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Schaltungsanordnung mit Fotoleitern zur Ermittlung von Häufigkeit
und Bewegungsrichtung von Lichthindernissen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit Fotoleitern zur Ermittlung von Häufigkeit und Bewegungsrichtung von Lichthindernissen,
insbesondere zur Drehzahl- und Drehrichtungsmessung, bzw. zur Ermittlung der Häufigkeit
und Bewegungsrichtung sich bewegender Gegenstände, bei der drei Fotoleiter nacheinander
belichtet bzw. abgedeckt werden und die gewonnenen Impulse einer Auswerteschaltung
zugeführt werden.
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Es sind bereits Schaltungen bekannt, mit deren Hilfe man Drehrichtungen
foto elektrisch registrieren kann. Dabei nutzt man das Abdecken einer Fotozelle
durch eine Sägezahnblende aus. Hierbei steigt der Fotostrom je nach dem Richtungssinn
der Abdeckung entweder schnell an und fällt langsam ab, oder er steigt langsam an
und fällt schnell ab. Durch Differenzieren dieses Fotostromes an einem Kondensator
- kann man die höchsten Stromspitzen, die dann einmal positiv, einmal negativ ausfallen,
zur Steuerung einer bistabilen Schaltung verwenden. Es sind ferner Anordnungen zur
kontinuierlichen Messung der Winkelgeschwindigkeit rotierender Gegenstände mit Hilfe
eines Fototransistors bekannt, bei denen die durch die Rotation einer hellen Markierung
hervorgerufenen Lichtschwankungen über den Fototransistor Signale erzeugen, die
einer monostabilen Relaisschaltung zugeführt werden. Gegenüber den bekannten Anordnungen
dieser Art bietet die Erfindung vor allem den Vorteil einer beträchtlichen Vereinfachung
der Schaltung und damit einer Verringerung des Aufwandes, ferner noch die Möglichkeit,
den Abtastkopf sehr klein zu machen.
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Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltung ist dabei nicht
auf das unten erwähnte Beispiel eines Anemometers beschränkt, sondern erstreckt
sich allgemein auf die leistungslose Drehzahl-und Drehrichtungsabtastung bei rotierenden
Geräten, z. B. auch auf die Automatisation, Autostabilisierung und Steuerung von
Beobachtungssatelliten und Raketen. Daneben bietet die erfindungsgemäße Schaltung
die Möglichkeit, mit geringem Aufwand Geräte zur Überwachung von Ein- und Ausgängen,
d. h. für Verkehrs- bzw. Besucherzählungen zu bauen.
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Eine Schaltungsanordnung, bei der drei Fotoleiter nacheinander belichtet
werden, ist ebenfalls bekannt. Im Gegensatz zur Erfindung steuern bei der bekannten
Schaltungsanordnung die Fotozellen über zusätzliche Verstärker zwei Kippschaltungen
und einen Umschalter, wodurch ein größerer Aufwand bedingt ist.
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Eine weitere bekannte fotoelektrische Abtasteinrichtung zur Erzeugung
drehzahl abhängiger elek-
trischer Impulse verwendet zwei bistabile Multivibratoren
mit je zwei fotoelektrisch gesteuerten elektronischen Kippelementen, deren Ausgangspotential-Schaltungspunkte
paarweise über je einen Widerstand, eine Diode und die Primärwicklung eines Übertragers
zusammengeschaltet sind. Abgesehen davon, daß diese Abtasteinrichtung der Messung
elektrischer Energie dient, erfordert sie ebenfalls einen im Verhältnis zur vorliegenden
Erfindung bedeutend größeren Aufwand an Schaltelementen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Fotoleiter einpolig an einem Kondensator, der zweite Pol des einen
Fotoleiters an einer Gleichspannung und die zweiten Pole der anderen Fotoleiter
über Arbeitswiderstände zusammen mit dem Kondensator am zweiten Pol der Gleichspannung
liegen.
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An Hand der Zeichnung wird der Erfindungsgedanke zunächst bezüglich
A b b. 1 in Anwendung auf die Drehzahl- und Drehrichtungsmessung näher erläutert.
