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Beschreibung
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Lichtschrankensystem Die Erfindung betrifft ein Lichtschrankensystem
zur Erfassung von sich in einem Zwischenbereich zwischen einem Lichtsender und einem
Lichtempfänger befindlichen Gegenständen bzw. zur Erfassung einer Annäherung an
Gegenstände (Reflexlichtschranke), insbesondere zur Absicherung von mit elektrischen
Fensterhebern ausgerüsteten Kfz.-Fenstern oder zur Absicherung und Messung einer
Grenzdistanz.
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Lichtschranken sind in vielfältiger Form bekannt und werden immer
dort verwendet, wo es darum geht, in einem Zwischenbereich befindliche Gegenstände
zu erfassen und auf der Grundlage einer solchen Messung steuerungstechnische Vorgänge
vorzunehmen. Beispielsweise ist es bekannt, bei moderneren Fahrstühlen den Türzwischenbereich
mit Hilfe eines Lichtschrankensystems, bestehend aus einem optischen Sender und
einem optischen Empfänger, zu überwachen, damit festgestellt werden kann, ob sich
noch Personen in diesem Türzwischenbereich befinden, d.h. ob der Fahrstuhl noch
betreten wird oder ob die Schließbewegung der Türen eingeleitet werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, als Lichtsender neben
üblichen Lampen sogenannte Infrarotdioden zu verazenden, während der auf den Lichtsender
ausgerichtete Empfänger eine lichtempfindliche Anordnung umfaßt, beispielsweise
einen Fototransistor. Nachteilig ist aber bei solchen Lichtschrankensystemen, daß
der Lichtempfänger aLlgemein auch auf Streulicht oder auf andere Lichtquellen reagieren
kann, so daß die Uberwachung
des Zwischenraums nicht absolut sichergestellt
ist.
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In einem anderen Zusammenhang ist es bekannt, Kraftfahrzeuge oder
sonstige bewegliche Einheiten, die hauptsächlich dem Transport von Menschen dienen,
immer häufiger mit sogenannten Servoeinrichtungen auszustatten, beispielsweise in
Kraftfahrzeugen elektrische Fensterheber anzubringen. Solche elektrischen Hebeantriebe
werden durch Betätigung eines Schalters in Gang gesetzt, wobei dann beispielsweise
bei Erreichen der obersten Position durch die Fensterscheibe ein Endschalter betätigt
wird zur Abschaltung des liebeantriebs. Damit unter allen Umständen sichergestellt
wird, daß das Fenster bei Ansteuerung des liebeantriebs durch einen entsprechenden
Steuerbefehl auch tatsachlich geschlossen wird, sind die Antriebsmotoren vergleichsweise
kräftig ausgelegt, so daß sich liebekräfte von beispielsweise 40 kp oder mehr auf
die elektrisch zu bewegende Fensterscheibe ergeben. liter kann die Gefahr auftreten,
daß es zum Beispiel zu einem Einquetscien von Fingern oder auch des Kopfes von Personen,
beispielsweise von innerhalb des Kraftfahrzeugs spielenden Kindern kommt, wenn etwa
ein Kind die Fensterscheibe mit einer oder beiden ijänden erfaßt oder aus dem Fenster
schaut und ein zweites Kind den Fensterheber in Betrieb setzt. Ein solcher Fall
ist auch bei Erwachsenen denkbar, muß aber unter allen Umständen vermieden werden.
Zwar sind in solchen Fensterhebeantrieben Rutschkupplungen eingebaut, diese sind
aber entsprechend kräftig ausgelegt und sprechen nur bei einer maximalen Sperrwirkung
an, sie können aber auch ganz versagen, insbesondere bei Alterung und seltener Benutzung.
