DE2450648B2 - Lichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtschranke nae'h dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Bei einer bekannten Lichtschranke dieser Art (US-PS 23 737) besteht die Steuerschaltung aus einem · > besonderen Oszillator, der an die Steuerelektrode des Thyristors angeschlossen ist und diesen entsprechend der ihm eigenen Frequenz periodisch öffneil und schließt Aufgrund dieser Anordnung ist ein erheblicher Bauaufwand an elektronischen Bauelementen erfoirder- ■ lieh, und die Lichtintensität der Lichtquelle während eines Impulses ist von der Betriebsspannung der Impulsschaltung abhängig.

Es ist auch schon bekannt (Joos, G.: Lehrbuch der theoretischen Physik; Akademische Verlagsgesellschaft <>■· mbH, Frankfurt/Main, 1959, Aufgabe und Lösung Nr. 83, S. 277, 802) als Oszillator eine Kippschaltung zu verwenden. Die Anwendung einer derartigen Kippschaltung bei der bekannten Lichtschranke würde jedoch die erwähnten Nachteile nicht beheben. " >

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Lichtschranke der durch den Oberbegriff des Anspruches I gekennzeichneten Gattung zu schaffen, bei der der Aufwand an elektronischen Bauelementen herabgesetzt ist und auch bei einem großen Betriebsspannungsvariationsbereich die Lichtleistung der Lichtquelle während eines Impulses nicht beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 vorgesehen. Aufgrund dieser Ausbildung werden der Ladewiderstand und der Speicherkondensator der Impulsschaltung einer doppelten Ausnutzung dadurch zugeführt, daß sie gleichzeitig Elemente der Steuerschaltung sind. Bei Änderungen der Betriebsspannung ändert sich die Lichtleistung der Lichtquelle während des einzelnen Impulses nicht sondern lediglich die Impulsfrequenz, was jedoch bei einer Lichtschranke unkritisch ist, da die Impulsfrequenz der Lichtquelle ohnehin deutlich über das Minimum gelegt wird, daß für eine bestimmte Anwendung der Lichtschranke vorausgesetzt wird. Trotz des einfachen und wenig aufwendigen Aufbaus wird somit eine hohe Zuverlässigkeit auch bei schwankenden Netzspannungen erzielt

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet Die besonders vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 8 bedingt einen sinushalbwellenartigen Impulsverlauf.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische Blockansicht einer Lichtschranke mit einem im Abstand angeordneten Reflektor,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Lichtschranke,

Fig.3 ein ins Einzelne gehendes Schaltbild einer Lichtschranke und

Fig.4 verschiedene Spannungs-Zeit-Diagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise einzelner Schaltstufen der Lichtschranke nach den F i g. 2 und 3.

Nach Fig. 1 sind in einem Gehäuse 36 mit einer Austrittslinse 37 eine als Lichtsender wirkende GaAs-Diode 26 und ein lichtelektrischer Wandler 28 angeordnet

Das durch eine im folgenden noch im einzelnen zu beschreibende Elektronik 40 an Jer GaAs-Diode 26 erzeugte Impulslicht wird durch einen Teilerspiegel 39 und die Ausgangslinse 37 auf einen in einem bestimmten Abstand angeordneten Reflektor 38 gelenkt, der aus retroreflektierenden Material besteht und insbesondere als sogenannter Tripelspiegel ausgebildet ist. Der als gestrichelte Linie angedeutete Lichtstrahl wird durch den Reflektor 38 in sich zurückgeworfen und wird über die gleiche Linse 37 und den Teilerspiegel 39 auf den unter einem Winkel von 90° zum Lichtstrahl angeordneten lichtelektrischen Wandler 28 geworfen. Das somit am lichtelektrischen Wandler erzeugte elektrische Signal wird ebenfalls in der Elektronik 40 in noch zu beschreibender Weise verarbeitet Zwischen dem Gehäuse 36 und dem Reflektor 38 befindet sich die Meßstrecke 52 Zweck der Lichtschranke ist es, beim Eintreten eines Hindernisses in die Meßstrecke 52 ein elektrisches Signal zu erzeugen.

Durch die Buchsen 53 wird die Lichtschranke mit einer Netzspannung von beispielsweise 220 oder auch 110 V gespeist.

Im Falle des Eintretens eines Hindernisses in die Meßstrecke 52 gibt die Elektronik 40 an ein Anzeigeteil 51 ein Signal ab, welches auch durch eine Buchse 54 von außen abgenommen werden kann.

In dem Blockschaltbild der Fig.2 sind weitere Einzelheiten insbesondere der Elektronik 40 der Lichtschranke der F i g. 1 dargestellt.

