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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor für die Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren werden häufig als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik eingesetzt.
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Sie weisen typischerweise eine LED oder eine Laserdiode als Lichtsender und eine Fotodiode oder einen Fototransistor als Fotoempfänger auf, deren Ausgangssignal in einer elektronischen Schaltung weiterverarbeitet wird.
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Der in der Regel mit einem hochfrequenten Rechtecksignal angesteuerte Lichtsender erzeugt ein moduliertes Lichtsignal, das von einem Auslöser beeinflusst werden kann.
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Der Grad der Beeinflussung des Lichtsignals durch den Auslöser wird in der elektronischen Schaltung ausgewertet und bei Überschreiten eines Schwellwertes eine elektronische Schaltstufe angesteuert.
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Schaltgeräte dieser Art werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin (z. B. unter der Bezeichnung O5H700) hergestellt und vertrieben.
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Hierbei kann die Auswertung der Beeinflussung des Lichtsignals und damit auch die Auswertung auf unterschiedliche Art erfolgen.
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Bei Einweglichtschranken oder energetischen Lichttastern wird die Amplitude des empfangenen Lichtsignals ausgewertet.
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Bei Reflexlichtschranken ist es der Polarisationsgrad.
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Darüber hinaus sind optische Sensoren bekannt, bei denen die Objektentfernung über die Laufzeit des Lichtsignals ermittelt wird. Meist wird hierbei die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Lichtsignal ausgewertet. Solche optischen Abstandssensoren werden z. B. unter der Bezeichnung „OD100” von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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Bei optischen Sensoren, die mit einem modulierten Lichtsignal arbeiten, wird die Grenzfrequenz durch die Kapazität der fotoempfindlichen Fläche bestimmt. Insbesondere bei kleinen Signalstärken des beim Fotoempfänger ankommenden Lichtsignals besteht der Wunsch, die fotoempfindliche Fläche des Fotoempfängers zu vergrößern, um ausreichend Signalstärke zu erhalten.
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Bei diesen Sensoren ist der aus der Sensortechnik bekannte Widerspruch zwischen Fotostrom und Zeitkonstante (Grenzfrequenz eines optischen Empfängers) von besonderer Bedeutung. Der Fotostrom steigt i. A. linear mit der fotoempfindlichen Fläche. Das Rauschen steigt aber nur mit der Wurzel der fotoempfindlichen Fläche. Hinzu kommt, dass größere Empfängerflächen nicht zuletzt auch wegen ihrer einfacheren Handhabbarkeit (Justage) oftmals vorteilhaft sind.
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Der Einsatz von Optik ist in vielen Fällen keine Lösung, da zwar die wirksame Empfängerfläche vergrößert, aber neben dem bereits genannten Justageproblemen der Feldwinkel evtl. ungewollt eingeschränkt wird.
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Die Eigenkapazität und damit auch die Zeitkonstante der Empfangsbauelemente nehmen aber mit wachsender fotoempfindlicher Fläche ebenfalls zu, so dass die Flanken der o. g. Rechtecksignale zunehmend verschliffen werden, bzw. sehr kurze Laserimpulse nicht mehr ausgewertet werden können.
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Aus der
DE19758355A1 ist eine PIN-Fotodiode bekannt, bei der zwischen der P-Schicht und der N-Schicht der Fotodiode eine eigenleitende I-Schicht eingebracht ist, um die Fotodiodenkapazität zu verringern. Eine vielfach eingesetzte PIN-Fotodiode ist von der Fa. Osram unter der Bezeichnung BPW 34 erhältlich. Diese weist bei einer Empfängerfläche von 7 mm
2 ohne äußere Spannung eine Kapazität von 72 Picofarad auf, was in Kombination mit einem Arbeitswiderstand von 10 kΩ eine Zeitkonstante von ca. 0,72 μs ergibt. Ein Rechtecksignal mit einer Pulslänge von 1 μs würde dadurch in ein Dreieckssignal umgewandelt. Erst bei einer Pulslänge von ca. 5 μs würde das Rechtecksignal mit annähernd mit voller Amplitude übertragen, was für ein Rechtecksignal mit dem Tastverhältnis 1:1 eine maximale Übertragungsfrequenz von ca. 100 Kilohertz zur Folge hat.
