparatorstufe sich bei Änderung der Betriebsspannung mit ändert, der Komparator-Bezugspunkt also mit den Betriebsspannungs-Schwankungen "mit schwimmt".

Die Verwendung der Referenzspannung des Operationsverstärkers des Detektors als Vergleichsspannung für die Schaltschwellen der Komparatorstufe ist insbesondere dann möglich, wenn der Gegenkopplungswiderstannd hochohmig ist, so daß praktisch keine Belastung auftritt.

Es sei darauf hingewiesen, daß als Pyroelement sowohl ein Einzel- als auch ein Doppelelement verwendet werden kann, ohne daß dadurch die Prinzipien der vorliegenden Erfindung betroffen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Gegenkopplungswiderstand des Operationsverstärkers hoch und vorzugsweise in einem Bereich von 10¹¹ bis 10¹² Ohm gewählt.

Dadurch kann das Ausgangssignal des im Detektorgehäuse untergebrachten Detektors so groß gemacht werden, daß damit ohne eine weitere zusätzliche Verstärkung die Schwellenwert-Komparatorschaltung, die zur Signalauswertung erforderlich ist, angesteuert werden kann. Auf diese Weise erfolgt eine Verstärkung nur im Detektorgehäuse selbst, und auf einen außerhalb des Gehäuses anzuordnenden Verstärker kann verzichtet werden. Damit wird die Störempfindlichkeit des Detektors noch weiter verringert, weil kein externer Verstärker vorhanden ist, der Störungen von außen aufnehmen kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe im Detektorgehäuse mitintegriert ist. Auf diese Weise wird der Detektor noch störunempfindlicher und seine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht.

Weiterhin kann die Maßnahme vorteilhaft sein, die Minus-Klemme der Betriebsspannungsquelle an Masse zu legen und nur die positive Betriebsspannung über einen Vorwiderstand zuzuführen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Kennlinienverstärkung für die Detektorschaltung in Spannungs-Betriebsart und in Strom-Betriebsart in Abhängigkeit von der Frequenz.

Fig. 2 eine in der Strom-Betriebsart arbeitende Detektorschaltung mit Impedanzwandler und

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Schaltungsbeispiel für einen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor.

Fig. 1 zeigt die Verstärkungs-Kennlinie 11 für einen in der Spannungs-Betriebsart arbeitenden Detektor und die Verstärkungs-Kennlinie 12 für einen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie erwähnt, wird für einen im Zusammenhang mit Infrarotsensoren verwendeten Detektor angestrebt, daß er über den Arbeitsfrequenzbereich hinweg im wesentlichen eine konstante Verstärkung aufweist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist diese Forderung mit einem in der Spannungs-Betriebsart arbeitenden Detektor nicht erfüllbar. Demgegenüber weist die Verstärkungs-Kennlinie eines in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektors über einen relativ breiten Bereich zu höheren Frequenzen hin einen geradlinigen Verstärkungs-Kennlinienverlauf, d. h. über einen relativ breiten Frequenzbereich eine konstante Verstärkung auf, so daß ein Detektor für die Strom-Betriebsart insbesondere in dieser Hinsicht wesentlich geeigneter ist.

Wie erwähnt, hat ein in der Strom-Betriebsart arbeitender Detektor jedoch eine nicht ausreichend hohe Impedanz, so daß ein Impedanzwandler in der Detektorschaltung vorgesehen sein muß. Fig. 2 zeigt einen derartigen in der Strom-Betriebsart arbeitenden Detektor mit Impedanzwandler.

Der eine Anschluß eines Pyroelements 1, das ein Einzel- oder Doppelelement sein kann, liegt an Masse oder dem Minus-Anschluß der Betriebsspannungsquelle, und der andere Anschluß des Pyroelements 1 ist mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET) 2 verbunden, dessen Drain-Elektrode mit der Plus-Klemme einer Betriebsspannungsquelle U_s in Verbindung steht. Die Source-Elektrode des FET 2 liegt über einem Widerstand R₁ an Masse bzw. am Minus-Pol der Betriebsspannungsquelle sowie direkt am Minus-Einganng eines Operationsverstärkers 3, an dessen Plus-Eingang die Referenzspannung U_Ref anliegt. Zwischen der Gate-Elektrode des FET 2 und dem Ausgang des Operationsverstärkers 3 ist ein Gegenkopplungs-Widerstand R_R geschaltet. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 3 wird einem weiteren Schaltungsteil, beispielsweise einer Schwellenwert-Komparatorstufe zur Signalauswertung zugeleitet.