Insgesamt müssen solche Rutschkupplungen als unzuverlässig angesehen werden, wobei
sich gezeigt hat, daß die Rutschkupplungen Umwelteinflüssen nicht gerecht werden
können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Lichtschrankensystem
allgemein zur Erfassung von sich in einem Zwischenbereich zwischen einem Lichtsender
und einem Lichtempfänger befindlichen Gegenständen zu schaffen, welches auch bei
Annäherung an eine Grenzdistanz anspricht und insbesondere zum Einsatz auf dem Kfz.-Gebiet
allgemein geeignet ist und sicherstellt, daß Störungen weitestgehend ausgeschlossen
werden, d.h. daß bei einer Vielzahl vorhandener einzelner Lichtschrankeneinrichtungen,
bestehend aus Sender und Empfanger, keine gegenseitige Beeinflussung insofern auftritt,
daß etwa ein Empfänger einer Einrichtung auf den Sender einer anderen anspricht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs
genannten Lichtschrankensystem und besteht erfindungsgemaß darin, daß zur Vermeidung
einer gegenseitigen Störung oder Beeinflussung bei mehreren, das Lichtschrankengesamtsystem
bildenen Lichtschranken-Sender- und Empfängereinrich tungen jele einzelne Lichtschrankeneinrichtung
auf einer vorgegebenen, die E:armonischen anderer Lichtschrankeneinrichtungen vermeidenden
Frequenz arbeitet, nämlich sendet und auch nur auf diese, selbsterzeugte Frequenz
anspricht.
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Bei einem solchen Lichtschrankensystem ist vorteilhaft, daß eine gegenseitige
Beeinflussung ausgeschlossen ist; außerdem ist sichergestellt, daß bei Einsatz des
Lichtschrankensystems auf dem Gebiet des Kraftfahrzeugwesens keine Schäden mehr
entstehen können.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die jeweiligen Lichtsender, nämlich
die Infrarot-Dioden (IR-Dioden) im Pulsbetrieb angesteuert werden, wobei sich dann
Ansteuerströn bis zu 2000 mA
ergeben. Bei einem solchen Impulsbetrieb
werden erhebliche Reichweiten erzielt, und zwar ohne zusätzliche Optik.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Lichtschrankensystems
möglich. Besonders vorteilhaft ist, wenn als Steuereinheit für den Lichtsender (IR-Diode)
und den Lichtempfänger (Fototransistor) ein sogenannter Tone-Dekoder verwendet wird,
der auf die Phasenlage der ihm vom Lichtempfänger zugeführten Impulse mit Bezug
auf die von ihm selbst dem Lichtsender zugeführten Ansteuerimpulse anspricht Da
nur Impulse gleicher Frequenz über die gleiche Phasenlage zueinander verfügen, ist
die Steuereinheit in der Lage, auf die von ihr selbst erzeugte Tonefrequenz anzusprechen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nach Aufbau und Wirkungsweise in der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen
näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Lichtschrankensystems
in bevorzugter Anwendung auf elektrische Fensterheber bei einem Kraftfahrzeug, Fig.
2 in detaillierterer Darstellung die Steuereinheit des Blockschaltbilds mit einigen
peripheren Beschaltungselementen und Fig. 3 die Anordnung von Lichtsender(n) und
Lichtempfänger(n) im Bereich eines Kfz.-Fensters.
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Bevor im einzelnen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele vorliegender
Erfindung
eingegangen wird, wird darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung zur Anwendung
überall dort eignet, wo gegenseitige Beeinflussungen und Störungen einesLichtschrankensystems,
welches eine Vielzahl von Lichtschrankenuntereinheiten umfaßt, unbedingt zu vermeiden
sind und wo sichergestellt werden soll, daß auch sonstige äußere Einflüsse ausgeschlossen
sind.
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Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, daß ein Lichtsender
von einer Wechselspannungsquelle, die bevorzugt eine Rechteck-Impulswellenform und
nach Umsetzung Nadelimpulse hoher Leistung erzeugt, angesteuert wird, wobei der
Ausgang des Lichtempfängers auf einen Eingang der Steuereinheit rückgeführt ist.
