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Schaltungsanordnung für mehrere Lichtschranken In der Zähl- und Sortiertechnik,
z. B. zur Paketzählung im Postbetriebsdienst, werden zahlreiche Lichtschrankenanordnungen
verwendet. Die Impulse dieser über eine große Fläche verteilten Lichtschranken werden
einem zentralen Zählgestell zugeführt, in welchem jeder Lichtschranke ein sogenannter
Zähleinschub zugeordnet ist. Diese Zähleinschübe besitzen neben einem Impulsempfangsrelais
einen elektromagnetischen Zähler für die Paketzählung; für die zugeordnete Lichtschranke
ist eine eigene Stromversorgung im Zähleinschub vorhanden.
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Die Lichtschranken bestehen aus einem Lichtwerfer und einem lichtelektrischen
Impulsempfänger. Im Lichtwerfergehäuse sind eine Sammellinse und eine Niedervoltglühlampe
untergebracht, welche mit erheblicher Unterspannung wechselstromgeheizt wird.
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Im Gehäuse des lichtelektrischen Impulsempfängers sind eine Fotodiode
und ein Vorverstärkungstransistor untergebracht. Von dem zentralen Zählgestell aus
erfolgt über eine besondere Doppelader die Speisung des Lichtwerfers und, über ein
weiteres Adernpaar, die Gleichstromspeisung des Impulsempfängers. Außerdem wird
über eine weitere Steuerader und der Erde die Übertragung der vom Impulsempfänger
erzeugten Zählimpulse zum zentralen Zählgestell, also in umgekehrter Richtung, vorgenommen.
Zusätzlich ist gewöhnlich noch je eine besondere geerdete Ader sowohl beim Lichtwerfer
als auch beim Lichtempfänger vorgesehen.
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Der Lichtschrankenbetrieb erfolgt also bisher mit einfachen Transistorverstärkern;
zwischen dem Zentralgestell und den einzelnen Lichtschranken sind insgesamt fünf
Verbindungsleitungen notwendig, wobei die beiden Erdungsleitungen für die Lichtwerfer
und Lichtempfänger nicht eingerechnet sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun
darin, bei verbesserter Betriebssicherheit diesen hohen Leitungsaufwand durch eine
neue Schaltung einzuschränken.
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Bei einer Schaltungsanordnung für mehrere, jeweils aus einem Lichtwerfer
und einer gleichstromgespeisten, über eine lichtelektrische Zelle im Rückkopplungszweig
gesteuerter Transistorkippschaltung als Impulsempfänger bestehende Lichtschranken,
deren Steuerimpulse an zentraler Stelle gemeinsam angeordnete Relais oder Zähler
betätigen, weist erfindungsgemäß der lichtelektrische Impulsempfänger für die Speisung
der Transistoren von der zentralen Stelle und die Abgabe der Steuerimpulse in umgekehrter
Richtung die gleichen beiden Anschlüsse auf, von denen der eine an die zur Speisung
des Lichtwerfers vorgesehene Doppelader und der andere an eine Rückleitung angeschlossen
ist. Es ist zwar aus der Fernwirktechnik her bekannt, Fernwirksignale gemeinsam
mit Versorgungsströmen über eine gemeinsame Leitung zu übertragen. Gewöhnlich verwendet
man dabei die von der Mehrfachausnutzung von Leitungen der Fernmeldetechnik her
bekannten Phantomschaltungen mit mittelangezapften Transformatoren an beiden Enden
einer Doppelader und einem zweiten Stromkreis zwischen den beiden Mittelanzapfungen
und Erde.
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Die Erfindung geht jedoch insofern über diesen Stand der Technik hinaus,
als bei ihr neben dem Versorgungsstrom für den Lichtwerfer über den Phantomkreis
einmal der Versorgungsstrom für den lichtelektrischen Impulsempfänger und zum anderen
die von diesem abgegebenen elektrischen Impulse übertragen werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung besteht der lichtelektrische
Impulsempfänger aus einer aus zwei zueinander komplementären Transistoren zusammengesetzten
Kippschaltung, deren Rückkopplungswiderstand als lichtempfindlicher Widerstand ausgebildet
ist. Lichtelektrisch ausgelöste Kippschaltungen mit Transistoren sind in großer
Anzahl bekannt, z. B. aus den deutschen Auslegeschriften 1096 419 und 1083 323.