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Der Nachteil des bekannten Standes der Technik besteht darin, dass bei der Auswahl eines Fotoempfängers ein Kompromiss zwischen der Größe seiner lichtempfindlichen Fläche und der proportional zu dieser Fläche ansteigenden Eigenkapazität eingegangen werden muss. Die Vergrößerung der Eigenkapazität führt zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Zeitkonstanten und letztlich dazu, dass hochfrequente Signale, kurze Sendepulse von Laserdioden oder sehr schnelle Änderungen von Messgrößen nicht mehr erfasst werden können. Eine für sehr hohe Frequenzen notwendigerweise kleine lichtempfindliche Fläche führt auch bei einem guten Signal-Rausch-Verhältnis, welches ohne weiteres eine entsprechende Verstärkung erlauben würde, zwangsläufig zu Justageproblemen, denn das Licht muss nicht nur auf die kleine fotoempfindliche Fläche fokussiert, sondern auch dauerhaft dort gehalten werden, was neben dem Justageaufwand bei der Fertigung nicht nur die Optik, sondern auch die Mechanik verteuert.
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Aus der Literatur ist bekannt, die an einem Quellenausgang wirksame Reaktanz durch einen Negativ-Impedanzkonverter NIC zu kompensieren, indem man ihr Komplement, d. h. die gleiche Reaktanz mit umgekehrtem Vorzeichen erzeugt. Hierbei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Kapazität, eine Induktivität, einen Widerstand oder einen aus diesen Komponenten bestehenden passiven Zweipol handelt.
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Negativ-Impedanzkonverter, auch als Negatron oder NIC bekannt, erzeugen einen negativen Widerstand, und sind somit zur Kompensation von ohmschen oder komplexen Widerständen, also auch von Kapazitäten, geeignet.
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Es ist bekannt, die Grundkapazität (Vorbedämpfung) von kapazitiven Sensoren durch ein Negatron weitgehend zu kompensieren, was die Empfindlichkeit des Sensors erheblich steigert.
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Das geschieht vorzugsweise mit einem als stromumkehrenden Nagativ-Impedanzkonverter arbeitenden Operationsverstärker, der entweder parallel zum eigentlichen Verstärker angeordnet oder auch direkt in den Signalpfad eingefügt werden kann. Im letzteren Fall bildet er sowohl die Verstärkerimpedanz, bzw. Reaktanz, als auch das Verstärkerelement. Der Verstärkung sind in diesem Fall allerdings gewisse Grenzen gesetzt, da die Kompensationsbedingung auch noch erfüllt werden muss.
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Der eben beschriebene Negativ-Impedanzkonverter NIC kann nicht ohne Weiteres für optische Sensoren verwendet werden, da Fremdlicht entweder zur Sättigung der Fotodiode oder bei Ableitung durch eine ohmsche oder induktive Arbeitsimpedanz zu einer deutlichen Verschlechterung der Fotoempfindlichkeit führen würde. Dieser Effekt verschärft sich mit der angestrebten Vergrößerung der Fotoempfängerfläche, das Fremdlicht ebenfalls proportional zunimmt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor für die Automatisierungstechnik anzugeben, der auch bei einer großen fotoempfindlichen Fläche eine hohe Grenzfrequenz erlaubt. Dadurch wird es möglich, die Empfängerfläche des Fotoempfängers entsprechend den o. g. Kriterien anzupassen, ohne dabei deren Kapazität berücksichtigen zu müssen.