Die drei Fotoleiter 1, 2 und 3 werden von einer Glühlampe, die hier nicht dargestellt
ist, durch eine rotierende Schlitzblende 4 nacheinander belichtet. Dabei speichert
der Fotoleiter 1 im Kondensator 7 eine Elektrizitätsmenge Q, die je nach der Drehrichtung
der Blende alsbald entweder von dem Fotoleiter 2 oder 3 abgerufen wird. Bei diesem
Vorgang tritt je nach der Drehrichtung entweder am Widerstand 5 oder 6 ein Spannungsimpuls
pro Blendenumdrehung auf. Am Kondensator 7 tritt unabhängig von der Drehrichtung
pro Umdrehung je ein Spannungsimpuls auf.
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Die Spannungsimpulse am Kondensator 7 können in bekannter Weise von
einem üblichen Frequenzzeiger in einen drehzahlproportionalen Gleichstrom
umgewandelt
werden. Die Spannungsimpulse an den Widerständen 5 bzw. 6, die den Drehrichtungssinn
kennzeichnen, können eine bistabile Transistor- oder Röhrenschaltung steuern, die
den frequenzproportionalen Gleichstrom des Frequenzzeigers mit Hilfe eines Relais
der Drehrichtung entsprechend polt.
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Wegen der weitgehenden Unabhängigkeit des Foto stromes von der Anlegespannung
ist der zeitliche Stromverlauf in der I(ondensatorleitung symmetrisch bezüglich
Aufladung und Entladung. Die Schaltung wird also, grob betrachtet, weitgehend aperiodisch
arbeiten. Bei verfeinerter Betrachtung. jedoch ergeben sich Drehzahlansprechgrenzen,
die hauptsächlich von den Eigenschaften der verwendeten Fotoleiter, der Art der
Blendenkonstruktion sowie der Dimensionierung der bistabilen Schaltstufe und deren
zeitlicher Ansprechgrenze abhängen. Man kann allerdings die einschachtelnden Drehzahlansprechgrenzen
durch geeignete Auslegung der Schaltung im Verhältnis 1:20 spreizen.
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Eine Drehzahl-Drehrichtungsabtastschaltung nach dem Erfindungsgedanken,
die die Herstellung eines Abtastkopfes von sehr kleinen Abmessungen gestattet, ist
in Abt. 2 dargestellt. Dieses Schaltschema wurde aus dem Prinzipschaltbild Abb.
1 entwickelt. Vorteilhafterweise wurde eine weitere Fotodiode 8 zur Drelzahlabtastung
verwendet, die pro Umdrehung nicht nur ein Spannungsimpuls, sondern acht Spannungsimpulse
von etwa 1,5 V am Widerstand 25 liefert. In einem üblichen Gerät 9 wird jene drehzahlproportionale
Impulsfrequenz in einen drehzahlproportionalen Gleichstrom umgewandelt, dessen Stromrichtung
von dem bistabilen RelaislO der Drehrichtung entsprechend gepolt wird.
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Die Schaltung nach A b b. 2 weist unter anderem folgende Vorteile
auf: Der Abtastkopf kann äußerst klein ausgeführt werden, da er außer der rotierenden
Blende nur vier Glühlampen und vier Foto dioden enthält. Die Speisung kann mit Rücksicht
auf den geringen Strombedarf aus jeder beliebigen 6,3-Volt-Gleichstromquelle kleine
Trockenbatterie oder Akkumulator) erfolgen.
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Zu erwähnen wäre noch die lange Lebensdauer der Bauteile, da die Glühlampen
mit Unterspannung betrieben und Transistoren als Verstärkerelemente verwendet werden
können.
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Eine 6,3-Volt-Batterie speist unter anderem vier Miniaturglühlämpchen
11 bis 14. Deren Helligkeit wird durch den variablen Widerstand 15 so einreguliert,
daß jede der beleuchteten Fotodioden etwa 20 FA abgibt. Das Verhältnis von deren
Dunkelstrom zum Fotostrom ist dann etwa 1:10, was noch ein sicheres Funktionieren
der Schaltung gewährleistet.
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Dabei wird die Umgebungstemperatur der Fotodioden noch nicht allzu
stark durch Wärmestrahlung der Glühlampen erhöht.
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Die Fotodiodenl, 2 und 3 sollen gleichartige Charakteristiken besitzen
und sind gegebenenfalls danach auszusuchen. Gleichfalls ist Übereinstimmung im Verstärkungsgrad
der beiden Doppeltransistor-Schaltverstärkerstufen - zu fordern. Die vier Transistoren
16 bis 19 sollen jeweils gleiche Stromverstärkungsfaktoren und einen geringen Nullstrom
besitzen.
