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Reflexionslichtschranke, insb. für einen Stellflächensensor
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Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke, insb.
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für einen Stellflächensensor zur Kontrolle der Belegung einer Fläche
oder eines Raumes mit einem infrarotemittierenden Strahlensender und einem Fototransistor
als Empfänger.
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Lichtschranken sind allgemein bekannt und dienen vielerlei Arten der
Registrierung oder Steuerung von Vorgängen, so beispielsweise der Zählung von Gegenständen
und Objekten, die durch deren Strahlengang bewegt werden. Die Reflexionslichtschranke
erhält ihre Bezeichnung aus der Art ihrer Arbeitsweise, die darin besteht, einen
Anteil an reflektiertem Licht zu erkennen und daraus ein entsprechendes Signal abzuleiten.
Allein im Bereich der Reflexionslichtschranken sind je nach Anwendungsfall zahlreiche
Ausführungsformen denkbar. Ein praktischer Anwendungsfall für eine Reflexionslichtschranke
der vorbezeichneten Art ergibt sich beispielsweise bei Stellflächensensoren, unter
welchem Begriff allgemein ein hochempfindliches Nachweis- und Kontrollgerät zu verstehen
ist, das auf der Basis von Lichtschwankungen ein Signal erzeugt. Stellflächensensoren
werden, wie schon die Begriffsbestimmung aussagt, unter anderem im Bereich des
Kraftfahrzeugverkehrs
und hier insbesondere als Registrier-, Kontroll- und Steuergerät zur Überwachung
an Ein- und Ausfahrten von Parkarealen oder Parkhausanlagen angewendet. Darüber
hinaus läßt sich mit solchen Stellflächensensoren insbesondere auch die gesamte
Belegung beispielsweise einer Großgarage kontrollieren und über eine zentrale Signalgabe
der Verkehrsfluß optimal steuern. Bei geeigneter Montage einer Reflexionslichtschranke,
d.h. bei einer entsprechenden Anbringung der aus Sender und Empfänger bestehenden
Einheiten in dem Überwachungsraum, bleibt man weitgehend unabhängig von formlichen
Abweichungen der zu registrierenden Objekte.
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Eine Lichtschwankung ist jedenfalls immer dann erzielbar, wenn durch
ein in den Strahlengang bewegtes Objekt der Anteil des reflektierten Lichtes verändert
wird. Ganz allgemein kann man davon ausgehen, daß für die Funktionsweise der Reflexionslichtschranke
von der Art der Strahlung, bezogen auf deren Wellenlänge, Lichtstrahlen aus dem
sichtbaren Bereich bis in den unsichtbaren Bereich angewendet werden können. Hier
jedoch setzen im Hinblick auf eine sichere Funktionsfähigkeit Einschränkungen ein,
die aufgrund der Umgebungsverhältnisse des Einsatzortes eine sehr wesentliche Rolle
spielen.
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Die bekannten Reflexionslichtschranken bringen in dem genannten Anwendungsbereich
dann ein befriedigendes Ergebnis, wenn die Umlichtverhältnisse sowie die Basis für
die Reflexion in gewissen Grenzen konstant zu halten sind. Nur so ist der Reflexionslichttaster
auf einen Bereich einstellbar, innerhalb welchem eine eindeutige Signalgabe gewährleistet
ist. Eine Maßnahme beispielsweise, um die störfälligen Einwirkungen des veränderlichen
Tageslichtes zu unterdrücken, besteht darin, die Reflexionslichtschranke anstelle
der Anwendung von konstantem Gleichlicht mit moduliertem Licht zu betreiben.
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Unter Berücksichtigung des Tageslichteinflusses und einer möglichst
geringen Manipulierfähigkeit läßt sich aus dieser Wechselbeziehung lediglich ein
gewisser Funktionsbereich abgrenzen. Dennoch bestätigen Versuche mit einer senderseitig
gepulsten
Strahlung im Infrarotbereich unter Verwendung beispielsweise einer infrarotemittierenden
Diode den Nachteil, daß der Fototransistor unter Einwirkung von unterschiedlichem
Tageslicht (Sonnenschein, Bewölkung, Nebel, Dämmerung, Dunkelheit) bedingt durch
seine Kennlinie auch verhältnismäßig in weitem Maße unterschiedlich verstärkt. Aus
diesem Grunde ist eine eindeutig sichere Signalgabe ohne die zusätzliche Maßnahme
beispielsweise über einen tageslichtgesteuerten Regelverstärker nicht gewährleistet.