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Deshalb besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, einen für Fotoempfänger, insbesondere Fotodioden, aber auch Fototransistoren in einem optischen Sensor geeigneten Negativ-Impedanzkonverter NIC anzugeben, der neben der Kompensation der Quellenreaktanz auch für eine wirksame Tageslicht- bzw. Fremdlichtunterdrückung sorgt. Unter einem Fotoempfänger soll hier ein Strahlungsempfänger, dessen Empfangsbereich nicht auf sichtbares Licht beschränkt ist, nebst der zugehörigen Sensorelektronik verstanden werden. Wie weiter unten ausgeführt wird, kann die Sensorelektronik auch eine Treiberschaltung für ein Sendebauelement, wie eine LED oder eine Laserdiode beinhalten.
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Anwendung kann die Erfindung bei optischen Positionssensoren wie Lichtschranken, Lichtgittern, Winkelgebern, Reflexlichtschranken und Lichttastern, aber auch in Laufzeitsensoren und in der optischen Datenübertragung finden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, neben der Kompensation der Fotoempfängerkapazität auch für die Ableitung störender Fremdlichtströme (Umgebungslicht) zu sorgen. Dazu wird der Negativ-Impedanzkonverter NIC mit einer Regelschaltung kombiniert, die unerwünschten Fotoströme unterdrückt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a Optischer Sensor in stark schematisierter Darstellung
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1b Zeitdiagramm des Signalverlaufs in einem optischen Sensor gemäß 1a.
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2 Erfindungsgemäße Beschaltung einer in Sperrrichtung betriebenen Fotodiode
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2a NIC mit höherer Verstärkung für eine in Sperrrichtung betriebene Fotodiode
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3 Erfindungsgemäße Beschaltung einer als Fotoelement betriebenen Fotodiode
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4 Erfindungsgemäße Beschaltung eines Fototransistors
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5 Erfindungsgemäße Beschaltung eines optischen Winkelgebers
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6 Erläuterung der Wirkungsweise des Negativ Impedanzkonverters
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6a Negativ Impedanzkonverter aus 6 mit höherer Verstärkung
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1a zeigt den Signalverlauf in einem erfindungsgemäßen optischen Sensor. Der Lichtsender LED wird der mit einem idealen Rechtecksignal angesteuert. Über die Senderlinse L1 und die Empfängerlinse L2 wird das Licht auf den Fotoempfänger, in diesem Fall eine Fotodiode, gelenkt und erzeugt dort den Fotostrom Iph.
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1b zeigt den Einfluss der Fotodiodenkapazität für ein ideales Rechtecksignal anhand von zwei verschiedenen Zeitkonstante τ und τ/10.
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Das in 1a gezeigte Ersatzschaltbild der Fotodiode besteht aus einer idealen Stromquelle Iph, dem Bahnwiderstand RB, der Sperrschichtkapazität Cp, sowie einem extremen Lastwiderstand RL. Der Bahnwiderstand RB und die Sperrschichtkapazität Cp bilden einen Tiefpass mit der Zeitkonstante τ. τ = RB·Cp (1)
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Die Spannung am Kondensator Cp folgt den bekannten Formeln für die steigende Flanke U(t) = const·exp(t/τ) (2) und für die fallende Flanke U(t) = const.·(1 – exp(t/τ)) (3)
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Nach Ablauf der Zeit τ wird ca. 63% der Maximalspannung erreicht, nach 2,3 τ sind es 90% und nach 4,6 τ sind es 99%. Wie man sieht, wird ein Recheckimpuls mit einer Länge von T/2 = 4τ bereits erheblich verformt. Bei weiterer Verkürzung des Sendepulses würde ein Dreieckssignal entstehen.
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Die Verkleinerung der Zeitkonstante auf 10% ihres ursprünglichen Wertes führt zu einer erheblichen Verbesserung des Übertragungsverhaltens.
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In 2 wird der wohl am häufigsten vorkommende Anwendungsfall mit einer in Sperrrichtung betriebenen Fotodiode FD gezeigt.