Die Steuereinheit ist so ausgebildet, daß sie durch Phasenvergleich die Identität
der Frequenz des vom Lichtempfänger empfangenen und ihr zugeführten Lichtsignals
mit der Frequenz feststellt, mit welcher sie selbst den Lichtsender ansteuert. Bei
Frequenzidentität kann ein Ausgangssignal angesteuert und ein Ausgangszustand angezeigt
werden, der die Vornahme weiterer Steuermaßnahmen, beispielsweise die Ansteuerung
von Hebetriebenfür Kraftfahrzeugfenster freigibt.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Steuereinheit mit 1 bezeichnet;
sie besteht aus einem sogenannten Tone-Dekoder, der etwa unter der Bezeichnung NV
567 von der Firma
erhältlich ist. Auf den spezifischen Aufbau des Tone-Dekoders wird weiter unten
dann noch anhand der Darstellung der Fig. 2 eingegangen. Die Steuereinheit 1 in
Form des Tone-Dekoders verfügt über, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel'
mindestens zwei äußere Beschaltungsmöglichkeiten, nämlich über eine Frequenzeinstellungseinrichtung
2, bestehend aus einem Widerstand 4 und einem Kondensator 5 und aus einem Bandbreiten-Einstellfilter
3,
bestehend aus beispielsweise zwei Kondensatoren 10 und 11. Die Frequenzeinstellungseinrichtung
2 ermöglicht die Einstellung der Frequenz der am Wechselspannungsausgang 6 der Steuereinheit
1 abgegebenen Ansteuerspannung für den Lichtsender 7, während das Bandbreiten-Einstellfilter
es erlaubt, die Frequenzbandbreite, also die Bandbreite des von der Steuereinheit
1 noch akzeptierten Frequenzsignals, welches dem selektiven Eingang lazugeführt
ist, zu bestimmen. Am Schaltausgang 3 erzeugt die Steuereinheit 1 bei einwandfrei
empfangenem und innerhalb der akzeptierbaren Frequenzbandbreite noch liegewdem rückgeführten
Signal vom Lichtempfänger ein Ausgangsschaltsignal, welches beispielsweise zur Ansteuerung
eines Ausgangsrelais 9 dienen kann. Das Ausgangsrelais 9 verfügt über mindestens
einen Relaiskontakt 9a, mit welchem sich beispielsweise die Ansteuerung des Fensterhebermotors
12 freigeben oder ssperrerl l.
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Zur Aufbereitung des am Ausgang 6 der Steuereinheit 1 liegenden Wechselspannungs-Steuersignals,
welches ein Rechteckwellensignal mit einen Impuls-Pausen-Verhältnis von 1:1 darstellt,
kann ein llonostabiler Multivibrator 13 dienen, der an seinem Ausgang 13a in der
Frequenz zum Rechteckwelleneingangssignal identisch liegende Nadelimpulse geringer
Dauer erzeugt, die einem nachgeschalteten Leistungsverstärker 14 zugeführt sind.
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Dieser Leistungsverstärker betreibt dann den Lichtsender 7, der eine
herkömmliche Leuchtdiode sein kann, mit einem Impulsstrom, der bei einem geeigneten
Impulsbetrieb Werte bis zu 2000 mA annehmen kann. Mit solchen Strahlungsleistungen
lassen sich bei geeigneten Empfängern ohne zusätzliche Optik Reichweiten von mehreren
Metern erzielen.
