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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optoelektronische Vorrichtungen können insbesondere als
Lichtschranken, Refelektionslichtschranken und Lichttaster ausgebildet sein.
Generell weist eine solche optoelektronische Vorrichtung einen Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden
Empfänger zur Detektion von Objekten im Überwachungsbereich auf. In einer
Auswerteeinheit wird zur Objekterfassung ein binäres Objektfeststellungssignal
generiert und über einen Schaltausgang oder dergleichen ausgegeben. Das
Objektfeststellungssignal weist zwei Schaltzustände auf, welche angeben, ob sich
ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht.
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Hierzu wird in der Auswerteeinheit das analoge Empfangssignal des
Empfängers mit wenigstens einem Schwellwert bewertet. Je nachdem, ob das
Empfangssignal oberhalb oder unterhalb des Schwellwerts liegt nimmt das
Objektfeststellungssignal einen entsprechenden Schaltzustand ein.
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Zur Gewährleistung einer hinreichenden Nachweisempfindlichkeit werden die
Empfangssignale in einer Verstärkereinheit verstärkt, bevor sie mit dem
Schwellwert bewertet werden. Vorzugsweise wird der Verstärkungsfaktor, mit
welchem die Empfangssignale verstärkt werden, mittels eines Potentiometers
eingestellt.
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Diese Einstellung muss derart erfolgen, dass mit der optoelektronischen
Vorrichtung eine hinreichende Ansprechempfindlichkeit erzielt wird. Dies
bedeutet, dass die Empfangssignale derart zu verstärken sind, dass der Schwellwert
zwischen dem Empfangssignalpegel bei freiem Strahlengang einerseits und bei
einem Objekteingriff andererseits liegen muss, da ansonsten mit diesem
Schwellwert keine korrekte Generierung der Schaltzustände des
Objektfeststellungssignals erfolgen kann.
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Nachteilig bei derartigen Potentiometern ist, dass mit diesen eine lineare
Kennlinie des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit des am Potentiometer
manuell vorgebbaren Einstellvorgabewerts erhalten wird.
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Da die Intensität der vom Sender emittierenden Sendelichtstrahlen eine zum
Abstand zur optoelektronischen Vorrichtung reziproke Abhängigkeit aufweist,
wirken sich Abstandsänderungen von zu detektierenden Objekten im
Nahbereich erheblich stärker auf die Signalamplitude des Empfangssignals aus als
Abstandsänderungen von zu detektierenden Objekten im Fernbereich. Durch
die lineare Kennliniencharakteristik des Potentiometers entsteht das Problem,
dass kleine Änderungen des Einstellvorgabewerts große Pegeländerungen bei
Empfangssignalen von Objekten im Nahbereich bewirken.
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Dadurch ist in diesem Bereich eine Pegeleinstellung der verstärkten
Empfangssignale mit großen Ungenauigkeiten behaftet. Dies erschwert in unerwünschter
Weise eine exakte Einstellung der Ansprechempfindlichkeit der
optoelektronischen Vorrichtung welche Voraussetzung für eine sichere Objektdetektion ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher eine reproduzierbare
und genaue Einstellung der Ansprechempfindlichkeit durchführbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von
Objekten in einem Überwachungsbereich weist einen Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf,
dessen Empfangssignale in einer Verstärkereinheit mit einem
Verstärkungsfaktor verstärkt und anschließend einer Auswerteeinheit zur Generierung eines
Objektfeststellungssignals zugeführt werden. Zur Einstellung des
Verstärkungsfaktors sind wenigstens zwei Einstellelemente vorgesehen sind, wobei
mittels des ersten Einstellelements manuell ein Einstellvorgabewert für den
Verstärkungsfaktor vorgebbar ist, mittels dessen ein Ansteuersignal für das
zweite Einstellelement generiert wird. Zur Generierung einer nicht linearen
Kennlinie des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit des Einstellvorgabewerts
wird im zweiten Einstellelement in Abhängigkeit des Ansteuersignals ein
Einstellsignal zur Vorgabe des Verstärkungsfaktors generiert.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass das von dem ersten
Einstellelement generierte Ausgangssignal nicht unmittelbar zur Einstellung des
Verstärkungsfaktors zur Verstärkung der Empfangssignale des Empfängers
eingesetzt wird.