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Die Kathode der Fotodiode liegt am Pluspol der Betriebsspannung. Der parallel eingezeichnete Kondensator Cp repräsentiert ihre Sperrschichtkapazität.
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Der Operationsverstärker OPV1 ist ein nichtinvertierender Verstärker mit der Verstärkung Vu = R3/R2 + 1. Wegen der Dimensionierung R2 = R3 und C1 = Cp ergibt sich eine Eingangskapazität von –Cp (siehe weiter unten in Gleichung 4).
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Damit arbeitet er auch als Negativ-Impedanzkonverter. Der Verstärkungsfaktor dieser Anordnung beträgt wegen der Dimensionierung R2 = R3 nur 2 = (1 + R3/R2). Die Fotodiodenkapazität Cp wird zumindest theoretisch vollständig kompensiert. Höhere Verstärkungsfaktoren sind realisierbar, erfordern aber eine proportional verkleinerte und damit schwerer beherrschbare Kompensationskapazität C1. Dieses Problem wird in der in 2a gezeigten Ausgestaltung der Erfindung gelöst.
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Wegen der kompensierten Fotodiodenkapazität Cp ist diese Anordnung nun für die Verarbeitung schneller optischer Signale geeignet.
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Der Operationsverstärker OPV2 dient zur Fremdlichtkompensation. Wenn die Spannung am Ausgang A ansteigt, so sinkt sie Ausgang von OPV2 und über R1 fließt Fotostrom gegen Masse ab. Das Verhältnis von R5 zu R4 bestimmt den Verstärkungsfaktor. Der Kondensator C5 und der Widerstand R4 bestimmen die Zeitkonstante, so dass schnelle (Nutz-)Signale nicht beeinflusst werden. Im Ergebnis wird der Mittelwert der Spannung am nichtinvertierenden Verstärkereingang von OPV1 auf 0 Volt geregelt. Der OPV2 kann auch ohne den Widerstand R5 betrieben werden. In diesem Fall arbeitet er als Komparator. Sein nichtinvertierender Eingang liegt an Masse. In diesem Fall wird Tageslicht (Gleichlicht) vollständig kompensiert.
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Zur Kompensation von Glühlampen (100 Hz) oder Leuchtstofflampen muss R5 in Abhängigkeit von C5 entsprechend dimensioniert werden.
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R1 dient als Arbeitswiderstand für die Fotodiode. Er liegt mit seinem unteren Ende an der sich in Abhängigkeit vom Fremdlicht ändernden Ausgangsspannung von OPV2. Die Tageslichtunterdrückung stellt somit eine „langsame” Gegenkopplung dar.
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Wenn der R1 ein rein ohmscher Widerstand ist, erreicht man einen linearen Frequenzgang und die Dimensionierung der Schaltung wird sehr einfach.
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Das Interessante an einem Fotoempfänger mit NIC ist seine große Bandbreite und der weitgehend lineare Frequenzgang. Die Schaltung damit besonders für die Anwendung in der Spreizspektrumtechnik (Spread-Spectrum) mit ihrem hohen Prozessgewinn zum Empfang von schwachen optischen Signalen bei Anwesenheit von schmalbandigen Störquellen geeignet. Insbesondere lässt sich die Paketierbarkeit von optischen Sensoren mit dieser Technik verbessern.
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In der 2a ist ein Negativ-Impedanzkonverter mit höherer Verstärkung dargestellt. Im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers OPV1 befindet sich ein aus den Kapazitäten C1 und n·C1 bestehender kapazitiver Spannungsteiler. Das Ausgangssignal wird so um den Verstärkungsfaktor des NIC heruntergeteilt. Da für den Verstärkungsfaktor Vu = n + 1 = 1 + R3/R2 gilt, erscheint am Eingang des NIC trotz (n + 1)-facher Verstärkung des negative Äquivalent von Cp. Für die Teilerkapazitäten C1 und n·C1 sind Kondensatoren mit gleichem Temperatur- und Frequenzgang zu verwenden. Diese Betrachtung gilt natürlich nur für den unbelasteten kapazitiven Spannungsteiler. C1 ist entsprechend groß zu wählen. Andernfalls ist die Belastung durch Cp zu berücksichtigen. Sonst entspricht die Schaltung der 2.
