一种用于消防装置的功率驱动输出装置和方法与流程

2021-01-20 14:01:29|

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本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种用于消防装置的功率驱动输出装置和方法。

背景技术：

火焰感受器由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器。

三防控制盒极化继电器的输入信号来自四组独立的火焰感受器差分电压信号，任何一路火焰感受器探测到火焰温度都能驱动极化继电器的输出控制，其系统框图如图1所示。火焰感受器感受到火焰温度时在5s时间内输出300mv的火警信号差分电势差。火焰感受器的输出电压随着时间而升高，因此，在5s(即，秒)时间内输出300mv的火警信号差分电势差是固定的。因此，三防控制盒极化继电器存在响应时间和输出的差分电势差固定，功率驱动电流小等缺点。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于消防装置的功率驱动输出装置和方法，用以解决现有三防控制盒极化继电器存在响应时间和放大倍数固定，功率驱动电流小的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于消防装置的功率驱动输出装置，火警信号获取电路和功率驱动电路，所述火警信号获取电路包括：火焰感受器，用于感受火焰温度，并将火焰温度转换为差分电压；放大电路，用于将所述火焰感受器输出的差分电压放大并输出；电压比较器，用于将所述放大电路输出的电压与参考电压进行比较，并根据所述比较结果判断是否存在火警信号；以及所述功率驱动电路，与火警信号获取电路的输出端连接，并且在存在所述火警信号时，控制所述功率驱动电路提供足以驱动所述消防装置的驱动功率。

上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例所提供的用于消防装置的功率驱动输出装置能够通过火焰感受器的采集和功率输出，与原极化继电器固有响应时间相比较，具有放大倍数和响应时间可配置的优点，同时其功率驱动电流大，性能稳定。

基于上述装置的进一步改进，根据所述比较结果判断是否存在火警信号包括：当所述放大电路输出的电压小于所述参考电压时，不存在所述火警信号；以及当所述放大电路输出的电压大于所述参考电压时，存在并输出所述火警信号。

基于上述装置的进一步改进，所述放大电路包括第一运算放大器，其中，所述第一运算放大器的正向输入端和负向输入端接收所述火焰感受器输出的差分电压，并将所述差分电压放大并经由所述第一运算放大器的输出端输出，其中，所述差分电压的放大倍数n为10至100。

基于上述装置的进一步改进，所述放大电路还包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，其中，所述第一运算放大器的负向输入端分别与所述第一电阻器的一端和所述第四电阻器的一端连接，其中，所述第一电阻器的另一端与所述火焰感受器的第一输出端连接；所述第一运算放大器的所述负向输入端分别与所述第二电阻器的一端和所述第三电阻器的一端连接，其中，所述第二电阻器的另一端与所述火焰感受器的第二输出端连接，以及所述第三电阻器的另一端接地；所述第一运算放大器的输出端与所述第四电阻器的另一端连接；以及所述第一运算放大器的正电源端与正向电源电压连接，以及其负电源端接地。

基于上述装置的进一步改进，所述电压比较器包括第二运算放大器、第五电阻器、第六电阻器、稳压二极管和单向二极管，其中，所述第二运算放大器的负向输入端经由所述稳压二极管接地，并且经由所述第五电阻器连接正向电源电压；所述第二运算放大器的正向输入端与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第二运算放大器的输出端经由所述第六电阻器连接所述正向电源电压，以及与所述单向二极管的阳极连接，其中，所述单向二极管的阴极与所述电压比较器的输出端连接；以及所述第二运算放大器的正电源端与所述正向电源电压连接，以及其负电源端接地。

基于上述装置的进一步改进，所述火警信号获取电路为m个火警信号获取电路，以及所述m个火警信号获取电路均与所述功率驱动电路连接，其中，所述m个火警信号获取电路的输出端与所述m个电压比较器中每一个的输出端连接，其中，m为1至4的整数。

上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例所提供的用于消防装置的功率驱动输出装置能够根据消防装置中要驱动电机的数量，实现一路至四路火焰感受器的独立采集和功率输出。