An die mit Wechselstrom beaufschlagten Buchsen 53 ist zunächst ein Netzteil 49 angeschlossen, welches lediglich aus einem Gleichrichter und ggf. Entstör- und Glättungsgliedern besteht, so daß am Ausgang eine Gleichspannung etwa gleicher Größe ansteht Diese wird über einen Ladewiderstand 21 und einen noch zu beschreibenden Licht-Impulsgenerator 30 an den Impulsverstärker 29 angelegt, der das Eingangssignal von dem lichtelektrischen Wandler 28 empfängt. Schematisch ist in Fig.2 auch der Lichtstrahl 35 angedeutet, welcher zwischen der Impulslichtquelle 26 und dem Wandler 28 verläuft.

Parallel zu dem Impulsverstärker 29 ist eine Zenerdiode 24 geschaltet, so daß an dem Verstärker 29 eine von der Art der Zenerdiode 24 abhängige konstante Spannung vorliegt

Der Lichtimpulsgenerator 30 enthält die als GaAs-Diode ausgebildete Impulslichtquelle, während an den Impulsverstärker 29 ein als Sägezahngenerator ausgebildeter Impulspegel-Detektor und der Anzeigeteil angeschlossen sind.

Nach F i g. 3 weist das Netzteil 49 als wesentlichen Bestandteil einen Gleichrichter 45 auf, wobei in die Eingangsleitungen zwei Längswiderstände 46 bzw. 48 eingeschaltet sind. Die beiden Eingangsklemmen des Gleichrichters 45 sind durch einen Entstörkondensator 47 miteinander verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 45 befinden sich ein Glättungskondensa tor 44.

Der Licht-Impulsgenerator 30 besteht nach F i g. 3 aus einem mit einer Induktivität 23 in Reihe an den Ladewiderstand 21 geschalteten Kondensator 22 und einer parallel zu den Elementen 22, 23 geschalteten Reihenschaltung aus einem Thyristor 25 und der GaAs-Diode 26. Zwischen die Anode 32 und die Steuerelektrode 33 des Thyristors 25 ist eine Triggerdiode (Diac) 27 geschaltet, wobei außerdem die Kathode des Thyristors 25 über einen Widerstand 31 mit der Steuerelektrode 33 verbunden ist.

Die Reihenschaltung aus dem Widerstand 21 und dem Licht-Impulsgenerator 30 bildet den Strombegrenzungswiderstand für die Zenerdiode 24, an der eine konstante Gleichspannung liegt, die die Betriebsspannung für den zum Lichtempfänger gehörenden Impulsverstärker 29 liefert. Ein besonderes Merkmal des Impulsverstärkers 29 ist seine sehr geringe Stromaufnahme. Er verstärkt die vom lichtelektrischen Wandler 28 gelieferten Impulse, welche auf Grund der von der Impulslichtquelle 26 ausgesandten Lichtimpulse erzeugt werden.

Auf Grund der Verbindung des Kondensators 22 mit dem Gleichrichter 45 über die dargestellten Schaltelemente erfolgt eine Aufladung des Kondensators 22 mit einem insbesondere durch den Widerstand 21 begrenzten Strom, und zwar solange, bis die Durchbruchsspannung des Diacs 27 erreicht wird. In diesem Augenblick wird der Thyristor 25 gezündet, so daß sich der Kondensator 22 über die GaAs-Diode 26 und die Induktivität 23 entladen kann. Die Einschaltung der Induktivität 23 hat dabei den Zweck, den Entladestrom ι auf den gewünschten Wert zu begrenzen und den Stromfluß für eine gewünschte Zeit aufrecht zu erhalten. Auf Grund des Entladevorganges wird die in dem Kondensator 22 vorübergehend gespeicherte Energie frei, und die Impuls-Lichtquelle 26 leuchtet für eine < vorbestimmte Zeit auf.

Die Induktivität 23 bewirkt also, daß eine ausreichende Imoulsdauer zum Betreiben der GaAs-Diode 26 schon mit einem kleineren Kondensator 22 bzw. mit einer kleineren in dem Kondensator 22 gespeicherten Ladung möglich ist

Nach weitgehender Entladung des Kondensators 22 wird der Haltestrom des Thyristors 25 unterschritten, und der Kondensator 22 lädt sich erneut über den Widerstand 21 auf. Das beschriebene Arbeitsspiel wiederholt sich nun periodisch.

