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Lichtschranke Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtschranke mit
einem mehrere Lichtquellen enthaltenden Lichtsender, einem aus einer Reihenschaltung
von Phototransistoren bestehenden Lichtempfänger und einer als einstellbarer Komperator
ausgebildeten Ausgangsstufe Stand der Technik Zur berührungslosen Abtastung von
Gegenständen, z.B. zur elektronischen Überwachung von Werkzeugmaschinen, sind in
der Druckschrift der Firma Fissler Elektronik, 197/68, Seite B 21, gabelförmige
Lichtschranken beschrieben und dargestellt. Diese enthalten als Lichtsender eine
Glühlampe und als Lichtempfänger einen Photowiderstand. Der Lichtsender, der sich
an der Innenseite des einen Schenkels der Gabel befindet, ist mit einer Optik zur
schlauch-oder kegelförmigen Bündelung der Lichtstrahlen versehen. Der Lichtempfänger
an der Innenseite des anderen Schenkels kann anstelle eines Photowiderstandes auch
eine Photodiode oder einen Phototransistor enthalten. Das Ausgangssignal des Lichtempfängers
gelangt direkt oder über einen Verstärker an die auswertende Einrichtung. Diese
Art von Lichtschranken dient zur Abtastung von Gegenständen, die mit Sicherheit
in den begrenzten Bereich des durch die Optik bebildeten Lichtbündels gelangen.
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Für die Überwachung größerer Flächen zeigt dieselbe Druckschrift auf
Seite C 21 eine in einen viereckigen Rahmen eingebaute Lichtschranke. An der Innenseite
des einen Schenkels des Rahmens befindet sich ein Lichtsender und in einem gewissen
Abstand davon ein Lichtempfänger. Das von der Optik gebündelte Licht wird zum gegenüberliegenden
Schenkel geworfen und durch Spiegel mehrfach reflektiert, bis es auf den Lichtempfänger
trifft. Fällt ein Gegenstand durch den Rahmen, so wird der Lichtstrahl unterbrochen,
wodurch der Lichtempfänger ein Signal erzeugt. Lichtschranken dieser Art sind aber
nur zur Erfassung relativ großer Gegenstände, z.9. einer Kugel mit einem Mindestdurchmesser
von 6 mm, eingerichtet.
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Die Deutsche Offenlegungsschrift Nr. 1 774 520 weist eine in einem
viereckigen Rahmen befindliche Lichtschranke als bekannt nach, bei der in dem einen
Schenkel des Rahmens eine Glühlampe mit einer Sammellinse und in dem anderen Schenkel
eine Anzahl von Photodioden angebracht sind. Diese sind gruppenweise parallel geschaltet
und jede Gruppe kann, falls eine der darin enthaltenen Photodioden abgeschattet
wird, über einen Verstärker ein Signal an eine Additionsschaltung liefern. Dieses
Signal dient dann, nachdem es einen Impulsformer durchlaufen hat, zur Steuerung
des gewünschten Vorganges.
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Schließlich zeigt das Bild 5. 1 auf der Seite 81 des Buches "Siemens
Halbleiter Schaltbeispiele" 1972/73 das Schaltbild einer Lichtschranke mit einer
Anzahl in Reihe geschalteter Phototransistoren, die von mehreren Glühlampen angeleuchtet
werden. Die Reihenschaltung der Phototransistoren liegt an der Betriebsspannung
eines Operationsverstärkers, der als Komperator geschaltet ist. Ein Abgriff innerhalb
der Reihenschaltung der Phototransistoren führt über einen Kondensator an den invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers. Dieser gibt bei Abschattung eines der Phototransistoren
einen Impuls ab. Je nach dem, welcher der Phototransistoren anspricht, erscheint
das Ausgangssignal bei Beginn oder erst nach Beendigung der Abschattung. Deshalb
eignet sich die Schaltung nicht zur Überwachung getakteter Vorgänge.