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In der Praxis wird man die Verstärkung eher etwas geringer als n + 1 wählen, damit die Schaltung bei den üblichen Bauteiletoleranzen stabil bleibt.
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In der 3 arbeitet die Fotodiode als Fotoelement. Ihre Kapazität ist hier wegen der fehlenden Vorspannung sehr hoch. Hier ist der OPV2 besonders wichtig, weil nur bei angepasstem Lastwiderstand mit einem verwertbaren Signal zu rechen ist.
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Bei einem zu hochohmigen Lestwiderstand lädt sich die Fotodiode auf ihre charakteristische Fotospannung auf, es kommt zu einer Spannungs-Begrenzung und die Fotodiode ist damit für die Signalgewinnung unbrauchbar.
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In 4 besteht der Empfänger aus einem Fototransistor, dessen Basis mit dem Spannungsteiler R9/R9 auf die halbe Betriebsspannung eingestellt wird. Seine Kapazität wird stark vereinfacht durch Cp symbolisiert. Ansonsten arbeitet die Schaltung wie in der 3 beschrieben.
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In 5 wird eine für einen Drehgeber, aber auch für Lichtschranken geeignete Anordnung gezeigt. Dieser Aspekt der Erfindung wird ggf. als Teilanmeldung weiterverfolgt.
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Hier wird der gewünschte Empfangspegel über den Sendestrom der LED mit dem OPV2 geregelt. So kann die Alterung der LED's kompensiert werden. Der damit verbundene Verlust der Fremdlichttauglichkeit spielt beispielsweise in einem gekapselten optischen Drehgeber keine Rolle.
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Die beiden LED werden von OPV2 über R6 bestromt. Wenn der Fotostrom steigt, sinkt das Potential am nichtinvertierenden Eingang von OPV2. Damit steigt seine Ausgangsspannung in Richtung +Ub, die Spannung am R6 nimmt ab und der Sendestrom der LED sinkt. Über die Kombination C5/R5 werden die Schleifenverstärkung und die Zeitkonstante des Regelkreises eingestellt.
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Die beiden Fotodioden werden über ihren Arbeitswiderstand R1 mit Strom versorgt. Der Fotostrom wird mit dem Spannungsteiler R7, R7' am Eingang des OPV2 über die beiden LED eingestellt. Weil die Fotodioden FD wechselstrommäßig parallel geschaltet sind, ist die zweifache Kapazität 2Cp zu kompensieren. Deshalb wurde C1 = 2CP gewählt.
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Der Rotor B symbolisiert den Dreh- oder Winkelgeber, der die beiden optischen Pfade abschnürt, ganz unterbricht bzw. wieder frei gibt.
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Beispielsweise könnte der Rotor mit einem spiralförmig geschlitzten (schneckenförmigen) Blende B versehen sein, der beim Drehen die Lichtverteilung zwischen den beiden Fotodioden FD verändert. So könnte man Winkel bis in die Nähe von 360° messen.
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Mit zwei weiteren Fotodioden ist es möglich, mit mechanisch um 90° oder 180° versetzten Spiralen zu arbeiten, um einen über 360° hinausgehenden Winkelbreich zu überstreichen. Ein exzentrischer Ring kann hierbei als Schlitzblende dienen.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen (2 bis 5) ist der Negativ-Impedanzkonverter direkt in den Strompfad eingefügt, d. h. er dient gleichzeitig auch als Verstärker. Eine Anordnung parallel zum Signalpfad wäre durchaus realisierbar, würde allerdings einen weiteren Operationsverstärker erfordern.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele auf Doppel-Operationsverstärker zugeschnitten sind, d. h. OPV1 und OPV2 befinden sich in einem Gehäuse. Deshalb wurde jeweils nur ein OPV mit der Stromversorgung +Ub und –Ub verbunden.