Der vor dem Verstärker angeordnete Impedanzwandler in Form eines Junction-FET 2 hat den Nachteil, daß das Spannungsrauschen dieses FET voll in das auszuwertende Signal miteingeht. Insbesondere wird das Spannungsrauschen des FET erheblich durch den zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode wirkenden ohmschen Rückwirkungsleitwert hervorgerufen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen im Zusammenhang mit einem Pyroelement verwendeten Detektor dargestellt. Das Pyroelement 1 liegt mit seinem einen Anschluß direkt am Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 3 und mit seinem anderen Anschluß direkt am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 3. Zwischen dem Ausgang und dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers 3 liegt ein Gegenkopplungswiderstand R_R. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist das in der weiteren Schaltungsanordnung auszuwertende Detektorsignal A, das beispielsweise einer Schwellenwert-Komparatorstufe 4 zugeleitet wird. Die Betriebsspannungen +U_B bzw. -U_B werden dem Operationnsverstärker 3 zugeleitet.

Im Zusammenhang mit Untersuchungen von Detektoren, die bei der Verwendung von Pyroelementen als Infrarot-Sensoren verwendet werden, hat sich herausgestellt, daß - entgegen der Ansicht der Fachwelt - ein in der Strom-Betriebsart arbeitender Detektor ohne Impedanzwandler verwendbar ist, der in der dargestellten Weise aufgebaut ist, wobei die Eingänge des Operationsverstärkers 3 direkt mit den Anschlüssen des Pyroelements 1 in Verbindung stehen und der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 3 hochohmig ist. Auf diese Weise ergibt sich eine den Erfordernissen entsprechend ausreichend hohe Impedanz des Detektors. Als Operationsverstärker werden bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise BiMOS- oder CMOS-Operationsverstärker verwendet.

Vorteilhaft ist es weiterhin, den Gegenkopplungswiderstand R_R möglichst hoch, vorteilhafterweise über 10¹¹ Ohm, beispielsweise 10¹² Ohm zu wählen. Dadurch wird das Ausgangssignal so groß, daß auf eine weitere Verstärkung vor der Verarbeitung des Signals in der Schwellenwert-Komparatorstufe 4 verzichtet werden kann. Abgesehen von einer einfacheren Bauweise hat dies den Vorteil, daß keine zusätzlichen Bauelemente vorhanden sind, die Störungen von außen aufnehmen und den Detektor störunempfindlicher machen.

Mit dem Bezugszeichen 5 ist das Detektorgehäuse angedeutet, in ihm befinden sich die bis jetzt beschriebenen Schaltungsteile der Detektorschaltung, die durch das Gehäuse 5 gegen Störeinflüsse von außen im wesentlichen geschützt sind.

Aus Symmetriegründen wird die Referenzspannung U_Ref vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa in der Mitte des Aussteuerbereichs der Ausgangsspannung ds Operationsverstärkers liegt, was bei der Verwendung von CMOS-Operationsverstärkern, die - wie erwähnt - besonders geeignet sind, etwa der Hälfte der Betriebsspannung entspricht.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Referenzspannung U_Ref über einen dem Gegenkopplungswiderstand R_R enntsprechenden Widerstand R′_R dem verwendeten Operationsverstärker 3 entnommen und aus dem Detektorgehäuse 5 herausgeführt. Dadurch erfährt der Operationsverstärker praktisch keine Belastung, weil der Widerstand R′_R hochohmig ist.

Die Herausführung der Referenzspannung aus dem Detektorgehäuse und die gleichzeitige Verwendung als Referenzspannung für die nachfolgende Komparatorschaltung führt nicht nur zu einem geringeren schaltungsmäßigen Aufwand, sondern insbesondere auch zu einer geringeren Störempfindlichkeit, weil keine externen Beschaltungen nötig sind und die Möglichkeit der Störungsaufnahme dadurch verringert wird. Darüber hinaus ergibt sich der weitere nicht unwesentliche Vorteil, daß nämlich bei Betriebsspannungs-Schwankungen die Schwellenwert-Komparatorstufe davon praktisch unbeeinflußt bleibt, weil der aus dem Detektor herausgeführte Spannungsreferenz-Punkt für die Komparatorstufe sich mit den Schwankungen der Betriebsspannung ändert.