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Zur Erfassung sehr kleiner Gegenstände durch eine Lichtschranke müssen
Störeinflüsse durch Erschütterungen und Fremdlicht vermieden werden. Die abgegebenen
Impulse sollen ferner so ausgeprägt sein, daB sie in jedem Fall von einer Störung
unterschieden werden können. Nur so ist es möglich, die jeweils notwendige Verstärkung
vorzusehen. Bei bisher bekannten Lichtschranken ist dies gamicht, oder nur mit erheblichen
Mehraufwand zu erreichen.
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Bei der Verwendung von Glühlampen als Lichtquelle treten durch Erschütterungen
der Wendel und durch Spannungsschwankungen Lichtschwankungen auf, die zu Fehlauswertungen
führen können. Dies ist nur zu vermeiden, indem Lampen. mit sehr stabilen Leuchtfäden
und entsprechend hohem Stromverbrauch
eingesetzt werden. Dementsprechend
ist der Aufwand für die Glättung und Stabilisierung des Lampen stromes beträchtlich.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringstem Aufwand
eine Lichtschranke zu schaffen, die unempfindlich gegen Einflüsse von augen ist,
eindeutige Impulse liefert und somit die Einfügung einer sehr hohen Verstärkung
erlaubt, die zur Erfassung kleinster Gegenstände beliebiger Form notwendig ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Vorteile Durch die Verwendung von Leuchtdioden zur Erzeugung von Licht
außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches sind auf einfache Weise Störungen durch
Fremdlicht und Erschütterungen ausgeschlossen. Der für die Ausleuchtung notwendige
Strom ist fast eine Größenordnung niedriger als bei bisher bekannten Anordnungen
mit Glühlampen. Deshalb kann die gesamte Elektronik in der Lichtschranke selbst
untergebracht werden und so ist es nicht mehr notwendig, die Empfindlichkeitseinstellung
an einem örtlich getrennt angebrachten Steuergerät vorzunehmen.
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Das aus einer Reihenschaltung von Phototransistoren mit einem Lastwiderstand
gebildete Nicht-UND-Gatter gibt auch bei kurzzeitigen Abschattungen durch kleinste
Gegenstände eindeutige Impulse ab. Dadurch ist eine hohe Hachverstärkung möglich
und die Einstellung der Lichtschranke auf die Größe der abzutastenden Gegenstände
weniger kritisch. Wegen der Eigenschaft, verschiedene Größen genau unterscheiden
zu können, vermindert sich auch die Typenzahl der vorzusehenden Lichtschranken.
Außerdem entstehen die Impulse beim Durchlaufen der Gegenstände durch die Lichtschranke
immer zum selben Zeitpunkt, was zur Überwachung getakteter Vorgänge wichtig ist.
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Erläuterung der Erfindung Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Lichtschranke werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:
Figur
1 das Prinzip der Lichtschranke gemäß der Erfindung Figur 2 ein spezielles Ausführungsbeispiel
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein ODER-Gatter hoher Verstärkung In der Prinzipdarstellung
nach Fig. 1 ist 1 ein Lichtsender mit Leuchtdioden 2...4, der über einen Anschluß
5 an einer nicht dargestellten Konstantstromquelle liegt. Um den Spektralbereich
des von den Leuchtdioden erzeugten Lichtes, z.B. Infrarot, weiter einzuengen, ist
in an sich bekannter Weise ein Lichtfilter 6 vorgesehen. Als Lichtempfänger dient
erfindungsgemäß ein Nicht-UND-Gatter 7, das aus einer Reihenschaltung von Phototransistoren
8...10 mit einem Lastwiderstand 11 besteht, die über eine Klemme 12 an einer nicht
dargestellten, stabilisierten Spannungsquelle liegt. Die Widerstände 13...15 dienen
zum Ausgleich der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Phototransistoren 8...10.
Das Nicht-UND-Gatter 7 ist über eine Ausgangsklemme 16 und ein RG-Glied 17/18 an
den Eingang eines Verstärkers 19 angeschlossen, dessen Ausgang über einen Kondensator
2D mit dem invertierenden Eingang eines als Komperator geschalteten Operationsverstärkers
21 verbunden ist. Die Schwellenspannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
21 läßt sich mit dem Potentiometer 22 einstellen. Die Lichtquelle 1 und das Nicht-UND-Gatter
7 befinden sich beispielsweise in den gegenüberliegenden Schenkeln einer Gabel oder
eines viereckigen Rahmens.
