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Steuerschaltung für eine berührungslos arbeitende
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Detektionsanordnung
Beschreibung Die Erfindung betrifft
eine Steuerschaltung für eine berührungslos arbeitende Detektionsanordnung mit einem
bei einer bestimmten Frequenz arbeitenden Oszillator; mit einer vom Oszillator angesteuerten
Sendeeinrichtung; mit einer Empfangseinrichtung; mit einem der Empfangseinrichtung
nachgeschalteten, auf die Frequenz des Oszillators abgestimmten, schmalbandigen
Verstärker; mit einer von dem schmalbandigen Verstärker beaufschlagten elektrischen
Schalteinrichtung, über die ein bestimmter Vorgang steuerbar ist.
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Bei bekannten Steuerschaltungen dieser Art sind Oszillator und schmalbandiger
Verstärker getrennte Schaltungskreise. Sie müssen zur Vermeidung von Störsignalen
sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Im Laufe der Zeit können jedoch Verstimmungen
dadurch auftreten, daß die frequenzbestimmenden Schaltungselemente durch Alterung
und/oder Temperatureinflüsse ihren Wert verändern. Die Steuerschaltung arbeitet
dann nicht mehr mit voller Empfindlichkeit und verliert schließlich ihre Funktionsfähigkeit.
Der getrennte Aufbau von Oszillator und schmalbandigem Verstärker ist außerdem verhältnismäßig
aufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerschaltung der
eingangs genannten Art derart auszubilden, daß bei geringerem baulichem Aufwand
auch auf lange Zeit hinweg unabhängig von Temperatur- und Alterungseinflüssen eine
exakte Abstimmung erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oszillator
der interne Oszillator eines handelsüblichen PLL-Kreises 1; 101; 201 ist und daß
der PLL-Kreis 1; 101; 201 zugleich als schmalbandiger Verstärker für das Ausgangssignal
der Empfangseinrichtung geschaltet ist, wodurch eine
in sich abgestimmte
Sende- und Empfangseinheit entsteht.
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PLL-Kreise werden bisher im wesentlichen in der Nachrichtenübertragung,
beispielsweise zum Dekodieren von Fernmeldewähltönen eingesetzt. ihre charakteristische
Eigenschaft besteht darin, daß sie dann ein Ausgangssignal erzeugen, wenn ein Eingangssignal
innerhalb eines scharf definierten Frequenzbandes an ihrem Eingang liegt. PLL ist
die Abkürzung für die englische Bezeichnung "phase-locked-loop" (phasenverriegelte
Schleife). Derartige Kreise, die in großen Stückzahlen hergestellt werden und im
Handel verhältnismäßig preiswert erhältlich sind, besitzen einen internen Oszillator,
den sich die vorliegende Erfindung als Sendeoszillator zunutze macht. Innerhalb
einer Steuerschaltung der gattungsgemaßen Art übernimmt der PLL-Kreis somit die
Doppelfunktion von schmalbandigem Verstärker und Oszillator. Eine innere Verstimmung
ist bei dieser Bauweise zwangsläufig ausgeschlossen, selbst wenn bestimmte Schaltungselemente
durch Alterung und/oder Temperatur ihren Wert ändern sollten.
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Das Ausgangssignal des internen Oszillators des PLL-Kreises kann an
einem Anschluß des PLL-Kreises für ein frequenzbestimmendes Schaltungselement abgenommen
werden. Zweckmäßigerweise liegt zwischen dem Anschluß des PLL-Kreises, an dem das
Signal des internen Oszillators abgenommen wird, und der Sendeeinrichtung eine Treiberstufe.
Diese stellt die notwendige Leistung für die Sendeeinrichtung bereit.
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In entsprechender Weise sollte zwischen der Empfangseinrichtung und
dem Signaleingang des PLL-Kreises ein Verstärker liegen.
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Zur Aussteuerung der elektrischen Schalteinrichtung ist es im allgemeinen
erforderlich, daß zwischen dem Signalausgang des PLL-Kreises und der elektrischen
Schalteinrichtung ein Verstärker liegt.
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Das frequenzbestimmende Schaltungselement des PLL-Kreises kann variabel
sein. Die Arbeitsfrequenz der gesamten Steuerschaltung kann dann jederzeit, auch
noch am Einsatzort, verändert werden. Auf diese Weise lassen sich mehrere gleichartige
Steuerschaltungen in einem Raum nebeneinander verwenden, ohne daß zwischen den Sende-
und Empfangseinrichtungen besondere optische Abschirmungen vorgesehen werden müssen.