Zum Schutz der im Detektorgehäuse befindlichen Bauteile können die Dioden D₁ und D₂ verwendet werden, die in der in Fig. 3 dargestellten Weise in der Schaltungsanordnung vorgesehen sind.

Die Anode einer Diode D₁ ist mit der Minus-Klemme -U_B der Betriebsspannungsquelle, und deren Kathode mit dem Referenzspannungsausgang U_Ref verbunden; letzterer steht mit der Anode einer weiteren Diode D₂ in Verbindung, deren Kathode mit der Plus-Klemme +U_B der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Diese Dioden dienen dem Schutz der im Detektorgehäuse befindlichen Bauteile, insbesondere des Operationsverstärkers 3. Anstelle der Dioden können auch als Dioden geschaltete Transistoren verwendet werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Betriebsspannung -U_B und +U_B über Widerstände R₃ bzw. R₄ zugeführt. Wenn als Dioden D₁ und D₂ Zenerdioden verwendet werden, ergibt sich ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand eine Betriebsspannungsstabilisation.

Die Schwellenwert-Komparatorstufe 4, die der Auswertung des Detektorsignals A dient, enthält zwei Komparatoren 6 und 7 in Form von Operationsverstärkern, wobei dem Minus-Eingang des Komparators 6 und dem Plus-Eingang des Komparators 7 das Ausgangssignal A des Operationsverstärkers 3 zugeleitet wird. Die Referenzspannung U_Ref wird über Schwellenwert-Einstellwiderstände R₁ und R₂ an den Plus-Eingang des Komparators 6 bzw. an den Minus-Eingang des Komparators 7 gelegt.

Als weitere Möglichkeit der Vereinfachung und insbesondere der Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit kann vorgesehen sein, daß auch die Schwellenwert-Komparatorstufe 4 im Detektorgehäuse 5 untergebracht werden kann. Auf diese Weise ist auch dieser Schaltungsteil gegen Störungen von außen im wesentlichen abgeschirmt.

Wie Fig. 1 zeigt, ergibt sich für den in der Strom-Betriebsweise arbeitenden Detektor (Kennlinie 12) ein Abfall des Frequenz-Verstärkungsverlaufs zu höheren Frequenzen hin, der durch Abnahme der Leerlaufverstärkung des verwendeten Operationsverstärkers zustande kommt. Daher wird als Operationsverstärker 3 vorzugsweise ein solcher gewählt, der über den gewünschten Frequenzbereich hinweg eine konstante Leerlaufverstärkung aufweist. Gegebenenfalls können zu dem besagten Zweck auch zwei Operationsverstärker in Reihe geschaltet werden. Sinnvoll ist eine Leerlaufverstärkung im Nutzbereich von 120 dB. Die Kompensation des Operationsverstärkers, d. h. der Abknickpunkt der Leerlaufverstärkung sollte außerhalb des Nutzbereichs liegen.

Claims

1. Schaltungsanordnung für einen ein Pyroelement als Sensor aufweisenden Infrarot-Raumüberwachungsdetektor, wobei die Schaltungsanordnung als Stromverstärker betrieben wird und einen Operationsverstärker (3) mit hochohmigem Eingangswiderstand aufweist, dessen Ausgang über einen Gegenkopplungswiderstand (R_R) mit dessen invertierendem Eingang verbunden ist, und wobei die Eingänge des Operationsverstärkers (3) direkt an den Anschlüssen des Pyroelements (1) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzspannung (U_Ref) dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (3) über einen dem Gegenkopplungswiderstand (R_R) entsprechenden Widerstand (R′_R) zugeführt wird und als Referenzspannung (U_Ref) für eine Schwellwert-Komparatorstufe (4) dient, wobei die Referenzspannung (U_Ref) am Verbindungspunkt zweier zwischen den Betriebsspannungsklemmen in Reihe geschalteter Zenerdioden (D₁, D₂) abgegriffen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (R_R) des Operationsverstärkers (3) größer als 10¹¹ Ohm und vorzugsweise in einem Bereich von 10¹¹ bis 10¹² Ohm gewählt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert-Komparatorstufe (4) in einem den Operationsverstärker (3) enthaltenden Detektorgehäuse (5) untergebracht ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdioden (D₁, D₂) im Detektorgehäuse (5) enthalten sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Zenerdioden als Zenerdioden geschaltete Transistoren vorgesehen sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Minus-Klemme (-U_B) der Betriebsspannungsquelle an Masse liegt und nur die positive Betriebsspannung +U_B über einen Vorwiderstand (R₃) zugeführt wird.