DE3604603C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schaltkreis, wie er im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegeben ist.
Bisher werden solche Schaltkreise meist als sogenannte Fotosensoren
zum optischen Erfassen von Karten oder Blättern oder zum Erzeugen von
Impulsen verwendet, wobei im letzten Fall eine radiale Schlitze aufweisende
Scheibe auf der rotierenden Welle eines Motors befestigt ist.
Ein vielfach eingesetzter Fotosensor ist aus "Application Manual"
(Photointerrupter) SHARP (Januar 1982), S. 26, Fig. 4-7(d) bekannt. Bei
diesem Schaltkreis fließt ein Strom durch eine lichtemittierende Diode zu
einer Stromversorgung über einen Widerstand, und eine Spannung wird einem
Fototransistor von der Spannungsquelle über einen weiteren Widerstand angelegt.
Die lichtemittierende Diode strahlt Licht ab, sobald ein Strom
durchfließt, und der Fototransistor wird eingeschaltet, wenn ihn das
Licht erreicht, so daß ein Strom durch diesen Fototransistor von der
Stromquelle fließt. Da der Stromverstärkungsfaktor des Fototransistors
klein ist, wird sein Ausgangssignal in einer nachfolgenden Stufe durch
einen Transistor verstärkt, an dem dann ein Signal großer Amplitude abgenommen
wird. Da dieses Signal jedoch Verzerrungen aufweist, wird das verstärkte
Ausgangssignal auch durch ein Schmitt-Triggerelement geformt. Da
der Fototransistor und der die lichtemittierende Diode enthaltende Schaltungsteil
in der Spannungsversorgung voneinander getrennt werden müssen,
führt der beschriebene Schaltungsaufbau dazu, daß die Schnittstelle für
die Abnahme des Ausgangssignals drei Leitungen aufweisen muß, nämlich
eine Versorgungsspannungsleitung, eine Kollektorleitung und eine Erdleitung
für den Fototransistor.
Weiter ist aus DE 24 10 314 A1 eine lichtelektrische Anlage zur Steuerung
von Vorgängen bekannt, die einen Lichtsender, einen Lichtempfänger
und ein Schaltglied aufweist und bei der die Lichtfortpflanzung zwischen
Lichtsender und Lichtempfänger durch ein zu erfassendes Objekt beeinflußt
werden kann. Auch bei dieser Anlage bedarf es für die Stromversorgung des
Lichtsenders und die Abnahme des Ausgangssignals des Lichtempfängers an
der Schnittstelle zwischen dem Lichterfassungsteil einerseits und der zugeordneten
Detektorschaltung andererseits wiederum dreier Leitungen.
Mit zunehmender Komplexität der Funktionen der modernen elektronischen
Geräte nimmt nun auch die Zahl der darin erforderlichen Fotosensoren zu,
und es wird damit auch zunehmend schwieriger und arbeitsintensiver, beim
Zusammenbau der Geräte die erforderliche Vielzahl von Leitungsverbindungen
herzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
fotoelektrischen Schaltkreis der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der
mit einer geringeren Anzahl von Leitungsverbindungen an der Schnittstelle
zwischen seinem Lichterfassungsteil und seiner Detektorschaltung auskommt
als bisher.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen fotoelektrischen
Schaltkreis, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltkreis verstärkt das Verstärkerelement
den dem lichtemittierenden Element zugeführten Strom abhängig
vom Ausgangssignal des Lichtempfangselements. Durch Rückkopplung
des durch das Lichtempfangselement fließenden Stroms auf die Lichtquelle
wird der durch das lichtemittierende Element fließende Strom erhöht und
damit die ausgesandte Lichtmenge gesteigert. Die Schnittstelle zwischen
dem Lichterfassungsteil und der Detektorschaltung weist insgesamt nur
zwei Leitungsverbindungen auf, nämlich eine erste Leitung für die Stromzuführung
zum lichtemittierenden Element und eine zweite Leitung für die
Abnahme der Ausgangssignale des Lichtempfangselements. Der Weg des durch
das lichtemittierende Element fließenden Stroms und der Weg des durch das
Lichtempfangselement fließenden Stroms bilden eine Rückkopplungsschleife
durch die Stromsteuerschaltung. Der Ausgangsstrom des Lichtempfangselements
wird dabei zum lichtemittierenden Element zurückgeführt. Die damit
erreichbare Steigerung des durch das lichtemittierende Element fließenden
Stromes und der davon abgegebenen Lichtmenge führt zu einer beträchtlichen
Erhöhung des Ausgangsstromes des Lichterfassungsteils, und es bedarf
daher in der Detektorschaltung keiner zusätzlichen Verstärkerschaltung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 perspektivisch einen Mechanismus, der die
Rotation eines Motors erfaßt als Beispiel
der Anwendung eines Fotofühlers,
Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
fotoelektrischen Schaltkreises,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise
des in Fig. 2 dargestellten Schaltkreises
erläutert, und
Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines fotoelektrischen Schaltkreises.
Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Mechanismus zur Erfassung
der Drehzahl eines Motors als Anwendungsbeispiel eines
Fotosensors. Eine Scheibe 12 mit einem Loch 121 ist auf
der Motorwelle 111 befestigt, um deren Drehphase zu erfassen.
Eine optische Erfassungseinheit 13, die die Position des
in der Scheibe 12 angebrachten Lochs 121 optisch abfühlt,
ist so ausgestaltet, daß die Scheibe 12 hindurchgeht.
Zwei Signalleitungen L₁ und L₂ gehen von dieser optischen
Erfassungseinheit 13 ab.
In dieser Einheit 13 sind einander gegenüberliegend ein
lichtemittierendes Element und ein fotoempfindliches Element
so angebracht, daß die Scheibe 12 dazwischen liegt. Auf
diese Weise wird, sobald das Loch 121 durch die Drehung
des Motors 11 zwischen lichtemittierendem Element und
Lichtempfangselement liegt, das vom lichtemittierenden
Element ausgesendete Licht vom fotoempfindlichen Element
erfaßt, worauf ein Strom entsprechend der empfangenen
Lichtmenge durch das fotoempfindliche Element fließt.
Auf diese Weise wird ein Objekt, das ist die Anwesenheit
oder Abwesenheit des in der Scheibe 12 geformten Lochs
121, erfaßt.
Fig. 2 zeigt eine konkrete Ausführungsform des
fotoelektrischen Schaltkreises.
Durch Strichpunktlinien sind jeweils ein optischer Objekterfassungsteil
3 und eine Detektorschaltung 10 eingerahmt.
Die Detektorschaltung 10 ist durch zwei Signalleitungen
mit dem optischen Objekterfassungsteil 3 verbunden; das
ist eine Leitung L₁, die von der Versorgungsquelle Vcc
kommt und eine andere Leitung L₂, die die Ausgangsleitung
ist. Die Signalleitung L₁ ist mit dem Emitter eines Transistors
6 und einem Anschluß a eines Vorspannungselements
7 im optischen Objekterfassungsteil 3 verbunden. Weiterhin
sind der Kollektor des Transistors 6 und der andere Anschluß
b des Vorspannungselements 7 miteinander und gemeinsam
mit der Anode einer Fotodiode 4 verbunden, die das lichtemittierende
Element ist. Die Basis des Transistors 6
ist mit dem Kollektor eines Fototransistors 5 verbunden,
der das lichtemittierende Element ist. Zusätzlich ist die
Kathode der Fotodiode 4 mit dem Emitter des photoempfindlichen
Elements 5 und dieser Verbindungspunkt ist über
die Leitung L₂ mit der Detektorschaltung 10 verbunden.