Der Wert des frequenzbestimmenden Schaltungselementes kann sowohl in Stufen als
auch kontinuierlich veränderbar sein.
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Zu Erzielung einer optimalen Phasenlage des vom Sendelicht erzeugten
Eingangssignals am PLL-Kreis ist es vorteilhaft, wenn zwischen die Empfangseinrichtung
und den PLL-Kreis ein die Phase des Einagnssignals verschiebender Kreis geschaltet
ist. Dieser'kann ein RC-Glied enthalten.
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Damit der Vorverstärker nicht durch Störsignale übersteuert wird,
die außerhalb des Frequenzbandes des PLL-Kreises liegen, kann zwischen die Empfangseinrichtung
und den PLL-Kreis ein Bandpaß-Filter geschaltet sein. Dabei kann es sich um den
entsprechend geschalteten Verstärker selbst handeln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert; es zeigen Figur 1: schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Steuerschaltung; Figur 2: ein detailliertes Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen
Steuerschaltung; Figur 3: schematisch ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.
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In Figur 1 ist das Grundprinzip der Steuerschaltung als Blockschaltbild
dargestellt. Kernstück ist der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete PLL-Kreis.
Wie erwähnt, ist PLL die Abkürzung für die englische Bezeichnung "phase-locked-loop"
(phasenverriegelte Schleife). PLL-Kreise sind an und für sich bekannt und im Handel
erhältlich. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie ein Ausgangssignal erzeugen,
solange ein Signal innerhalb eines scharf definierten Frequenzbandes an ihrem Eingang
liegt. PLL-Kreise sind außerordentlich unempfindlich gegen Temperatur und Alterung.
Sie enthalten neben einem Phasendetektor und anderen Elementen regelmäßig einen
steuer-Darein, internen Oszillator.
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Wie Figur 1 zeigt, wird der Eingang a des PLL-Kreises 1 über einen
Verstärker 2 vom Ausgangs signal einer Empfangsdiode 3 angesteuert, die der Erfassung
des in noch zu beschreibender Weise erzeugten Meßlichtes dient. Da das Meßlicht
frequenzmoduliert ist, liegt am Eingang a des PLL-Kreises 1 eine Wechselspannung
mit eben dieser Frequenz an.
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Wie oben erläutert, erzeugt der PLL-Kreis 1 am Ausgang b ein Signal,
wenn am Eingang a ein Signal geeigneter Frequenz und Phase liegt. Dieses Ausgangssignal
wird über einen Verstärker 4 an ein Magnetventil, ein Relais 5 oder dergleichen
gelegt.
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Dieses Magnetventil oder Relais 5 löst dann den gewünschten Vorgang
aus: beispielsweise wird ein Wasserfluß eingeleitet, ein Licht- oder Alarmsignal
ausgelöst, ein Gegenstand in Bewegung versetzt oder dergleichen.
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Das Ausgangssignal des internen Oszillators des PLL-Kreises 1 erscheint
an einem Ausgang c. Es wird über eine Treiberstufe 6 an die Sendediode 7 gelegt.
Das von der Sendediode 7 ausgestrahlte Licht ist also mit der Frequenz des internen
Oszillators des PLL-Kreises 1 amplitudenmodullert.
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Diese Frequenz des internen Oszillators wird durch eine äußere Beschaltung
festgelegt, die hier schematisch durch den zwischen die Anscjlüsse c und d gelegten
Widerstand 8 angedeutet ist.
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Die Funktion der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende: Der
interne Oszillator des PLL-Kreises 1 schwingt kontinuierlich mit der durch den Widerstand
8 bestimmten Frequenz. Entsprechend strahlt die Sendediode 7 kontinuierlich Sende
licht dieser Frequenz aus. Gelangt dieses Sendelicht direkt oder über die Reflektion
an einem Gegenstand oder einer Person
auf die Empfangsdiode 3,
so erscheint am Eingang a des PLL-Kreises 1 ein Signal, das zwangsläufig auf die
innere Frequenz des internen Oszillators abgestimmt ist. Daher erzeugt der PLL-Kreis
am Ausgang b ein Signal, mit dem über den Verstärker 4 die Einrichtung 5 durchgesteuert
wird: der gewünschte Vorgang beginnt, z.B. setzt ein Wasserfluß ein.