基于上述装置的进一步改进，所述功率驱动电路包括npn晶体管和电源电子开关，其中，所述npn晶体管的基极经由第七电阻器与所述m个电压比较器中每一个的输出端连接；所述npn晶体管的发射极接地，第八电阻器连接在所述m个电压比较器中每一个的输出端和所述发射极之间；所述npn晶体管的集电极与所述功率驱动管的输入端连接；所述电源电子开关的管脚5为控制输入端，内部上拉，低电平时有效导通；所述电源电子开关有效时，其输出管脚1和5与电源管脚3导通以功率驱动所述消防装置。

基于上述装置的进一步改进，所述电源电子开关是基于igbt的功率驱动管，所述功率驱动电路还包括第九电阻器、第十电阻器、第十一电阻器、第二电容器、和第三电容器，其中，所述第九电阻器与所述第二电容器串联连接为第一串联电路，所述第一串联电路与所述第十电阻器并联连接为并联电路，所述并联电路连接在所述输出管脚1和5和接地端之间；以及所述第十一电阻器和所述第三电容器串联连接为第二串联电路，所述第二串联电路连接在所述输出管脚1和5和所述电源管脚3之间。

基于上述装置的进一步改进，用于消防装置的功率驱动输出装置，包括：外壳，包括底座和圆筒，所述底座上包括位于所述圆筒内的卡槽；线路板，为矩形并安装的所述卡槽中；以及硅胶，在所述底座和所述圆筒之间的空隙中灌入所述硅胶，其中，通过所述硅胶粘贴所述线路板。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于消防装置的功率驱动输出方法，包括：感受火焰温度，并将火焰温度转换为差分电压；将所述火焰感受器输出的差分电压放大并输出；将所述放大电路输出的电压与参考电压进行比较，并根据所述比较结果判断是否存在火警信号；以及与火警信号获取电路的输出端连接，并且在存在所述火警信号时，控制所述功率驱动电路提供足以驱动所述消防装置的驱动功率。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明能够实现一至四路火焰感受器的独立采集和功率输出，与原极化继电器固有响应时间相比较，具有放大倍数和响应时间可配置的优点，同时其功率驱动电流大，性能稳定。

2、本发明有利于抑制后端感性负载的启动电流，减少直流输出电压的波动。

3、本发明相比于现有三防控制盒极化继电器的机械开关，提高了功率器件和负载的安全使用寿命。

4、本发明的功率驱动输出装置体积小，便于安装。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有的三防控制盒极化继电器框图。

图2为根据本发明实施例的用于消防装置的功率驱动输出装置的框图。

图3为根据本发明实施例的用于消防装置的功率驱动输出装置的整体结构示意图。

图4为根据本发明实施例的功率驱动输出装置的差分放大电路原理图。

图5为根据本发明实施例的功率驱动输出装置的电压比较电路原理图。

图6为根据本发明实施例的功率驱动输出装置的功率驱动电路原理图。

图7为根据本发明实施例的用于消防装置的功率驱动输出装置的整体电气原理图。

图8为根据本发明实施例的输入/输出放大电压曲线图。

图9为根据本发明实施例的功率驱动输出方法的流程图。

附图标记：

202-火警信号获取电路；204-火焰感受器；206-放大电路；208-电压比较器；210-功率驱动电路；212-消防装置；302-外壳、301-线路板和303-硅胶

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于消防装置的功率驱动输出装置。参考图2，用于消防装置的功率驱动输出装置，包括火警信号获取电路202和功率驱动电路210，火警信号获取电路202包括：火焰感受器204，用于感受火焰温度，并将火焰温度转换为差分电压；放大电路206，用于将火焰感受器204输出的差分电压放大并输出；电压比较器208，用于将放大电路输出的电压与参考电压进行比较，并根据比较结果判断是否存在火警信号；以及功率驱动电路210，与火警信号获取电路的输出端连接，并且在存在火警信号时，控制功率驱动电路210提供足以驱动消防装置212的驱动功率。

与现有技术相比，本实施例提供的用于消防装置的功率驱动输出装置能够通过火焰感受器的采集和功率输出，与原极化继电器固有响应时间相比较，具有放大倍数和响应时间可配置的优点，同时其功率驱动电流大，性能稳定。由于火焰感受器输出的电压随着时间增高，由于功率驱动输出装置具有放大电路，所以在不需要5s的时间段内，放大电路输出电压就已经达到300mv。因此，通过调整放大电路的放大倍数使得功率驱动输出装置的响应时间可配置。