Die Signalleitung L₂ ist mit einem Anschluß a eines Lastwiderstandes
8 und dem Eingang eines Schmitt-Triggerelements
9 in der Detektorschaltung 10 verbunden. Zusätzlich ist
der andere Anschluß b des Lastwiderstandes 8 geerdet. Auf
diese Weise bilden in dem optischen Objekterfassungsteil
3 der Weg des durch das lichtemittierende Element 4 fließenden
Stroms und der des durch das photoempfindliche Element
5 fließenden Stroms eine Rückkopplungsschaltung. Wenn
die Intensität des vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahlten
Lichts anwächst, erhöht sich die Menge des empfangenen
Lichts ebenfalls und somit nimmt die Stärke
des durch das photoempfindliche Element 5 fließenden Stroms
zu. Folglich wird dieser zu dem Weg des durch das lichtemittierende
Element 4 fließenden Stroms durch den Transistor
6 zurückgekoppelt, was die Intensität des vom lichtemittierenden
Element 4 ausgestrahlten Lichts weiterhin
erhöht. Da wegen dieser Rückkopplung eine starke Erhöhung
des Stroms auftritt, braucht man keinen Verstärker am
Ausgang des photoempfindlichen Elements.
Zusätzlich ist die Anzahl der Leitungen
auf zwei beschränkt, weil die Schnittstellensignalleitung
L₂ von der Kathode des photoempfindlichen Elements
5 ausgeht.
Größe
und Leistungsverbrauch der Schaltung sind daher gering.
Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben.
Dabei wird angenommen, daß zwischen dem Widerstandswert
des Vorspannungselements 7, dem Wert des Lastwiderstands
8, dem unteren Grenzwert ViL und dem oberen Grenzwert
ViH für den Eingangsspannungspegel folgende Beziehung gilt:
ViH< (VCC - VD (2)
worin VD=1,2 Volt ein angenäherter Wert des Spannungsabfalls im
lichtemittierenden Element 4 in dem Falle ist, in dem eine Infrarotleuchtdiode
als lichtemittierendes Element 4 verwendet wird.
Außerdem wird angenommen, daß der Spannungsabfall
im Transistor 6 vernachlässigbar klein ist.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten
Schaltung für den Fall beschrieben, wo diese Schaltung
zur Erfassung der Drehung eines Motors 11 angewendet wird.
Solange der nicht durchbrochene Teil der Scheibe 12 sich
im optischen Objekterfassungsteil 3 befindet, fließt kein
Ausgangsstrom Ip, weil das von dem lichtemittierenden
Element 4 ausgestrahlte Licht das photoempfindliche Element
5 nicht erreichen kann. Deshalb ist der Basisstrom des
Transistors 6 Null und der Transistor 6 ist abgeschaltet.
Der durch das lichtemittierende Element fließende Strom ID
ist gleich dem durch das Vorspannungselement 7 fließenden
Stroms IR, und deshalb ist die emittierte Lichtmenge gering.
Folglich ist der Pegel der Eingangsspannung Vi am Schmitt-
Triggerelement 9 tief entsprechend der obengenannten Formel
(1), und die Ausgangsspannung Vo des Schmitt-Triggerelements
9
hat hohen Pegel.
Sobald jedoch das Loch 121 in der Scheibe 2 den optischen
Objekterfassungsteil 3 erreicht, wird vom lichtemittierenden
Element 4 ausgestrahltes Licht vom photoempfindlichen Element
5 empfangen und ein Strom Ip beginnt zu fließen. Da das
photoempfindliche Element 5 mit der Basis des Transistors
6 verbunden ist, beginnt der Kollektorstrom IC des Transistors
6 zu fließen. Dadurch wird der Strom ID, der durch
das lichtemittierende Element 4 fließt, gleich IR+IC.
Deshalb wird die Menge des vom lichtemittierenden Elements
4 ausgestrahlten Lichts erhöht und folglich steigt Ip ebenfalls.