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Die Vorteile dieser Steuerschaltung sind auffallend: Der PLL-Kreis
1 übernimmt die Funktion zweier Baugruppen, die bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen
erforderlich waren.
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Er ist gleichzeitig der die Sendediode 7 speisende Oszillator und
der schmalbandige, auf den Oszillator abgestimmte Empfangsverstärker. Der bauliche
Aufwand ist also erheblich geringer als bei bekannten Schaltungen. Während bei diesen
aber die richtige Abstimmung des Empfängers auf den Sender keine Selbstverständlichkeit
ist und im Laufe der Zeit durch Temperatureinfluß und Alterung wieder verloren gehen
kann, stimmt sich die hier beschriebene Schaltung automatisch immer selbst ab. Temperatur
und Zeit haben auf die richtige Funktion keinen Einfluß.
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In Figur 2 ist eine detaillierte Schaltungsanordnung dargestellt,
deren Aufbau nachfolgend in den Grundzügen skizziert wird. Soweit einzelne Bauelemente
der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung nicht erwähnt sind, ist deren Funktion
dem Fachmann ohne weiteres verständlich.
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Die Empfangsdiode 103 ist über den Widerstand R 1 mit einer positiven
geregelten Versorgungsspannung + V1 und über den Widerstand R 2 mit Masse verbunden.
Der Verbindungspunkt von Empfangsdiode 103 und Widerstand R 2 ist über einen Kondensator
C 1 an einen Eingang eines Operationsverstärk rs 102 gelegt. Der Arbeitspunkt dieses
Operationsverstärkers 102 ist durch den Widerstand R 3 eingestellt. Zwischen dem
Aus-
gang des Operatlonsverstärkers 102 und dem zweiten Eingang
liegt ein Widerstand R 4, wie dies bei der äußeren Beschaltung von Operationsverstärkern
üblich ist.
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Das Ausgangssignal'des Operationsverstärkers 102 wird über den Widerstand
R 5 und den Kondensator C 2 an den Eingang a des PLL-Kreises 101 geführt. Dieser
ist zwischen die positive Versorgungsspannung + V1 und Masse geschaltet. Zwei Kondensatoren
C 3, C 4, die ebenfalls an Masse geführt sind, dienen zu Filtrationszwecken und
werden entsprechend den Vorschriften im Datenblatt des verwendeten PLL-Kreises 101
dimensioniert. Der Signalausgang b ist über eine Zener-Diode Z 1 an die Basis eines
Transistors T 1 gelegt. Der Kollektor des Transistors T 1 ist über einen Widerstand
R 6 mit der positiven Versorgungsspannung + V1 und über eine Zener-Diode Z 2 mit
der Basis des Transistors T 2 verbunden. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
T 2 liegt als Schalter im Stromkreis (Versorgungsspannung + V2) des Relais bzw.
Magnetventils 105. Letzteres ist durch eine Schutzdiode D 1 überbrückt.
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Die frequenzbestimmende äußere Beschaltung des PLL-Kreises 101 wird
bei diesem Beispiel durch den Widerstand R 7, der zwischen den Anschlüssen c und
d des PLL-Kreises 101 liegt, und durch den Kondensator C 5 bestimmt. Letzterer liegt
zwischen dem Anschluß d des PLL-Kreises 101 und Masse. Der Anschluß c des PLL-Kreises
101, an welchem das Signal des internen Oszillators erscheint, ist außerdem über
den Widerstand R 8 an die Basis des Transistors T 3 gelegt. Der Kollektor des Transistors
T 3 ist mit der positiven Versorgungsspannung § V1 verbunden. Der Emitteranschluß
des Transistors T 3 führt über einen Schutzwiderstand R 8 und über die Sendediode
107 an Masse.
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Die Funktion der Schaltungsanordnung von Figur 2 stimmt mit
der
Funktion der Schaltungsanordnung von Figur 1 vollständig überein.
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In Figur 3 ist eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Figur
1 dargestellt. Hinsichtlich der Sendediode 203, der Verstärker 202, 204, 206, des
PLL-Kreises 201, der Sendediode 107 und der zu schaltenden elektrischen Einrichtung
205 entsprechen die Verhältnisse vollständig denjenigen von Figur 1. Anstelle eines
einzigen frequenzbestimmenden Widerstandes sind jedoch mehrere Widerstände 208 unterschiedlichen
Wertes vorgesehen, die wahlweise mittels eines Stufenschalters 210 angelegt werden
können. Auf diese Weise ist es möglich, mittels eines einzigen Handgriffes die Frequenz
zu ändern, bei der die gesamte Schaltungsanordnung arbeitet.