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Anstelle dessen dient das Ausgangssignal des ersten Einstellelements zur
Generierung eines Ansteuersignals für das zweite Einstellelement, dessen
Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor vorgibt.
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Dadurch wird eine nichtlineare, vorzugsweise quadrate Abhängigkeit des
Verstärkungsfaktors von dem am ersten Einstellelement manuell vorgebbaren
Einstellvorgabewert erhalten. Dies führt dazu, dass im unteren Einstellbereich des
Einstellvorgabewertes eine vorgegebene Änderung des Einstellvorgabewerts
eine geringere Änderung des Verstärkungsfaktors bewirkt als im oberen
Einstellbereich.
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Dadurch erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation der
Distanzabhängigkeit der Empfangssignale der optoelektronischen Vorrichtung. Da die
Lichtintensität der von dem Sender emittierenden Sendelichtstrahlen umgekehrt
proportional zum Quadrat der Distanzen zur optoelektronischen Vorrichtung ist,
nehmen die Amplituden der Empfangssignale entsprechend mit steigender
Objektdistanz ab. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei geringen Objektdistanzen
kleine Abstandsänderungen überproportional große Signaländerungen der
Empfangssignale bewirken. Mittels der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Vorrichtung wird auch in diesem Nahbereich eine genaue Einstellung des
Verstärkungsfaktors und damit der Amplituden der verstärkten Empfangssignale
gewährleistet, da durch die nichtlineare Kennlinie des Verstärkungsfaktors in
Abhängigkeit des Einstellvorgabewerts im unteren Einstellbereich des
Einstellvorgabewerts Änderungen in der manuellen Einstellung des
Einstellvorgabewerts erheblich kleinere Änderungen des Verstärkungsfaktors als im oberen
Einstellelement bewirken.
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Dadurch wird erreicht, dass über den gesamten Bereich des
Einstellvorgabewerts eine genaue Vorgabe des Verstärkungsfaktors und damit der
Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen Vorrichtung erzielt wird.
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Das erste Einstellelement ist vorzugsweise von einem Potentiometer gebildet,
an welchem der Einstellvorgabewert manuell vorgebbar ist. Das zweite
Einstellelement besteht vorzugsweise aus einem Bipolar-Transistor, einem
Feldeffekt-Transistor oder einem Varistor. Die Verstärkereinheit weist
zweckmäßigerweise einen einzelnen Verstärker zur Verstärkung der Empfangssignale auf.
Prinzipiell sind auch Mehrfachanordnungen von Verstärkern denkbar.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl das erste als auch
das zweite Einstellmittel an der Ausgangsseite des Verstärkers geschaltet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist nur das
erste Einstellmittel an der Ausgangsseite des Verstärkers geschaltet, während
das zweite Einstellmittel an der Eingangsseite des Verstärkers angeordnet ist.
Dabei übernimmt das zweite Einstellmittel die Funktion eines
Arbeitswiderstands für den an den Eingang des Verstärkers angeschlossenen Empfänger.
Der Arbeitswiderstand dient dazu, den im Empfänger als Empfangssignal
generierten Fotostrom in eine Empfangsspannung für den Verstärkter umzusetzen.
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Da das zweite Einstellmittel vom ersten Einstellmittel angesteuert wird, bildet
das zweite Einstellmittel einen variablen Arbeitswiderstand für den Empfänger.
Dadurch wird verhindert, dass der Verstärker bei großen Fotoströmen
übersteuert, wodurch Signalverfälschungen und damit gegebenenfalls Fehler bei der
Objekterfassung vermieden werden.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass
bei dieser auf einfache Weise eine hohe Störsicherheit gegen
elektromagnetische Störeinflüsse, d. h. eine hohe EMV-Sicherheit erhalten werden kann.