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In Fig. 1 sind der oder die Lichtempfänger, die jeweils Fototransistoren
sein können, mit 15a, 15b, bezeichnet;
ihre Ausgangsanschlüsse
werden über eine Gleichspannungssperre 16 den seleh-tiven L;ingang la ö2r Steuereinheit
1 zuge ahrt. Di Zuführung erfolgt über ein viiD-Gatter 17, wenn m.ellrere Lichtempfänger
einer gemeinsamen, zu überwachenden Einrichtung zugeordnet sind, damit die Steuereinheit
1 nur dann anspricht, wenn sämtliche Lichtempfänger optisch mit dem Lichtsender
in Verbindung stehen und ein entpsrechendes, gepulstes und mit der Sendefrequenz
im wesentlichen identisches Frequenzsignal abgeben.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht die Steuereinheit
1 bevorzugt aus einem Baustein in integrierter Schaltungstechnik (IC) und ist ein
sogenannter Tone-Dekoder, der über eine sogenannte "phase locked loop"-Schaltung
verfügt.
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Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 verfügt ein solcher Tone-Dekoder,
der bei 1 durch die gestrichelte Umrandung kenntlich gemacht ist, über einen Oszillatorl8,
der bevorzugt ein stromgesteuerter Oszillator ist und dessen Frequenz, beispielsweise
durch äußere Beschaltung mittels des weiter vorn schon erwähnten Widerstandes 4
und des Kondensators 5 auf einen Bereich zwischen z. B. 0,1... bis 500 kHz eingestellt
werden kann.
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Das Empfangsteil ist ein Phasendetektor 19, der intern auf diese eingestellte
Frequenz abgestimmt wird, und zwar durch Zuleitung eines entsprechenden Steuersignals
über die Leitung 20 vom Oszillator 18. Das Eingangssignal am Eingang lawird iiber
die Leitung 21 im übrigen gleichzeitig auf einen quadrierenden Phasendetektor 22
gegeben, der über die Leitung 23 ebenfalls ein Ausgangssignal des stromgesteuerten
Oszillators 18 zugeführt erhalt. Beide Signale, nämlich die des Phasendetektors
19 und die des quadrierenden Phasendetektors 22 werden miteinander verglichen und
bei Phasengleichheit wird ein innerhalb der Steuereinheit 1 befindlicher und daher
eingebauter Verstarker 24 durchgeschaltet und das an Betriebsspannung +UB liegende
Ausgangsrelais
9 erregt. Wie schon erwähnt, kann die Bandbreite der als akzeptierbar auszuwertenden
Eingangsfrequenz am selektiven Eingang la durch externe Bauelemente, beispielsweise
die Kondensatoren 10 und 11 eingestellt werden. Wegen der Rückführung des Ausgangssignals
des Phasendetektors 19 auf den Steuereingang 18a des stromgesteuerten Oszillators,
beispielsweise über einen Verstärker 25/erzielt man eine Verriegelung bezüglich
der Frequenz- und Phasenbedingungen des von der Steuereinheit 1 erzeugten und empfangenen
Steuersignals, so daß Frequenzänderungen durch Alterungserscheinungen oder durch
Änderungen der Versorgungsspannungen kompensiert werden.
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Die Steuereinheit 1 spricht nur auf solche vom Lichtempfänger 15a
abgegebenen und ihrem selektiven Einganglazugeführten Signalimpulsfolgen an, die
innerhalb der gegebenen Frequenzbandbreite liegen, und auch nur dann, wenn eine
definierte Anzahl solcher Impulse eingegangen ist. Treten daher Störimpulse kurzer
Dauer auf, dann wird der Ausgangsverstärker 24 schon deswegen nicht durchgesteuert;
denn die Anzahl der möglicherweise empfangenen Störimpulse ist in den meisten Fällen
wesentlich geringer als die Zahl der Impulse, die zum Durchsteuern dieses internen
Verstärkers 24 benötigt werden.
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Im übrigen läßt sich bei dem getroffenen Aufbau die durch den Widerstand
4 und den Kondensator 5 eingestellte Frequenz als Rechtecksignal an diesem äußeren
Anschluß 26 des Widerstands 4 abgreifen, wobei allerdings die Belastung vergleichsweise
gering sein muß, damit die Schaltfrequenz nicht beeinflußt wird.