Die Rückkopplung wächst so lange an, bis der Transistor
6 gesättigt ist. Sobald der Transistor 6 gesättigt
ist, wird die Eingangsspannung Vi des Schmitt-Triggerelements
Vi=(Vcc-VD) und nach der obengenannten Formel (2)
geht die Ausgangsspannung Vo des Schmitt-Triggerelements 9
auf tiefen Pegel.
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, das die obengenannten
Beziehungen veranschaulicht.
In Fig. 3 stellen in Abszissenrichtung aufgetragene Werte
a, a′ und a′′ Zeitdauern dar, während denen das Loch 121
in der Scheibe innerhalb des optischen Objekterfassungsteils
3 ist. Während der restlichen Zeit ist kein Loch
im optischen Objekterfassungsteil 3. Der Strom ID, der
durch das lichtemittierende Element 4 fließt, hat eine
durch das Vorspannungselement 7 und den Transistor 6 verzerrte
Signalform, jedoch erscheinen am Ausgang Vo nach
der Verarbeitung durch den Schmitt-Trigger 9 geformte
Impulssignale. Zunächst fließt nur der durch das Vorspannungselement
7 fließende Strom ID durch das lichtemittierende
Element 4. Sobald das photoempfindlliche Element
5 vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahltes Licht
empfängt, wird der durch das photoempfindliche Element
5 fließende Strom durch die Basis des Transistors 6 zurückgekoppelt
und steigert deshalb die Stärke der Ströme ID
und Ip. Diese bilden die Eingangsspannung Vi des Schmitt-
Triggerelements 9 in der Detektorschaltung 10, und wenn
dieses Signal von dem Schmitt-Triggerelement ausgegeben
wird, ist es eine geformte Impulsspannung Vo. Wie Fig. 2
deutlich zeigt, wird der Leistungsverbrauch, wenn ein
Objekt zwischen das lichtemittierende Element und das
photoempfindliche Element 5 eingebracht wird, extrem niedrig
und somit kann durch die Erfindung der Verbrauch an elektrischer
Leistung wirksam reduziert werden. Zusätzlich kann,
wie aus Fig. 3 deutlich wird, wenn die Zeitdauer T zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen, d. h. von a bis a′ gemessen
wird, da die Drehzahl f=1/T ist, die Drehzahl des Motors 11
durch Invertieren des gemessenen Werts T erfaßt werden.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
des fotoelektrischen Schaltkreises.
In Fig. 4 ist das lichtemittierende Element 4 direkt an
der Seite der Versorgungsquelle Vcc angeordnet. Das heißt,
daß die Signalleitung L₁ direkt mit der Anode des lichtemittierenden
Elements 4 und dessen Kathode mit dem Emitter
des Transistors 6 und dem Anschluß a des Vorspannungselements
7 verbunden sind. Außerdem ist der Kollektor
des Transistors 6, der Anschluß b des Vorspannungselements 7
und der Emitter des fotoempfindlichen Elements 5 gemeinsam
mit der Signalleitung L₂ verbunden. Zusätzlich ist der
Kollektor des fotoempfindlichen Elements 5
mit der Basis des Transistors 6, wie auch schon in Fig.
2, verbunden.
Nach der obigen Beschreibung wird durch die Erfindung
ein Schaltkreis ermöglicht, der nur zwei Signalleitungen
hat.
Eine Änderung des Schaltkreises
kann in einer umgekehrten Verbindungsrichtung bestehen,
wie dies bei Transistoren aufweisenden elektronischen
Schaltungen üblich ist. Das heißt, daß die mit der Kollektorseite
verbundenen Schaltungsteile dann mit der Emitterseite
verbunden werden oder daß eine am Emitter geerdete Schaltung
in eine am Kollektor geerdete Schaltung umgeändert
wird.