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Das zweite Einstellelement bildet an der Eingangsseite des Verstärkers das
einzige EMV-empfindliche Element der Schaltungsanordnung der
optoelektronischen Vorrichtung, da dieses auf die nicht verstärkten Empfangssignale des
Empfängers einwirkt. Da dieses Einstellelement von einem Transistor oder
Varistor gebildet ist, welcher eine geringe Baugröße aufweist, kann dieses ohne
großen Aufwand zum Schutz gegen elektromagnetische Störeinstrahlungen
abgeschirmt werden.
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Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
optoelektronischen Vorrichtung mit einem Sender und einem
Empfänger.
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Fig. 2 Empfangssignalverläufe am Ausgang des Empfängers der
optoelektronischen Vorrichtung für unterschiedliche
Verstärkungen des Empfangssignals.
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Fig. 3 Erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkereinheit für die
optoelektronische Vorrichtung gemäß Fig. 1.
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Fig. 4 Verstärkerkennlinie der Verstärkereinheit gemäß Fig. 3.
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Fig. 5 Zweites Ausführungsbeispiel einer Verstärkereinheit für die
optoelektronische Vorrichtung gemäß Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer als Reflektionslichtschranke
ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtung 1. Prinzipiell kann die
optoelektronische Vorrichtung 1 auch als Lichtschranke oder als Lichttaster ausgebildet
sein.
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Die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 weist einen
Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4
empfangenden Empfänger 5 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 6 integriert
sind. Der Sender 3 besteht aus einer Leuchtdiode, der Empfänger 5 ist von
einer Fotodiode gebildet. Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 2 kann dem
Sender 3 eine nicht dargestellte Senderoptik nachgeordnet sein. Zur
Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4 auf den Empfänger 5 ist diesem
zweckmäßigerweise eine ebenfalls nicht dargestellte Empfangsoptik vorgeordnet. Die
Sendelichtstrahlen 2 und die Empfangslichtstrahlen 4 sind durch ein Fenster 7
in der Frontwand des Gehäuses 6 geführt.
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Mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 erfolgt eine Erfassung von
Objekten 8 in einem Überwachungsbereich. Der Überwachungsbereich ist von
einem Reflektor 9 begrenzt. Bei freiem Strahlengang treffen die
Sendelichtstrahlen 2 auf den Reflektor 9 und werden von diesem als
Empfangslichtstrahlen 4 zum Empfänger 5 geführt. Bei einem Objekteingriff in den
Überwachungsbereich werden die Sendelichtstrahlen 2 vom Objekt 8 als
Empfangslichtstrahlen 4 zurück zum Empfänger 5 geführt.
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Die auf den Empfänger 5 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 4 generieren
dort analoge Empfangssignale in Form von Fotoströmen IF.
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Diese werden in einer Verstärkereinheit 10 in Spannungssignale umgesetzt,
wobei diese mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt werden. Der
Verstärkungsfaktor kann von einer Bedienperson an einem Bedienelement 11
vorgegeben werden. Diese verstärkten Empfangssignale werden als
Ausgangssignale Ua in eine Auswerteeinheit 12 eingelesen, die von einem
Microcontroller oder dergleichen gebildet ist.
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In der Auswerteeinheit 12 wird aus den verstärkten Empfangssignalen ein
binäres Objektfeststellungssignal generiert, welches über einen an die
Auswerteeinheit 12 angeschlossenen Schaltausgang 13 ausgebbar ist. Zur Generierung des
Objektfeststellungssignals wird das analoge, verstärkte Empfangssignal mit
wenigstens einem Schwellwert S bewertet. Liegt das Empfangssignal oberhalb
des Schwellwerts S so nimmt das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand
"freier Strahlengang" ein. Liegt das Empfangssignal unterhalb des
Schwellwerts S, so nimmt das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand "Objekt
vorhanden" ein.