Auch ist die Wirkungsweise einer aus zwei komplementären Transistoren bestehenden
Kippschaltung bekannt (Frequenz, 1962, S. 121 bis 125).
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Für die Ausbildung des lichtempfindlichen Widerstandes bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Einmal kann der lichtempfindliche Widerstand ein hochohmiger Fotowiderstand
sein. Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der Rückkopplungswiderstand
durch einen npn-Flächentransistor ersetzt wird, in dessen Emitter-Basis-Stromkreis
eine Fotodiode geschaltet ist.
Endlich ist eine Ausführungsform
zweckmäßig, bei welcher parallel zur Emitter-Basis-Strecke des npn-Transistors eine
Sperrschichtzelle, vorzugsweise eine Siliziumzelle, mit derartiger Polung geschaltet
ist, daß bei Beleuchtung der Sperrschichtzelle die Emitter-Kollektor-Strecke des
Transistors niederohmig, bei Verwendung hochohmig wird.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand
schematischer Darstellungen näher erläutert.
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In F i g. 1 ist das Prinzip schematisch gezeigt. Der Lichtwerfer 18
wird aus dem Wechselstromnetz über den Transformator 17 und die Doppeladern
b und c gespeist. Der Lichtempfänger 10 wird von seinem Zähleinschub 20 im
Zentralgestell über die Erdleitung a und die Doppeladern b und c,
welche an ihren Enden über die Lichtquelle 18 und die Transformatorwicklung 17 verbunden
sind, mit Gleichspannung versorgt. Die in der Lichtschranke bei Verdunkelung entstehenden
Gleichstromimpulse J werden in umgekehrter Richtung auf einer der beiden Leitungen
dem Zähleinschub 20 im Zentralgestell zugeleitet und bewirken dort die Zählung.
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Die Entfernung der Lichtschranken vom Zentralgestell beträgt bis zu
mehreren hundert Metern. Um eine solide, den harten Ansprüchen des Betriebs genügende
Leitungsverlegung zu gewährleisten und andererseits auch den besonderen Bedingungen
in schlecht bewetterten Räumen gerecht zu werden, werden als Leitungsmaterial mehradrige
NYY-Kabel mit einem Leitungsquerschnitt von 1,5 mm= verlegt. Die Kapazität der einzelnen
Adern untereinander beträgt für den laufenden Meter etwa 100 pF. Bei einer Leitungslänge
von 100 m und mehr treten also Kapazitäten von 10 nF und mehr auf, was bei hochohmigen
Lichtempfängern bereits zu einer Verformung der lichtelektrischen Impulse führen
kann.
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Um nun trotz der hohen Adernkapazität der Lichtschrankenzuleitungen
hochohmige, schnell schaltende Lichtempfänger, z. B. Fotodioden, verwenden zu können,
wird die bereits erwähnte zweipolige Kippschaltung verwendet, die, komplex betrachtet,
einem Fotowiderstand gleichzusetzen ist, diesem gegenüber jedoch, insbesondere bei
Verwendung einer Fotodiode als lichtempfindlicher Widerstand, den Vorteil der wesentlich
geringeren Trägheit aufweist. Doch auch bei Verwendung eines Fotowiderstandes bringt
diese Kippschaltung infolge ihres Schnellwertcharakters exaktere Impulseinsätze
als bei Verwendung eines linearen Verstärkers im Zentralgestell.
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Eine derartige demnach zweipolige Kippschaltung für Verdunkelungsimpulse
in Lichtschranken ist in den F i g. 2 bis 4 dargestellt. Solange der lichtempfindliche
Widerstand oder die Fotodiode 10 mit Licht beaufschlagt und somit niederohmig ist,
kommt das Kippen der Schaltung nicht zustande.