Das in Fig. 2
gezeigte Schmitt-Triggerelement kann auch durch eine
Vergleicherschaltung ersetzt werden, wobei die Beziehungen
der Spannungspegel berücksichtigt werden müssen.
Eine weitere Modifikation der in Fig. 4 gezeigten Schaltung
besteht darin, die von der Signalleitung L₁ geführte Spannung
mit einer Erdspannung zu vergleichen, indem die Signalleitung
L₂ mit einer Gestellmasse verbunden wird und das
Schmitt-Triggerelement 9 in der Erfassungsschaltung
10 durch einen Vergleicher ersetzt wird. Auf diese Weise
ist dann nur noch eine besondere Signalleitung L₁ zwischen dem optischen
Erfassungsteil 3 und der Detektorschaltung 10 nötig.
Claims (10)
1. Fotoelektrischer Schaltkreis mit
- - einem eine elektrisch gespeiste Lichtquelle, ein fotoelektrisches Lichtempfangselement und einen elektrischen Rückkopplungsweg mit einer ein Verstärkerelement enthaltenden Stromsteuerschaltung aufweisenden fotoelektrischen Lichterfassungsteil, in dem die Lichtübertragung im Strahlenpfad zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement durch ein nachzuweisendes Objekt beeinflußbar ist,
- - zwei elektrischen Leitungen, die dem Lichterfassungsteil Strom zuführen, und
- - einer Detektorschaltung, die mit dem Lichterfassungsteil elektrisch verbunden ist und schwellenwertartig auf den vom Lichterfassungsteil abgegebenen Strom anspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichterfassungsteil (3) Verbindung mit der Detektorschaltung (10) nur über die beiden elektrischen Leitungen (L₁ und L₂) hat und
daß der elektrische Rückkopplungsweg mit der Stromsteuerschaltung durch das Verstärkerelement (6) und ein dazu parallel geschaltetes Vorspannungselement (7) gebildet ist.
daß der Lichterfassungsteil (3) Verbindung mit der Detektorschaltung (10) nur über die beiden elektrischen Leitungen (L₁ und L₂) hat und
daß der elektrische Rückkopplungsweg mit der Stromsteuerschaltung durch das Verstärkerelement (6) und ein dazu parallel geschaltetes Vorspannungselement (7) gebildet ist.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die elektrische Speisung der Lichtquelle (4) in der Detektorschaltung
(10) eine Speisequelle (Vcc) vorgesehen ist, die über
die erste elektrische Leitung (L₁) mit dem einen Ende der Lichtquelle
(4) verbunden ist.
3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Detektorschaltung (10) an die zweite elektrische Leitung
(L₂) ein Schmitt-Triggerelement (9) für die Weiterverarbeitung des
Ausgangssignals des Lichtempfangselements (5) angeschlossen ist.
4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite elektrische Leitung (L₂) in der Detektorschaltung (10)
über einen Lastwiderstand (8) mit Masse verbunden ist.
5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verstärkerelement ein Transistor (6) ist, dessen eines Ende
gemeinsam mit einem Ende des Vorspannungselements (7) mit der
ersten elektrischen Leitung (L₁) verbunden ist.
6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Ende des Transistors (6) und das andere Ende des Vorspannungselements
(7) gemeinsam mit einem Ende der Lichtquelle (4)
verbunden sind.
7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Ende der Lichtquelle (4) gemeinsam mit einem Ende des
Lichterfassungselements (5) mit der zweiten elektrischen Leitung
(L₂) verbunden ist.
8. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verstärkerelement ein Transistor (6) ist, dessen eines Ende
gemeinsam mit einem Ende des Vorspannungselements (7) an das
andere Ende der Lichtquelle (4) angeschlossen ist.
9. Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Ende des Transistors (6) gemeinsam mit dem anderen Ende
des Vorspannungselements (7) und einem Ende des Lichterfassungselements
(5) mit der zweiten elektrischen Leitung (L₂) verbunden
ist.
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