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Eine andere Maßnahme, nämlich mit Gleichlicht den abzutastenden Fleck
auf der Abbildungswand zusätzlich zu beleuchten, bringt gleichfalls keine befriedigenden
Ergebnisse, weil schon allein durch äußere Einflüsse (Wasser, Schnee, Verschmutzung)
bedingt, der Reflexionsanteil, der von der getasteten Fläche ausgeht, sehr starken
Schwankungen unterworfen ist. Durch Messungen läßt sich leicht nachweisen, daß zwischen
einer naßen Betonstellfläche als Reflexionsebene gegenüber einer trockenen Betonstellfläche
bei gleichbleibendem Neigungswinkel nur noch ca. 1/5 der Signalamplitude vorhanden
ist. Das bedeutet, daß die Sicherheit der Detektion schon um ein Vielfaches schwindet,
wenn ein trockener Stellplatz von einem Regen benetzt wird. Hinzu kommt weiter,
daß auch die Reflexionseigenschaften des abgetasteten Untergrundes von sehr großer
Bedeutung sind. Ein Beweis hierfür ist, daß beispielsweise ein frischer, schwarzer
Makadambelag einen derart schlechten Reflexionsfaktor aufweist, daß das Ausgangssignal
des Empfangs-Fototransistors zur Erkennung völlig ungeeignet ist. Selbst nach anschließender
Verstärkung und Filterung läßt sich am Ausgang kein brauchbares Nutz-Störspannungsverhältnis
erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflexionslichtschranke der bezeichneten
Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß ohne erheblichen Aufwand ein Bereich
für eine eindeutige Signalgabe durch den Reflexionslichttaster unter erschwerten
Umlicht-
und Reflexionsflächenverhältnissen einstellbar ist und die Nachteile bekannter Reflexionslichtschranken
für vergleichbare Tastverhältnisse vermieden bleiben.
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Gelöst wird die vorstehend gestellte Aufgabe bei einer Reflexionslichtschranke
der bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Empfänger eine Gleichlichtquelle
aufweist, deren Gleichlichtstrahlung zusätzlich zu einem reflektierten Anteil einer
modulierten Lichtstrahlung von einem Sender ständig auf den Fototransistor gerichtet
ist, wodurch eine in Grenzen konstant haltbare Verstärkung durch den Fototransistor
des Empfängers erzielbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleichlichtquelle
in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Fototransistor angeordnet, derart daß die Lichtdetektionsfläche
des Fototransistors aufgrund einer festen Anordnung der Gleichlichtquelle konstant
mit Gleichlichtstrahlung beaufschlagbar ist.
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Ein Vorteil bei der Reflexionslichtschranke der bezeichneten Art besteht
darin1 daß mit der Anordnung einer Gleichlichtquelle über die Wirkung der Gleichlichtstrahlung
noch sehr schwache Signale aus dem reflektierten Anteil der modulierten Strahlung
eindeutig ausgewertet werden können. Die bei vielen Anwendungsfällen auftretenden,
für die Signalauswertung sich ungünstig erweisenden Umlichtverhältnisse werden aufgrund
der entsprechenden Anordnung der Gleichlichtquelle in einem lichtundurchlässigen
Gehäuse zusammen mit dem Fototransistor eliminiert, so daß nur ein vernachlässigbarer
Anteil an Fremdlicht zusammen mit dem reflektierten Anteil der modulierten Signalstrahlung
auf die fotoempfindliche Fläche gelangen kann. Weiter erreicht man durch die angegebene
Maßnahme eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Fotostromkennlinie in einen
optimalen Bereich der Stromverstärkung, so daß an einem Arbeitswiderstand entsprechend
um ein Vielfaches stärkere Spannungssignale entstehen. Der
Aufwand
ist vergleichsweise zu sonstigen Mitteln für eine Verstärkung von schwachen Signalen
und Ausfilterung von Fremdlichteinflüssen äußerst gering,und die Anordnung sowie
der Betrieb bzw. die Steuerung der Gleichlichtquelle sind völlig unproblematisch.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt FIG. 1 ein Blockschaltbild einer Reflexionslichtschranke
mit schematisiertem Strahlengang auf eine Abbildungswand oder Reflexionsebene, FIG.