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Im Gegensatz zu den sonst bekannten Lichtkippschaltungen (z. B. deutsche
Auslegeschriften 1096 418 und 1096 419) wird in den vorgeschlagenen zweipoligen
Schaltungen gemäß F i g. 2 bis 4 nicht der Kollektor- oder Emitterstrom des im gekippten
Zustand in seiner Emitter-Basis-Strecke voll durchgesteuerten Transistors 8 für
Stell- oder Zählzwecke im zentralen Zählgestell herangezogen, sondern der Kollektorstrom
des nicht zwangläufig voll durchgesteuerten komplementären Transistors 11, welcher
als Emitter-Basis-Strom über Transistor 8
fließt. Dadurch wird die Möglichkeit
für eine Kipp-Schaltung geschaffen, nur zweipolig über die Leitungen a und
b, an die Stromversorgung im zentralen Zähleinschub für die Stromspeisung
der Transistoren 8 und 11 angeschlossen zu werden und andererseits die Abgabe der
Stäuerstromimpulse zur Betätigung des Zählers im Zentralgestell über die gleiche
Leitung a und b zu gewährleisten.
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Auch wenn man an Stelle der Kippschaltung einen ein- oder mehrstufigen
Transistorverstärker, wie sie etwa in dem Buch von G o e r k e »Lichtempfindliche
Bauelemente für die Automatisierung« Deckers Verlag, Hamburg, 1960, S.294, gezeigt
sind, setzen würde, der das an zentraler Stelle befindliche Relais steuern soll,
so wäre stets außer den beiden Speise= leitungen noch wenigstens eine Steuerleitung
für das Relais bzw. eine Vorspannungsleitung für die Fotodiode notwendig.
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Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen zweipoligen Lichtschrankenkippschaltung
sei an Hand der F i g. 2 näher erläutert. Die links in der F i g. 2 liegende Kippschaltung
ist über die Leitungen a und b,
c mit der rechts liegenden Gleichstromversorgung
im zentralen Zähleinschub verbunden. Die Emitter-Basis-Strecke des npn-Transistors
11 erhält über den Hochohmwiderstand 6 (einige Megohm) einen sehr geringen Strom
(einige Mikampere), welcher in diesem Strombereich mit geringer Stromverstärkung
einen Kollektorstrom etwa doppelter Größe zur Folge hat, was zur Kippbereitschaft
völlig ausreicht. Der Kollektorstrom des npn-Transistors 11 fließt als Basisstrom
über den pnp-Transistor 8 und den Strombegrenzungswiderstand 7 und ruft nun seinerseits
einen gleichfalls sehr geringen Kollektorstrom im pnp-Transistor 8 hervor, welcher
über den Widerstand 9 und den beleuchteten lichtelektrischen Widerstand
10 der Lichtschranke abfließt. Der Spannungsteiler, bestehend aus Widerstand
7, Emitter-Kollektor-Strecke des pnp-Transistors 8, Widerstand
9 und infolge der Beleuchtung niederohmigem Fotowiderstand 10, läßt an dem
Fotowiderstand 10 nur einen geringen Spannungsabfall entstehen, welcher nicht dazu
ausreicht, über die Diode 21 den geringen Emitter-Basis-Strom des npn-Transistors
11 zu verstärken und den Kippvorgang einzuleiten.
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Im Beleuchtungsfall von Fotowiderstand 10 ist also das Kippen der
Schaltung nicht möglich. Vor dem Kippen kommt in der zweipoligen Lichtschrankenschaltung
ein geringer »Hellstrom« zustande, welcher sich aus der Summe des Emitter-Basis-Stroms
des Transistors 11 über den Hochohmwiderstand 6, des Emitter-Basis-Stroms des Transistors
8 (gleichzeitig Kollektorstrom des Transistors 11) über den Widerstand 7 sowie des
Kollestorstroms des Transistors 8 über den Fotowiderstand 10 und die Widerstände
9 und 7 zusammengesetzt. Dieser Summenstrom kann durch richtige Auswahl der Strombegrenzungswiderstände
6, 7 und 9 so klein gehalten werden, daß der Haltestrom von Relais 3 bei weitem
unterschritten ist.