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Dies ist dort von Bedeutung, wo innerhalb eines Raumes mehrere Geräte
unabhängig voneinander durch die von der Sendeeinrichtung ausgestrahlten Wellen
gesteuert werden sollen. Am Beispiel der beschriebenen Schaltung, bei denen die
Sende-und Empfangseinrichtungen Dioden und die ausgestrahlten Wellen Lichtwellen
sind: A rbeiten alle Steuerschaltungen bei derselben Frequenz, ist es zur Vermeidung
von Fehlschaltungen durch fremdes Streulicht unerläßlich, für eine vollkommene gegenseitige
optische Abschirmung der Geräte zu sorgen.
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Dies erfordert sehr großen Aufwand, ist unzuverlässig oder zuweilen
sogar unmöglich. In diesem Falle werden die verschiedenen, im selben Raume vorgesehenen
Steuerschaltungen mittels des Stufenschalters 210 auf unterschiedliche Frequenz
eingestellt. Eine gegenseitige Störung ist dann nicht mehr möglich, auch wenn keinerlei
optische Abschirmungsmaßnahmen getroffen werden.
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In diesem Zusammenhang erweist sich die Doppelfunktion de PLL-Kreises
201 als Sendeoszillator und als selektiver Empfangsverstärker als besonders glücklich:
zur Umstellung
von einer Frequenz auf die andere braucht nur der
Wert eines einzigen Bauelements (in Figur 3 der Wert des Widerstands 208) verändert
zu werden.
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Anstelle des Stufenschalters 210, dem eine bestimmte Anzahl von Widerständen
208 diskreter Werte zugeordnet ist, kann auch ein kontinuierlich verstellbares Potentiometer
verwendet werden. Die Schaltungsanordnung besitzt dann ein durchgängiges Band möglicher
Arbeitsfrequenzen.
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In Figur 3 ist als weiteres, frequenzbestimmendes Schaltungselement
der zwischen den Anschluß c des PLL-Kreises 201 und Masse gelegte Kondensator 211
gezeigt. Selbstverständlich kann auch dieser zur Einstellung der Arbeitsfrequenz
anstelle des Widerstands 208 stufenweise oder kontinuierlich veränderbar sein.
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Zur Erläuterung von zwei zweckmäßigen Ausgestaltungen der Schaltung
sei nocheinmal auf Figur'2 Bezug genommen: Zunächst sei nocheinmal daran erinnert,
daß-die beschriebene Schaltung die dauernde, zwangsläufige Selbstabstimmung zwischen
Sender und Empfänger sicherstellt, was die Arbeitsfrequenz anqt. Darüberhinaus ist
eine feste Phasenbeziehung zwischen dem Sendelicht und dem hieraus entstehenden
Eingangssignal am PLL-Kreis gewährleistet.-Dies Phasenlage kann jedoch von der zur
optimalen Funktion des PLL-Kreises 101 erforderlichen abweichen. Aus diesem Grunde
sind in Figur 2die RC-Glieder R5-C6 sowie R3-C1 vorgesehen, die so dimensioniert
werden, daß die Phase des Eingangssignals, das durch Sendelicht erzeugt wird, am
Eingang a des PLL-Kreises 101 optimal ist.
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Das zweite Problem, das bei den Schaltungsanordnungen nach den Figuren
1 und 3 auftreten könnte, ist darin
zu sehen, daß der Verstärker
2 bzw. 202 durch Störsignale mit einer Frequenz, die sich von der Oszillatorfrequenz
unterscheidet, übersteuert wird. Aus diesem Grunde ist in Figur 2 der Verstärker
102 als Hochpaß-Filter geschaltet. Hierzu dienen die geeignet dimensionierten Schaltelemente
R3, C1 und R8, C7. Die Bauelemente R5 und C6, deren Funktion bei der Drehung der
Phasenlage des Eingangssignals schon erwähnt wurde, haben in Richtung der oberen
Frequenz einen begrenzenden Einfluß.
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Oben wurde ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung beschrieben,
bei dem die Sende- und Empfangseinrichtungen Dioden waren und mit Licht als zur
Detektion benutzten Wellen gearbeitet wurde. Selbstverständlich können auch andere
Wellenarten, z.B. Ultraschallwellen, verwendet werden, wobei dann entsprechend angepaßte
Sende- und Empfangseinrichtungen zu benutzen sind.
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L e e r s e i t e