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Diese Ausgangs-Rechteckwellenschaltimpulse werden zur Verkürzung über
die Leitung 26a einem getriggerten Monoflop 27 zugeführt, beispielsweise über dessen
Eingangs-ODER-Gatter 28. Die Dauer der Ausgangsimpulse 3lades monoflop 27 läßt sich
durch äußere Beschaltung mit einem veränderlichen Widerstand 29 und einem
Kondensator
30 bestimmen. Die Ausgangsimpulse des Monoflops 27 gelangen über einen zwischengeschalteten
Leistungsverstärker 31 auf den Lichtsender 7, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Leuchtdiode, nämlich eine IR-Leuchtdiode ist.
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Ein gegen Masse nachgeschalteter NTC-Widerstand 32 erhöht den Stromfluß
durch die Leuchtdiode und kompensiert so eine mögliche Abnahme der Strahlungsleistung
bei steigender Temperatur.
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Die von der Leuchtdiode (Lichtsender 7) ausgesandten Lichtimpulse
treffen auf den optischen Empfänger 15a, und zwar auf einen Fototransistor, der
seine Speisespannung über einen Widerstand 33 zugeführt erhält. Auf diese Weise
gelangen die bevorzugt in Lichtimpulse umgewandelten und verkürzten Rechteckwellensignale
der Steuereinheit 1 wieder auf deren selektiven Eingangsanschluß la. Da diese Impulse
phasengleich mit der eingestellten Frequenz sind, spricht die Steuereinheit, d.h.
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der Tone-Dekoder auf diese Impulse an, nachdem eine definierte Anzahl
davon eingegangen sind. Das im Ausgangskreis liegende Relais 9 zieht an und bleibt
so lange angezogen, wie von der Leuchtdiode des Lichtsenders 7 dem Fototransistor
des Lichtempfängers 15a Lichtimpulse zugeführt werden. Dieses Impulslicht des Lichtsenders
7 entspricht in seiner Taktfrequenz genau der eingestellten Frequenz des Tone-Dekoders.
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Der Verstärker 31, der dem das Impulspausenverhältnis der zugeführten
Eingangs-Rechteckwellenfrequenz verkür z enden Monoflop nachgeschaltet ist, ist
bevorzugt als sogenannter Darlingtonverstärker ausgebildet und daher in der Lage,
der IR-Leuchtdiode den gepulsten Ansteuerstrom von maximal 2 A zuzuführen.
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Bei Unterbrechungdes Lichtflusses zwischen dem Lichtsender 7 und dem
Lichtempfänger 15a fällt auch der Arbeitskontakt 9a des Ausgangsrelais 9 ab, so
daß bei einem später noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel die Speisespannungszufuhr
zu einem Fensterhebemotor sofort unterbrochen wird und dieser stehen bleibt.
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Ändert sich die Frequenz des Tone-Dekoders infolge Alterung, Spannungs-
und Temperaturschwankungen, dann ändert sich im gleichen Verhältnis auch die Signalfrequenz
des Lichtsenders 7, so daß die gesamte Lichtschrankeneinrichtung gegen solche Störungen
kompensiert ist.
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Fremdlicht (Tageslicht, Glühlicht) oder sonstiges Impulslicht bei
Vorhandensein von mehreren Lichtschrankeneinrichtungen, etwa in einem Kraftfahrzeug
mit vier elektrischen Fensterhebern, beeinflußt das System nicht, vorausgesetzt,
daß das Impuls leicht nicht die gleiche Frequenz oder eine Harmonische dieser Frequenz
aufweist. Im übrigen läßt sich Fremdlicht bei Verwendung einer IR-Diode als Lichtsender
noch dadurch ausschalten, daß vor den optoelektronischen Lichtempfänger 15a ein
IR-Filter vorgeschaltet wird, welches Licht im Spektralbereich unter beispielsweise