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Werden alle in dem Nicht-UND-Gatter 7 enthaltenen Phototransistoren
8...10 angeleuchtet, so sind diese leitend und an der Ausgangsklemme 16 herrscht
der Zustand L. Sobald mindestens einer der Phototransistoren a...10 durch einen
Gegenstand abgeschattet wird, fällt der Strom durch das Nicht-UND Gatter 7, oder
wird nahezu zu Null. Dadurch stellt sich an der Ausgangsklemme 16 der Zustand H
ein. Auf Grund dieser logischen Verknüpfung.der auftreffenden Lichtsignale ergibt
sich jeweils bei Beginn einer Abschattung, d;h.
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bei Eintritt eines Gegenstandes in die Lichtschranke, immer eine eindeutige
Zustandsänderung nämlich ein Spannungssprung von L nach H. Deshalb kann die Verstärkung
des Verstärkers 19 hoch sein, um in jedem Fall ein verwert- -bares Signal am Ausgang
23 des Operationsverstärkers 21 zu erhalten.
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In der Regel dienen Lichtschranken dieser Art zur Überwachung dynamischer
Vorgänge. Sollen aber Änderungen statischer Zustände festgestellt werden, dann müssen
die in der Anordnung enthaltenen Stufen direkt gekoppeit werden.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind mehrere Lichtquellen 3D.
.32 und Nicht-UND-Gatter 33...35 vorgesehen. Die Darstellung derselben ist in der
Figur 2 stark vereinfacht. Die Anzahl der in einer dieser Anordnungen enthaltenen
Bauelemente richtet sich nach der verfügbaren Betriebsspannung und die Zahl der
Lichtquellen 30...au und Nicht-UND-Gatter 33...35 nach der Größe des zu überwachenden
Querschnittes. Der Anschluß 36 führt zu einer Konstantstromquelle und der Anschluß
37 zu einer stabilisierten Spannungsquelle. Das Lichtfilter 47 dient, wie bereits
beschrieben, zur Einengung des Spektralbereiches der Lichtquellen .... .32.
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Die Ausgänge 38.. 40 der Nicht-UND-Gatter 33.. .35 sind über Kondensatoren
41...43 an die Eingänge eines ODER-Gatters 44 hoher Verstärkung angeschlossen. die
Eingänge 46, deren Anzahl beliebig sein kann, dienen zum Anschluß weiterer Nicht-UND-Gatter.
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Tritt an mindestens einem der in den Nicht-UND-Gattern 33.. .35 enthaltenen
Phototransistoren eine Abschattung auf, dann ergibt sich am Ausgang 38, 39 oder
4D eine Zustandsänderung, die am Ausgang 45 des ODER-Gatters 44 einen Impuls auslöst.
Dieser kann, wie in Fig. 1 dargestellt, einem Komperator zugeführt werden.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführmngsbeispiel für das in Fig. 2 enthaltene
ODERaGatter 44 hoher Verstärkung. Es weist zwei Operationsverstärker 50 und 51 auf,
die über ein aus einem Kondensator 52 und einem Widerstand 53 bestehendsn Koppelglied
in Kaskade geschaltet sind. Eingangsslgnale, z.B. der Nicht-UND-Gatter 33...35 (Fig.
2) an jeweils einem der Eingänge 56, 57 oder 58 gelangen über Kondensatoren 59,
60 oder 61 und Ehtkopplungswiderstände 62, 63 oder 64 an den invertierenden Eingang
des ersten Operationsverstärkers 50. Dieser gibt sie über den zweiten, ebenfalls
invertierenden Operationsverstärker 51 an eine Ausgangsklemme 65 weiter. Die Höhe
der Verstärkung
ist mit Hilfe der Gegenkopplungswiderstände 54 und
55 einstellbar. Durch die mit dem Bezugszeichen 66 versehenen Leistungen soll die
Möglichkeit der Erweiterung des ODER-Gatters angedeutet werden.
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Z Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit drei Figuren