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Die Funktionsweise des Negativ-Impedanzkonverters NIC in der erfindungsgemäßen Anordnung soll anhand der 6 näher erläutert werden. Im Wesentlichen besteht er aus dem nichtinvertierenden Operationsverstärker OPV. Mit dem Spannungsteiler R/R wird eine Verstärkung von 2 eingestellt. Die zu kompensierende Impedanz Z wird als Mitkopplung vom Ausgang auf den nichtinvertierenden Eingang geführt.
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Die von der Wechselspannungsquelle G erzeugte Spannung wird über die Impedanz Z in den nichtinvertierenden Eingang des OPV eingespeist. Hier wird sie mit dem Verstärkungsfaktor 2 verstärkt und über die gleiche Impedanz Z phasengleich auf den nichtinvertierenden OPV-Eingang und damit auch auf die Quellimpedanz Z zurückgeführt. Der resultierende Eingangswiderstand der Anordnung ergibt sich als Quotient von Eingangsspannung und Eingangsstrom am OPV-Eingang zu ZIn = Uein/(Iein – 2Iein) = –Z (4)
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Wenn es gelingt, den zu kompensierenden komplexen Widerstand durch den Zweipol Z eventuell durch das gleiche Bauelement exakt nachzubilden, können beliebige Impedanzen zumindest theoretisch für alle Frequenzen kompensiert werden. Eine Überkompensation führt aber zu Schwingneigung, so dass dieser Fall praktisch nicht erreicht wird. Insbesondere müssen die Toleranzen der Bauteile sowie deren Temperaturgänge berücksichtigt werden.
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In der 6a wird der Negativ-Impedanzkonverter mit höherer Verstärkung noch einmal verdeutlicht. Wie man sieht, wird der komplexe Widerstand Z mit einem Spannungsteiler aus komplexen Widerständen kompensiert. Der komplexe Kompensationswiderstand hat auch hier den gleichen Wert wie der zu kompensierende Widerstand Z. Auch bezüglich Temperatur und Frequenzgang soll er bestmöglich angepasst werden.
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Am Ausgang des Spannungsteilers steht das Ausgangssignal mit der zur Kompensation des komplexen Widerstandes Z erforderlichen Amplitude an. Wie bereits oben erwähnt, ist die Belastung des aus Z1 und n'Z1 bestehenden Spannungsteilers zu berücksichtigen.
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Die Erfindung zeigt einen optischen Sensor mit einem Lichtsender und einem mit einer Kapazität behafteten Fotoempfänger, dessen Kapazität Cp durch eine elektronische Schaltung im Idealfall vollständig kompensierbar ist. Diese Schaltung weist einen Negativ-Impedanzkonverter (NIC) zur Kompensation der Eigenkapazität des Fotoempfängers und einen Komparator und Integrator zur Ableitung von störendem Gleichlicht bzw. niederfrequenten Fremdlichtanteilen auf. Hierzu ist der Ausgang des als Komparator und Integrator arbeitenden Verstärkers mit dem Arbeitswiderstand R1 des Fotoempfängers verbunden.
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Auf diese Weise lassen sich trotz relativ großer Eigenkapazität des Fotoempfängers auch hochfrequente Signale und Signale mit steilen Schaltflanken verarbeiten. Es ist vorteilhaft, den Negativ-Impedanzkonverter im Signalpfad anzuordnen, und somit seine Verstärkereigenschaften doppelt zu nutzen.
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Zur Unterdrückung von Störlicht wird „überschüssiger” Fotostrom durch einen frequenzabhängigen Arbeitswiderstand abgeleitet.
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Hierbei wird der Mittelwert der vom Fotostrom über dem Arbeitswiderstand R1 hervorgerufenen Spannung mit einer entsprechend „langsamen” Zeitkonstante mit einem Komparator/Integrator KI auf einen durch eine Komparatorspannung vorgegeben Soll-Wert geregelt.