Die Impulsfrequenz wird von der Größe des Widerstandes 21 und der Kapazität des Kondensators 22 bestimmt Eine Änderung der Betriebsspannung bewirkt eine nahezu lineare Änderung der Sendeimpulsfrequenz. Die Impulslichtleistung der GaAs-Diode 26 bleibt hierbei jedoch konstant da der Kondensator 22 sich unabhängig von der Betriebsspannung immer bis zur Durchbruchsspannung des Diacs 27 auflädt

Es ist wesentlich, daß die Betriebsspannung der gesamten Baugruppen sehr viel höher ist als die über die Zenerdiode 24 und der Generatorbaugruppe 30 abfallende Spannung, damit beim Aufladen und Entladen des Kondensators 22 sich der Strom über den Widerstand 21 nur unwesentlich änd'rt

Auf Grund der Ausbildung des Üoht-Impulsgenerators gelingt es, mit einer relativ hohen Gleichspannung von beispielsweise 220 V ohne die Verwendung eines Transformators die für den Betrieb der GaAs-Diode erforderliche geringe Spannung zu erhalten.

Die über den Lichtweg 35 zum lichtelektrischen Wandler 28 gelangenden Lichtimpulse erzeugen am Ausgang des Impulsverstärkers 29 Lichtimpulse 50, die über einen Koppelkondensator 10 einen Thyristor 12 ansteuern, der zu dem Sägezahngenerator 34 gehört. Der Kondensator 10 ist mit der Steuerelektrode 55 des Thyristors 12 verbunden.

Die Kathode des Thyristors 12 ist mit dem gleichrichterseitigen Pol der Zenerdiode 24 verbunden und liegt über eine in direktem Sinne gepolte weitere Gleichrichterdiode 13 am negativen Pol des Gleichrichters 45 an. Die Anode des Thyristors 12 ist über einen Widerstand 11 mit dem positiven Pol des Gleichrichters 45 und direkt mit einem Kondensator 15 verbunden, dessen anderer Pol über einen Widerstand 14 mit der Steuerelektrode 55 des Thyristors 112 und über einen Widerstand 16 mit dem negativen Pol des Gleichrichters 45 verbunden ist. Des weiteren ist die Anode des Thyristors 12 mit dem Emitter eines Transistors 19 verbunden, dessen Basis an dem Vtrbinduivgspunkt zwischen dem Licht-Impulsgenerator 30 und der Zenerdiode 24 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand 20 an den negativen Pol des Gleichrichters 45 angeschlossen ist. Der Transistor 19 bildet bereits eine Komponente des Anzeigeteils 51.

Der Kollektor des Transistors 19¹ ist mit der Basis eines Relais-Treibertransistors 43 verbunden, dessen Emitter an den negativen Pol des Gleichrichters 45 angeschlossen ist und dessen Kollektor über ein Relais 42 bzw. eine Glimmlampe 17 mit Vorschp.ltwidel stand 18 am positiven Pol des Gleichrichters 45 liegt. Parallel zu der Glimmlampe 17 mit dem Vorwiderstand 18 liegt eine Freilaufdiode 41.

Die Arbeits- ui d Wirkungsweise der Schaltung und insbesondere des Sägezahngenerators 34 ergibt sich besonders anschaulich aus den Diagrammen der F i g. 4.

In dem obersten Diagramm ist zunächri die Spannung Un am Kondensator 22 veranschaulicht, welche zwischen einem durch den Haltestrom des Thyristors 25 bedingten minimalen Wert und dem durch den Diac 27 bestimmten maximalen Wert Un schwankt.

Während der Entladcphascn des Kondensators 22 werden somit Lichtimpulse von der GaAs-Diode 26 erzeugt, weiche vom lichtelektrischen Wandler 28 empfangen werden, so daß am Ausgang des Impulsverstärkers 29 Impulse 50 erhalten werden, die im mittleren Diagramm der Fig.4 veranschaulicht sind. Sobald ein Hindernis in die Meßstrecke 52 gelangt und hierdurch die Impulse50einen kritischen Wert l/*„» unterschreiten (in dem mittleren Diagramm der F i g. 4 sind rechts zwei derart niedrige Impulse schematisch dargestellt), soll der Anzeigeteil 31 ein Ausgangssignal abgeben.

Dies wird bei der Schaltung nach F i g. 3 durch den Sägezahngenerator 34 gewährleistet, dessen Arbeitsweise in dem untersten Diagramm der Fig.4 veranschaulicht ist. Die einzelnen Impulse 50 bewirken jeweils ein Durchschalten des Thyristors 12, so daß der Kondensator 15 sich über den ThyriMor 12, den Gleichrichter 13 und den Widerstand 16 entlädt, und zwar solange, bis der Haltestrom des Thyristors !2 unterschritten ist. Sobald der Stromfluß durch den Thyristor 12 unterbrochen ist, kann sich der Kondensator 15 über die Widerstände 11 und 16 wieder aufladen. Dieses Spiel setzt sich ständig fort, so daß an der Anode des Thyristors 12, bzw. an dem Kondensator 15 eine Sägezahnspannung ansteht.