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Um bei geringen Signalschwankungen des Empfangssignals ein unnötiges
Wechseln des Schaltzustandes des Objektfeststellungssignals zu vermeiden
wird vorteilhaft das analoge, verstärkte Empfangssignal mit zwei eine
Schalthysterese bildenden Schwellwerten bewertet.
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Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist durch Vorgabe des Verstärkungsfaktors in
der Verstärkereinheit 10 die Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen
Vorrichtung 1 in geeigneter Weise einzustellen, um eine sichere
Objektdetektion zu gewährleisten.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich liegen die verstärkten Empfangssignale bei einem
ersten Wert V1 des Verstärkungsfaktors sowohl bei freiem Strahlengang (E1)
als auch bei einem Objekteingriff (E2) oberhalb des Schwellwerts S. Die vom
Reflektor 9 gerichtet zurückreflektierenden Empfangslichtstrahlen 4 generieren
dabei ein höheres Empfangssignal E1 als die von einem Objekt 8 diffus
reflektierten Empfangslichtstrahlen 4 (E2).
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Da in diesem Fall beide Empfangssignale E1, E2 oberhalb des Schwellwerts S
liegen, ist mit diesem keine Unterscheidung von Empfangssignalen bei freiem
Strahlengang und bei Objekteingriffen möglich.
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Durch Verändern des Verstärkungsfaktors vom Wert V1 auf den Wert V2
werden die Amplituden der Empfangssignale bei freiem Strahlengang auf den Wert
E1' reduziert, der dicht oberhalb des Schwellwerts S liegt. Dementsprechend
liegen die Empfangssignale E2' bei Objekteingriffen unterhalb des
Schwellwerts so dass mittels des Schwellwerts S eine sichere Objektdetektion
gewährleistet ist. Die Höhe des Signals E2' hängt jeweils von dem Abstand des
Objektes und der Reflektivität der Objektoberfläche ab. In jedem Fall liegt E2'
unterhalb des Pegels bei freiem Strahlengang. Der Abstand zwischen dem
Pegel des Empfangssignals bei freiem Strahlengang (Er) und dem Schwellwert S
definiert im Wesentlichen die Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen
Vorrichtung 1, die mittels der Verstärkereinheit 10 durch Einstellung des
Verstärkungsfaktors vorgebbar ist.
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Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verstärkereinheit 10 der
optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1. Der das Empfangssignal
bildenden Fotostrom IF wird über einen Arbeitswiderstand R1 in eine Spannung
U1 umgesetzt, welche auf einen Eingang eines Verstärkers 14 geführt ist. Der
Verstärker 14 verstärkt die Spannung U1, wobei die Ausgangsspannung U2
einer Schaltungsanordnung zur Generierung eines variablen
Verstärkungsfaktors zur Erzeugung des Ausgangssignals Ua zugeführt wird. Der Verstärker 14
ist durch einen Kondensator C1 von dieser Schaltungsanordnung galvanisch
getrennt.
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Diese Schaltungsanordnung weist als erstes Einstellelement 15 ein
Potentiometer auf. Das Potentiometer umfasst das Bedienelement 11, an welchem
manuell ein Einstellvorgabewert einstellbar ist. Bei analog arbeitenden
Potentiometern kann das Bedienelement 11 von einem Drehknopf gebildet sein. Im
vorliegenden Fall ist das erste Einstellelement 15 von einem digitalen E2-
Potentiometer mit einem entsprechenden digitalen Bedienelement gebildet. Das
Potentiometer umfasst weiterhin einen einstellbaren Potentiometer-Widerstand
R2, wobei die Einstellung des Widerstandswertes durch den manuell
eingebbaren Einstellvorgabewert vorgegeben ist. Der Widerstandswert variiert linear mit
dem Einstellvorgabewert.
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Der Potentiometer-Widerstand R2 bildet einen Spannungsteiler für die
Ausgangsspannung U2 des Verstärkers 14. Eine Konstantstromquelle 16 dient zur
Stabilisierung der Ausgangsspannung U2. Dabei überlagert die
Konstantstromquelle 16 der Ausgangsspannung U2 einen Gleichspannungsanteil, der
ebenfalls an dem den Spannungsteiler bildenden Potentiometer-Widerstand R2
geteilt wird.