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In einer vorteilhafen Ausgestaltung mit zwei Operationsverstärkern wird der erste Operationsverstärker als nicht invertierender Verstärker geschaltet, ein der zu kompensierenden Fotoempfängerkapazität (Cp) entsprechender Kondensator (C1) zwischen Ausgang und nichtinvertierendem Eingang angeordnet, der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OPV2) über einen Widerstand (R4) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OPV1) verbunden und der Arbeitswiderstand (R1) des Fotoempfängers (FD, FT) sowohl mit einem Eingang des ersten Operationsverstärkers (OPV1) als auch mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OPV2 verbunden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht den Einsatz eines Negativ-Impedanzkonverters mit einer Verstärkung größer als 2, ohne die Kompensationsimpedanz proportional zum Verstärkungsfaktor zu verkleinem. Hierzu wird ein aus komplexen Widerständen bestehender Spannungsteiler an den Ausgang des Negativ-Impedanzkonverters angeschlossen und seine Anzapfung mit der zu kompensierenden Impedanz verbunden. Der Teilungsfaktor wird so gewählt, dass er unter Berücksichtigung der Belastung durch die zu kompensierende Impedanz stets unterhalb des Verstärkungsfaktors bleibt.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass man bei Bedarf auch die Eingangskapazität eines Verstärkers auf diese Weise kompensieren kann.
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Bei Kombination mit einem beispielsweise in einem optischen Winkelgeber vorhandenen internen Lichtsender ist es vorteilhaft den Fotostrom über dessen Sendestrom zu regeln. So können nicht nur Verschmutzungen, sondern auch das alterungsbedingte Nachlassen der Sendeleistung der Bauelemente ausgeglichen werden.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung ist nicht auf eindimensionale Systeme mit nur einem Fotoempfänger beschränkt, sondern kann auch in einem ortsauflösenden Sensor mit zellen- oder matrixförmig angeordneten Fotoempfängern oder auch in einem nach dem Lichtlaufzeitprinzip arbeitenden „photonic mixer device” (pmd-Gerät) mit einem oder mehreren Fotoempfängern Anwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Verstärkerausgang
- B
- Blende
- C1
- Kompensationskapazität im NIC
- C5
- Integrationskapazität (Tiefpass)
- C7
- Glättungskondensator
- Cp
- Quellkapazität, Fotodiodenkapazität (zu kompensierende Kapazität)
- FD, FT
- Fotodiode, Fototransistor
- G
- Wechselspannungsquelle
- Iph
- Fotostrom
- KI
- Komparator/Integrator
- L1, L2
- Linsen
- LED
- Lichtemittierdiode, Lichtemitter
- NIC
- Negativ-Impedanzkonverter
- OPV, 1, 2
- Operationsverstärker
- R, R2, R3
- Spannungsteilerwiderstände im NIC
- R1
- Last- bzw. Arbeitswiderstand der Fotodiode (des Fototransistors)
- R4
- Regelungswiderstand für den Mittelwert des Fotostroms (Tiefpass)
- R5
- Gegenkopplungswiderstand des Integrators
- R6
- Vorwiderstand der LED
- R7, R7'
- Spannungsteilerwiderstände
- R8
- Parallelwiderstand zur Fotodiode
- R9
- Basisspannungsteiler des Fototransistors
- RB
- Bahnwiderstand der Fotodiode
- RL
- Lastwiderstand
- SP
- Signalpfad
- T
- Periodenlänge
- t
- Zeit
- τ
- Zeitkonstante
- Ub
- Betriebsspannung
- U(t)
- zeitabhängige Spannung
- Vu
- Verstärkungsfaktor (Spannungsverstärkung)
- Uein, Iein
- Eingangsspannung, Eingangsstrom
- Z
- vom NIC zu kompensierende Impedanz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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