下文中，将参考图2至图7对用于消防装置的功率驱动输出装置进行详细描述。

参考图2，用于消防装置的功率驱动输出装置可以包括火警信号获取电路202和功率驱动电路210。火警信号获取电路为m个火警信号获取电路，m个火警信号获取电路均与功率驱动电路连接，其中，m个火警信号获取电路的输出端与m个电压比较器中每一个的输出端连接，即，m个电压比较器的m个输出端为m个火警信号获取电路的m个输出端，其中，m为1至4的整数。

火警信号获取电路202可以包括：火焰感受器204，用于感受火焰温度，并将火焰温度转换为差分电压。火焰感受器204可以包括m个火焰感受器204，其中，m为1至4的整数。可以根据消防装置中被驱动的电机数量来确定火焰感受器204的数量。

参考图2，火警信号获取电路202包括放大电路206，用于将火焰感受器204输出的差分电压放大并输出。放大电路206可以包括m个放大电路206，其中，m为1至4的整数。例如，参考图7，放大电路可以包括4个放大电路。参考图4，放大电路206包括第一运算放大器u1a，其中，第一运算放大器u1a的正向输入端和负向输入端接收火焰感受器204输出的差分电压，并将差分电压放大并经由第一运算放大器u1a的输出端uout输出，其中，差分电压的放大倍数n为10至100，优选地n为25。放大电路还可以包括第一电阻器r1、第二电阻器r2、第三电阻器r3和第四电阻器r4，其中，第一运算放大器u1a的负向输入端分别与第一电阻器r1的一端和第四电阻器r4的一端连接，其中，第一电阻器r1的另一端与火焰感受器204的第一输出端连接；第一运算放大器u1a的负向输入端分别与第二电阻器r2的一端和第三电阻器r3的一端连接，其中，第二电阻器r2的另一端与火焰感受器204的第二输出端连接，以及第三电阻器r3的另一端接地；第一运算放大器u1a的输出端与第四电阻器r4的另一端连接；以及第一运算放大器u1a的正电源端与正向电源电压连接，以及其负电源端接地。可以通过调整r4/r1和r3/r2的值来调整放大倍数，从而实现放大电路的放大倍数可配置，例如，将差分电压放大为3.3v至7.5v。在图4所示的实施例中，第一运算放大器u1a可以选择放大器lm2902d，第一电阻器r1、第二电阻器r2、第三电阻器r3和第四电阻器r4可以分别为10k、10k、250k和250k，正向电源电压可以为24v。

与现有技术相比较，通过调整放大电路的放大倍数使得功率驱动输出装置的响应时间可配置。例如，功率驱动输出装置的响应时间可以为1s至6s。通过调整r4/r1和r3/r2的值来调整放大倍数，使得放大电路的放大倍数可配置。

参考图2，火警信号获取电路202包括电压比较器208，用于将放大电路输出的电压与参考电压进行比较，并根据比较结果判断是否存在火警信号。电压比较器208可以包括m个电压比较器208，其中，m为1至4的整数。例如，参考图7，电压比较器可以包括4个电压比较器。根据比较结果判断是否存在火警信号包括：当放大电路输出的电压小于参考电压时，不存在火警信号；以及当放大电路输出的电压大于参考电压时，存在并输出火警信号。参考图5，电压比较器可以包括第二运算放大器u2a、第五电阻器r5、第六电阻器r6、稳压二极管zd1和单向二极管d1，其中，第二运算放大器u2a的负向输入端经由稳压二极管zd1接地，并且经由第五电阻器r5连接正向电源电压；第二运算放大器u2a的正向输入端与第一运算放大器u1a的输出端连接；第二运算放大器u2a的输出端经由第六电阻器r6连接正向电源电压，以及与单向二极管d1的阳极连接，其中，单向二极管d1的阴极与电压比较器208的输出端连接；以及第二运算放大器u2a的正电源端与正向电源电压连接，以及其负电源端接地。由于输出电压为大于等于3.3v并且小于等于7.5v，所以可以根据放大电路输出的电压来选择稳压二极管zd1的稳定电压。在图5所示的实施例中，第二运算放大器u2a可以选择放大器lm2901d，第五电阻器r5和第六电阻器r6可以分别为20k和4.7k，正向电源电压可以为24v。稳压二极管zd1的稳定电压为5v固定稳压，单向二极管d1可以选择二极管in4148。