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Das geteilte Spannungssignal U4 wird über einen Kondensator C2, welchem
ein Widerstand R3 nachgeordnet ist, weitergeleitet. Der in U4 enthaltene
Gleichspannungsanteil wurde durch einen Tiefpass 17 herausgefiltert und zur
Ansteuerung eines zweiten Einstellelements 18 verwendet. Das zweite
Einstellelement 18 kann von einem Bipolar-Transistor, einem Feldeffekt-
Transistor oder einem Varistor gebildet sein.
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Mittels dieser Schalteranordnung wird eine nichtlineare Abhängigkeit des
Ausgangsignals Ua der Verstärkereinheit 10 von dem manuell vorgegebenen
Einstellvorgabewert erhalten. Fig. 4 zeigt schematisch die Kennlinie für die
Verstärkereinheit 10 gemäß Fig. 3. Das Ausgangssignal Ua der Verstärkereinheit
10, d. h. das in einer Verstärkereinheit 10 verstärkte Empfangssignal, ist im
Wesentlichen proportional zum Quadrat des Einstellvorgabewerts, der in Fig.
4 mit E bezeichnet ist.
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Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Verstärkereinheit 10 für die
optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1. Der Aufbau dieser
Verstärkereinheit 10 entspricht weitgehend der Verstärkereinheit 10 gemäß Fig. 3,
wobei entsprechende Bauteile jeweils mit denselben Bezugsziffern bezeichnet
sind.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist bei der
Verstärkereinheit 10 gemäß Fig. 5 das zweite Einstellelement 18 nicht an der
Ausgangsseite sondern an der Eingangsstufe des Verstärkers 14 vorgesehen. Das
zweite Einstellelement 18 ersetzt dabei den Arbeitswiderstand R1 gemäß Fig.
3, welcher den Fotostrom IF in die Spannung U1 umsetzt.
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Die im Verstärker 14 generierte Spannung wird wiederum über den
Potentiometer-Widerstand R2 des ersten Einstellelements 15 geteilt. Die geteilte
Spannung U4 wird analog zu der Ausführungsform gemäß Fig. 3 über den Tiefpass
17 als Ansteuersignal dem zweiten Einstellelement 18 zugeführt.
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Das erste und zweite Einstellelement 15, 18 sind identisch zu der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 ausgebildet.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel übernimmt das zweite Einstellelement 18
die Funktion eines variablen Arbeitswiderstandes R1 am Eingang des
Verstärkers 14, wobei das erste Einstellelement 15 das zweite Einstellelement 18
ansteuert. Dadurch werden Übersteuerungen des Verstärkers 14 und damit
verbundene Signalverfälschungen des Empfangssignals bei dessen Verstärkung
vermieden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bildet das zweite Einstellelement
18 an der Eingangsseite des Verstärkers 14 das einzige EMV-kritische Bauteil.
Durch Schirmung des zweiten Einstellelements 18 können EMV-Störungen auf
einfache Weise verhindert werden. Eine Schirmung des das erste
Einstellelement 15 bildenden Potentiometers ist im Gegensatz zu herkömmlichen
Verstärkereinheiten 10, die nur mit einem Potentiometer zur Vorgabe des
Verstärkungsfaktors arbeiten, nicht notwendig.
Bezugszeichenliste
1 Optoelektronische Vorrichtung
2 Sendelichtstrahlen
3 Sender
4 Empfangslichtstrahlen
5 Empfänger
6 Gehäuse
7 Fenster
8 Objekt
9 Reflektor
10 Verstärkereinheit
11 Bedienelement
12 Auswerteeinheit
13 Schaltausgang
14 Verstärker
15 Erstes Einstellelement
16 Konstantstromquelle
17 Tiefpass
18 Zweites Einstellelement
C1 Kondensator
C2 Kondensator
R1 Arbeitswiderstand
R2 Potentiometer-Widerstand
R3 Widerstand