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Die variablen Widerstände 20 bis 22 dienen zum elektrischen Abgleich
und zur Einstellung eines Dunkelstrom-Spannungsabfalls von etwa 0,2 V am Verstärkereingang.
Die Widerstände 23 und 24 be-
grenzen die Basisströme der jeweils zweiten Transistorverstärkerstufen.
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Das bistabile RelaislO besitzt zwei Wicklungen S1 und S2 von je 5000
Windungen bei etwa 850 Q Widerstand. Sein Anker hat zwei Silberkontaktsätze, die
sich als Stromwender schalten lassen. Das Relais spricht an bei StrömenIsj und 1s2
von etwa 2 mA innerhalb von Zeitspannen e B 0,01 sec.
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Wegen der Verstärkungsfaktoren von etwa 80 jedes Transistors erreicht
man in den zweistufigen Verstärkern einen tXbersteuerungseffekt. Es treten daher
bei der Belichtung der Fotodioden in den Relaisspulen gute Rechteckstromimpulse
von über 2 mA Höhe auf.
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Die Bemessung des Kondensators 7 ergibt sich aus der Bedingung, daß
ein Ansprechen des Relais beispielsweise innerhalb von Drehzahlen n=l.... 15 U/
sec unmittelbar nach der Drehrichtungsumkehr gefordert wird. Der Fotostrom ist nahezu
unabhängig von der Anlegespannung an den Fotodioden. Er ist dem Beleuchtungslichtstrom
weitgehend proportional. Die Kondensatorgrößen, die die Ansprechforderungen der
handelsüblichen Relais befriedigen, liegen zwischen 0,01 und 0,2 1F. Dieser Bereich
läßt sich noch erweitern, wenn man das konstruktive Verhältnis von Blendenöffnungslänge
zu Fotodiodendurchmesser vergrößert.
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Die Abb. 3 zeigt die Ausführung eines sehr kleinen Abtastkopfes,
der die Drehzahl und die Drehrichtung eines Anemometerffügelrades fotoelektrisch
abnehmen kann. A b b. 4 zeigt das Anemometerrad 26 in seinem Drahtkorb 27. An dessen
unterem Ende befindet sich eine Kunststoffkugel 28 von 22 mm Außendurchmesser, die
fünf Fotodioden, vier Glühlämpchen und die Abdeckblende, sowie das Steinlager des
Anemometerfiügels aufnimmt. Es sind hier fünf Foto dioden eingebaut, wovon die fünfte
zwi schein Diode 2 und Diode 3 liegt. Sie soll eine vollständige Entladung des Kondensators
7 gewährleisten. Falls man Dioden mit genügend gleichartiger Charakteristik zur
Verfügung hat, erübrigt sich diese fünfte Fotodiode.
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Man kann die Prinzipschaltung nach Ab b. 2 zur Ermittlung der Häufigkeit
und Bewegungsrichtung sich bewegender Gegenstände benutzen.
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Der prinzipielle Unterschied gegenüber der Funktionsweise der Schaltung
nach Ab b. 1 liegt darin, daß nunmehr nicht bei Belichtung, sondern bei Abdeckung
einer Fotozelle eine Elektrizitätsspeicherung im Kondensator 7 erfolgen muß.
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Eine in der Funktionsweise übersichtliche Schaltung erhält man bei
Verwendung von Relais 29, 30, 31, die jeweils dann einen Kontakt schließen, wenn
die zugehörige Fotodiode abgedeckt wird (Abb. 5).
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Bei einer Abdeckreihenfolge 2-1-3 nach Ab b. 5 treten nur Spannungsimpulse
am Klemmenpaar (a), bei einer Reihenfolge 3-1-2 dagegen nur. Impulse an (b) auf.
Will man die Impulse zählen, könnte man sie entsprechend verstärken und über Impulszählwerke
schicken. Ist man nur an der Durchlaufsrichtung interessiert, kann ein bistabiles
Relais wie oben beschrieben verwendet werden.
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Für höhere Ansprüche an das zeitliche Auflösungsvermögen jener Schaltungen
kann man die Schalter und Relais durch bistabile Transistor- oder Röhren schaltungen
ersetzen.
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In manchen Fällen dürfte es zweckmäßig sein, die Fotodioden mit Wechsellicht
zu beschicken. Dann
kann man unter Umständen eine störende Gleichlichtkomponente
des Tageslichts heraussieben.