参考图2，用于消防装置的功率驱动输出装置可以包括功率驱动电路210，与火警信号获取电路的输出端连接，并且在存在火警信号时，控制功率驱动电路210提供足以驱动消防装置212的驱动功率。参考图6，功率驱动电路可以包括npn晶体管q1和电源电子开关t1，其中，npn晶体管q1的基极经由第七电阻器r22与m个电压比较器中每一个的输出端连接，使得m个火警信号中的每一个火警信号都能够控制功率驱动电路210以提供驱动功率；npn晶体管q1的发射极接地，第八电阻器r31连接在m个电压比较器中每一个的输出端和发射极之间；npn晶体管q1的集电极与电源电子开关t1的输入端连接；电源电子开关t1的管脚5为控制输入端，内部上拉，低电平时有效导通；电源电子开关t1有效时，其输出管脚1和5与电源管脚3导通以功率驱动消防装置。电源电子开关t1是基于igbt的功率驱动管，功率驱动电路还包括第九电阻器r25、第十电阻器r24、第十一电阻器r26、第二电容器c6、和第三电容器c7，其中，第九电阻器r25与第二电容器c6串联连接为第一串联电路，第一串联电路与第十电阻器r24并联连接为并联电路，并联电路连接在输出管脚1和5和接地端之间；以及第十一电阻器r26和第三电容器c7串联连接为第二串联电路，第二串联电路连接在输出管脚1和5和电源管脚3之间。在图6所示的实施例中，npn晶体管q1可以选择三极管mmbta42，第七电阻器r22和第八电阻器r31可以分别为2k和20k。电源电子开关t1可以选择bts555电源电子开关，第九电阻器r25、第十电阻器r24和第十一电阻器r26可以分别为10k、4.7k和10k，以及第二电容器c6和第三电容器c7的电容值均为10nf。

参考图3，用于消防装置的功率驱动输出装置包括：外壳302，包括底座和圆筒，底座上包括位于圆筒内的卡槽；线路板301，为矩形并安装在卡槽中；以及硅胶303，在底座和圆筒之间的空隙中灌入硅胶，其中，通过硅胶粘贴线路板301。火焰感受器设置在外壳之外以及电路板上设置有接插件，通过接插件接收火焰感受器提供的差分电压并通过该接插件将功率传输至外部以驱动消防装置的电机。

下文中，参考图3至图8以具体实例的方式对用于消防装置的功率驱动输出装置进行详细描述。

如图3所示，本发明实施例提供了本发明提供了一种基于差分放大比较电路的功率驱动输出装置,用来替代原极化继电器，包括外壳302、线路板301和硅胶303。线路板301安装在外壳302的卡槽内，再在空隙中灌入适量硅胶303。

功率驱动输出装置可以采用差分信号放大、电压比较和功率驱动电路组成。一种基于差分放大比较电路的功率驱动输出装置，由外壳、线路板和硅胶组成。在功率驱动输出装置中，电路采用差分信号放大电路、电压比较电路和功率驱动电路组成，首先采用差分信号放大电路进行火焰感受器输出差分电势差的信号放大，其次采用电压比较器电路进行设定阈值电压对放大电压进行比较，从而输出逻辑控制信号，最后，通过对输出信号进行功率驱动，有利于抑制负载的启动电流，减少直流输出电压的波动，提高功率器件的安全使用寿命。

(1)差分放大电路实现

电路应用中差分放大电路采用四通道运算放大器lm2902d，具有宽电压(3v到30v)、单电源，内部具有四组独立运放，so-14封装，可以独立满足四路火焰感受器的火警200mv差分电压的采集以及放大需求，取其中一路放大电路示例，其差分放大电路原理图如图4所示。

由于火焰感受器接收到火警信号差分输出电压上升到300mv的响应时间在5秒内，同时电路设计过程中考虑了非火警信号的防误报，因此差分放大电路中，将火焰感受器的火警差分电压200mv放大到5v电压，通过计算放大比例r4/r1以及r3/r2值均为25，供电电压24v，其输入差分电压和输出放大电压的实测曲线关系图如图8所示，曲线2为差分输入电压，100mv/格，曲线1为放大输出曲线，2.0v/格。