Auf Grund geeigneter Bemessung der verschiedenen Schaltelemente ist diese Sägezahnspannung in ihrem Maximalwert jedoch so begrenzt, daß die zur öffnung des Transistors 19 erforderliche Basisspannung (welche gleich der Betriebsspannung des Verstärkers 29 ist) normalerweise nicht erreicht wird. Der in Basis-Grundschaltung arbeitende Transistor 19 wird somit normalerweise nicht angesteuert.

Sobald der Lichtstrahl 35 von der GaAs-Diode 26 zum lichtclckirischcn Wandler 28 unterbrochen wird, unterbleibt die rhytmische Ansteuerung des Thyristors 12, weil die Impulse 50 den kritischen Wert unterschritten haben. Der Kondensator 15 kann sich nunmehr auf eine höhere Spannung aufladen, was im unteren Diagramm der F i g. 4 rechts wiedergegeben ist. Die Spannung überschreitet nunmehr den für die Öffnung des Transistors kritischen Wert Lfo, so daß der Transistor 19 leitend wird. Dem Transistor 19 ist der Relais-Treibertransistor 23 nachgeschaltet, der nunmehr ebenfalls öffnet und somit das Relais 42 oder die Glimmlampe 17 ansteuert. Die Freilaufdiode 21 bewirkt dabei, dnß die beim Abschalten des Relais auftretende Induktionsspannung kurzgeschlossen wird.

Die in Reihe mit der Zenerdiode 24 liegende Gleichrichierdiode 13 bewirkt, daß die Steuerelektrode 55 des Thyristors 12 negativ vorgespannt ist. F ließt jedoch ein Ladestrom über den Kondensator 15, so wird dieser an dem Widerstand 16 einen Spannungsabfall bewirken, der die negative Vorspannung des Thyristors 12 teilweise aufhebt. Auf diese Weise erhält die Schaltung eine Hysterese, die für einen einwandfreien Schaltvorgang vcraniwortlich ist.

Die durch eine Betriebsspannungsänderung hervorgerufene Änderung der Impulsfrequenz des Sendegencrators ist unkritisch, da sich gleichzeitig und auch in etwa linear mit der Netzspannung die Ladezeit bei gleichbleibender Zeitkonstante des AfC-Gliedes (Widerstand 11 und Kondensator 15) ändert. Somit bleibt beim rhytmischen F.ntladcn des Kondensators 15 der maximale Pegel der Sägezahnspannung konstant. Insgesamt handeil es sich also um eine Impuls-Gleichrichtung.

Die Änderung der Sende-Generatorfrequenz ist ebenfalls unkritisch, da diese Frequenz wesentlich höher liegt als die durch das Relais 42 bestimmte Schaltfrequenz der Lichtschranke.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lichtschranke mit einer Lichtquelle, die von einer transformatorlos an das Netz angeschlossenen Impulsschaltung periodisch beaufschlagt wird, welche aus einem mit der Lichtquelle in Reihe liegenden, durch eine an seine Steuerelektrode angeschlossene Steuerschaltung periodisch geschalteten Thyristor und einem parallel zu der Reihenschaltung: von Thyristor und Lichtquelle angeordneten Speicher- >■ kondensator besteht, der über einen Ladewiderstand mit einem an die Netzspannung angeschlossenen Gleichrichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung aus dem Speicherkondensator (22), dessen Ladewiderstand ;

(21) und einer Triggerdiode (27) besteht, welche mit einem Pol an die Anode (32) des Thyristors (2Si) und mit dem anderen Pol an die Steuerelektrode (33) des Thyristors (25) angelegt ist

2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch :- gekennzeichnet, daß die impulsförmig angesteuerte Lichtquefle(26) eine lichtemittierende Diode bit.

3. Lichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine GaAs-Dicde ist.

4. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ladespannung des Kondensators (22) 25 VoJt bis 35 Volt beträgt

5. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator ><

(22) eine Kapazität von 0,2 μΡ bis 0,8 μΡ aufweist.

6. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diac (27) als Triggerdiode verwendet wird.

7. Lichtschranke nach Anspruch 6, dadurch ■■ gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (330 über einen Widerstand (31) mit der Anode der lichtemittierenden Diode verbunden ist

8. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der <· Speicherkondensator (22) mit einer Induktivität (23) in Reihe geschaltet ist