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Nach Verdunkelung des Fotowiderstandes 10 entsteht an ihm infolge
des Kollektorstromes des Transistors 8 ein genügend hoher Spannungsabfall, um über
die Diode 21 das Kippen einzuleiten. Der nach Verdunkelung des Fotowiderstandes
10 entstehende »Dunkelstrom« (Kippstrom) ist dann so groß, daß er mit Sicherheit
das Relais oder den Zähler 3 betätigt. Durch Kontaktauswahl am Umschaltekontakt
III von Relais 3 können gewünschte Steuer- oder Zählvorgänge
eingeleitet
werden. Der Kondensator 4 ermöglicht auch bei kurzen Steuerstromimpulsen der Kippschaltung
die Betätigung des Relais 3, wenn die Ladestromstärke genügend groß ist.
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Die Schaltung nach F i g. 3 ist mit der Schaltung nach F i g. 2 in
den rechts liegenden Schaltelementen 1 bis 5 identisch; lediglich die links liegende
zweipolige Kippschaltung unterscheidet sich dadurch, daß ein weiterer npn-Transistor
12 mit seinem Kollektor an dem Widerstand 9 und mit seinem Emitter an die Leitung
a angeschlossen ist, also der Lage nach den Fotowiderstand 10 in F i g. 2 ersetzt.
Der Fotowiderstand oder vorteilhaft eine schnell schaltende Fotodiode
10 liegt im Emitter-Basis-Stromkreis des npn-Transistors 12 und ist an den
Begrenzungswiderstand 7 angeschlossen. Diese Kippschaltung ist lichtempfindlicher
als die Kippschaltung nach F i g. 2, d. h., es wird eine wesentlich geringere Lichtbeaufschlagung
des Fotoleiters 10 gegenüber der F i g. 2 benötigt, um die Emitter-Kollektor-Strecke
von npn-Transistor 12 so niederohmig zu machen, daß die Kippbedingungen nicht mehr
erfüllt sind, die zweipolig angeschlossene linke Schaltung somit hochohmig und der
Haltestrom von Relais 3 unterschritten wird.
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Ganz besonders hat sich bei der praktischen Erprobung die Schaltung
nach F i g. 4 bewährt, welche bei stark unterheizter Glühlampe 18 und Netzspannungsschwankungen
von ± 30 50 °/o noch einwandfrei bei einer Lichtschrankenweite von 2 m arbeitet
Die links liegende Schaltung ist identisch mit F i g. 3, dem Relais 3 ist jedoch
ein stromverstärkender pnp-Transistor 14 vorgeschaltet, dessen Kollektorstrom im
Ruhezustand der Lichtschranke durch einen Spannungsabgriff am Widerstand 15 der
Potentiometerschaltung 15/16 gesperrt ist. Hierzu ist die Basis des Transistors
14 über den Widerstand 13 mit dem oberen Anschluß des Widerstandes
15 verbunden, der Emitter mit dem unteren Widerstandsanschluß. Am Widerstand
13 läßt sich nun eine solche Einstellung vornehmen, daß einerseits der »Hellstrom«
der linken zweipoligen Kippschaltung nur einen geringen Spannungsabfall am Widerstand
13 hervorruft, welcher nicht dazu ausreicht, die abgegriffene Emitter-Basis-Sperrspannung
am Widerstand 15 unwirksam zu machen, und andererseits der starke Kippstromimpuls
bei Verdunkelung der Lichtschranke, z. B. durch ein Paket, einen derart hohen Spannungsabfall
am Widerstand 13 bewirkt, daß die Sperrspannung am Widerstand 15 übertroffen und
somit unwirksam wird, wodurch ein starker Kollektorstrom im Transistor
14 fließt, der das Relais 3 sicher betätigt.
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Für Zählungen mit geringen Verdunkelungszeiten, bis herab zu 1 ms
und darunter, bewährten sich die Schaltungen nach F i g. 3 und 4, bei denen ein
npn-Transistor 12 als Widerstandswandler mit vorgespannter Germanium-Fotodiode
10 im Emitter-Basis-Kreis verwendet wurde. Auch Silizium-Fotoelemente können
parallel zur Emitter-Basis-Strecke von Transistor 12 verwendet werden. Bei
Lichtbeaufschlagung muß die Polarität der Zellen-EMK so gewählt werden, daß ein
kleiner Emitter-Kollektor-Widerstand im Transistor 12 entsteht. Für die Kippschaltungen
nach F i g. 2 bis 4 empfiehlt sich die Verwendung von Siliziumtransistoren.