900 Nanometer nicht durchläßt.
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Messungen haben ergeben, daß ohne zusätzliche Optik Reichweiten von
mehreren Metern erzielt werden können bei hervorragender Selektivität. Dabei ist
die erreichbare Entfernung auch vom öffnungswinkel der Leuchtdiode abhängig. Die
verwendeten Bauelemente sind in ihren Abmessungen sehr klein; eine Leuchtdiode mit
einer maximalen Belastung von 2 A im Impulsbetrieb hat t einen Durchmesser vonca.mm,
die Lichtempfänger sind meist noch kleiner.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß je nach Auswahl der Bauelemente eine
genaue Ausrichtung von Senderdiode und optoelektronischen Lichtempfängern nicht
erforderlich ist, da das System ohnehin selektiv arbeitet. Dadurch ergibt sich der
Vorteil, daß bei Anbau an mobile Geräte Verwindungen oder Verschiebungen ohne Einfluß
bleiben und es auch möglich ist, mit einer Leuchtdiode zwei optoelektronische Empfänger
anzusteuern, die, wie weiter vorn schon erwähnt, über eine UND-Schaltung 17 miteinander
verknüpft sind.
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Der Darstellung der Fig. 3 läßt sich der Einsatz einer solchen Lichtschrankeneinrichtung
zur Absicherung einer mittels elektrischem Fensterheber schließenden Scheibe bei
einem Kraftfahrzeug entnehmen. Der Türrahmen 35 enthält eine halbgeöffnete Scheibe
36, wobei der Lichtsender bei 37 links oben eingebaut ist. Das von dem Lichtsender
37 ausgesandte Licht trifft auf einen Strahlungsteiler 38, der etwa 50 % der einfallenden
Lichtimpulse auf einen in seiner Nähe befindlichen Lichtempfänger 39 aufleitet und
50 % einem unten rechts angeordneten Lichtempfänger 40 zuführt. Anstelle des Strahlteilers
38 kann an dieser Stelle ein zweiter IR-Lichtsender eingebaut werden, der nach unten
strahlt und den Lichtempfänger 40 ausleuchtet. Es ist schließlich auch möglich,
lediglich mit einem Lichtsender 37 links oben im Türrahmen zu arbeiten und einem
Lichtempfänger 40 rechts unten, wobei im Bereich des Strahlteilers 38/Lichtempfängers
39 eine nicht dargestellte Lichtumlenkeinrichtung angeordnet ist, die die Lichtimpulse
dem Lichtempfänger 40 zuführt.
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Es empfiehlt sich, Lichtsender und Lichtempfänger so anzuordnen, daß
sie sich bei geschlossenen Türen innerhalb des Fahrzeugs befinden, so daß die Gefahr
einer Vereisung oder Verschmutzung
stark reduziert ist. Im übrigen
werden IR-Systeme durch Schmutz weniger beeinflußt als Lichtschranken, die im sichtbaren
Bereich arbeiten.
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In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung läßt sich das erfindungsgemäße
Lichtschrankensystem auch zur Erfassung einer Annäherung an Gegenstände ausbilden,
und zwar unter Verwendung einer sogenannten Reflex-Lichtschranke, von denen beispielsweise
mehrere am Heck und an der Front eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein können. Sobald
sich ein solches Kraftfahrzeug beim Einparken einem anderen Kraftfahrzeug zu stark
nähert, ergibt sich ein Signal etwa in Form eines Summtons, wenn man anstelle des
Relais 9 einen Summer o. dgl. anschließt. Die Reflex-Lichtschranke ist so ausgebildet,
daß sie als einheitliches Bauteil eiren Lichtsender und einen Lichtempfänger enthält,
wobei der Lichtempfänger bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nur auf solche
Lichtimpulse mit solcher Frequenz anspricht, die von dem Lichtsender ausgesendet
und von in der Nähe befindlichen Gegenständen bei entsprechender Annäherung reflektiert
werden.
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