(2)电压比较输出电路实现

电压比较输出电路采用四路差动低功耗失调电压比较器lm2901d集成电路实现电压比较输出，单电源24v供电。其输出电平根据前端同相端和反相端的输入电压差，当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路，输出端输出根据上拉电阻输出高电平。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位，取其中一路电压比较电气电路示例，其电气原理图如图5所示。

图5中r5和zd1稳压管组成电压比较器的反相输入端，zd1稳压管为5v固定稳压为参考电压(也称为门限电平)，r6为输出电路上拉电阻，d1为二极管单向导通。根据电压比较器内部电路调理，前面差分放大电路放大后的输出电压vin进入同相输入端+，当火警信号产生，火焰感受器差分输入电压信号在5秒内从0mv上升到200mv时，其vin电压值在5秒内从0v上升到5v，从而高于电压比较器的反相门限电压，电压比较器输出24v，否则在没有火警信号产生时，电压比较电路输出为0v，从而实现火警信号的判断。

(3)功率驱动电路实现

根据极化继电器的输出特性以及三防控制盒的输出负载特性，输出端容量为5a/28v，因此可替代解决方案中需要对输出信号进行功率驱动，设计中采用智能高侧大电流电源开关管bts555作为功率驱动。bts555是基于igbt管的功率驱动管，由npn三极管进行输入开关控制，其中主电24v的输入端直接和bts555的金属散热面相连，确保驱动器具有较大的电流容量和散热面积，最大输出电流能达到165a，可以满足产品的功率驱动，其功率驱动电路原理图如图6所示。

q1为npn三极管mmbt42晶体管进行功率驱动管的信号控制。t1为bts555电源电子开关，其2脚为控制输入端，内部上拉，低电平有效导通，有效时1和5脚out管脚与3脚vbb电源管脚导通实现功率驱动。r24为下拉电阻，能有效抑制功率输出控制后端负载电路继电器线圈在通断过程中的瞬态反向电流干扰。r25/c6和r26/c7也可以实现电机类感性负载的软启动/关断功能，有利于抑制负载的启动电流，减少直流输出电压的波动，提高功率器件的安全使用寿命。

(4)整体应用电路实现

可替代原极化继电器的整体电气原理图实现如图7所示。

工作原理：四路火焰感受器独立采集火警信号并通过差分放大电路和电压比较电路，任意一路火警产生或多路火警同时产生，都将独立经过差分放大和电压比较输出逻辑控制控制高电平信号，d1～d4为单向二极管实现四路输出控制信号的位或关系，从而实现一路输出控制bts555功率驱动管的功率输出，控制后续产品的负载线圈，实现可替代功能实现。

本发明实施例提出的基于差分放大比较电路的功率驱动输出装置，能够实现四路火焰感受器的独立采集和功率输出，与原极化继电器固有响应时间相比较，具有放大倍数和响应时间可配置的优点，同时其功率驱动电流大，性能稳定，有利于抑制后端感性负载的启动电流，减少直流输出电压的波动，提高功率器件和负载的安全使用寿命。

本发明的另一个具体实施例，公开了一种用于消防装置的功率驱动输出方法，包括：步骤s902，感受火焰温度，并将火焰温度转换为差分电压；步骤s904，将火焰感受器输出的差分电压放大并输出；步骤s906，将放大电路输出的电压与参考电压进行比较，并根据比较结果判断是否存在火警信号；以及步骤s908，与火警信号获取电路的输出端连接，并且在存在火警信号时，控制功率驱动电路提供足以驱动消防装置的驱动功率。

用于消防装置的功率驱动输出方法还包括多个其他步骤，由于用于消防装置的功率驱动输出方法与用于消防装置的功率驱动输出装置相对应，所以省略其他步骤的详细描述以避免赘述。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

2、本发明有利于抑制后端感性负载的启动电流，减少直流输出电压的波动。

3、本发明相比于现有三防控制盒极化继电器的机械开关，提高了功率器件和负载的安全使用寿命。

4、本发明的功率驱动输出装置体积小，便于安装。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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