2 schematisiert die Strahlung vom Sender über die Abbildungswand zum Empfänger,
mit und ohne Objekterkennung, FIG. 3 eine Einzelheit des Empfängers, schematisiert
im Schnitt, FIG. 4 ein Schaltungsprinzip für den Fototransistor, FIG. 5 eine graphische
Darstellung der Charakteristik des Fotostroms in Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke
(Auszug aus den Daten des Herstellers).
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In FIG. 1 ist ein elektrisches Blockschaltbild einer Reflexionslichtschranke
mit einem schematisierten Strahlengang auf eine Abbildungswand gezeigt. Grundsätzlich
läßt sich die Reflexionslichtschranke aufteilen in eine Baugruppe des Strahlensenders
1 und eine Baugruppe des Empfängers 2. Zur Baugruppe des Strahlensenders 1 gehört
beispielsweise ein Oszillator 3, ein Verstärker 4 ein Impedanzwandler 5 und schließlich
als Strahlungselement eine infrarotemittierende Diode 6 (IRED 6). Zur Einschränkung
der Manipuliermöglichkeiten und auch zur Unterdrückung von Tageslichtein-
flüssen
wird eine Lichtschranke je nach Verwendungszweck vorzugsweise anstelle von konstantem
Gleichlicht mit moduliertem Licht im unsichtbaren Bereich betrieben. Durch eine
Sammellinse 7 schließlich wird die Strahlung des Strahlenganges 1, dargestellt durch
deren optische Achse 9, am Zielobjekt bzw. auf einer Abbildungswand 8 als runder
Fleck abgebildet. Die Baugruppe des Empfängers 2 besteht, wie ebenfalls aus der
FIG. 1 ersichtlich ist, im wesentlichen aus einer Bikonvexlinse 1o, einem Fototransistor
11, einem Verstärker 12, einem Filter 13, einer Signalaufbereitung 14 und schließlich
einer Schaltstufe 15. Der Fototransistor 11 erkennt über einen in FIG. 1 und 2 stilisiert
angezeigten Strahlengang 16 und die Bikonvexlinse 1o den abgebildeten Fleck auf
der Abbildungswand 8. Werden nun der Strahlensender 1 und der Empfänger 2 so angeordnet,
daß sich die beiden optischen Achsen 9 und 16 in entsprechendem Abstand vor den
Linsen 7 und 10 schneiden, so ist der Schnittpunkt die Stelle, an welcher der runde
Fleck bzw. eine Infrarotmarke 17 scharf abgebildet wird (FIG. 1 und 2). Durch die
OberflAche der Abbildungswand 8, die in einem praktischen Anwendungsfall eine Fahrbahnoberfläche
oder eine Stellfläche für ein Kraftfahrzeug sein kann, wird ein Teil der Infrarotstrahlung
reflektiert und gelangt durch die Bikonvexlinse lo und eine Blende 18 mit einer
bestimmten Strahlungsleistung auf den Fototransistor 11. Bei nicht unterbrochenem
Strahlengang erzeugt der reflektierte Anteil der Infrarotmarke 17 ein bestimmtes
Bild b auf dem fotoelektrischen Wandler des Fototransistors 11 und entsprechend
ein bestimmtes Signal am Ausgang des Empfängers 2. Das Bild b zeichnet sich auf
dem Fototransistor 11 nur dann ab, wenn in dem Abstand, auf den der Schnittpunkt
der beiden optischen Achsen 9 und 16 eingestellt ist (plus einer gewissen Verschiebetoleranz)
kein Objekt, das bedeutet also eine reflektierende Infrarotmarke 17, gesehen werden
kann. Vor oder hinter der maximal für die optischen Verhältnisse zulässigen Abstandstoleranzen
wird zwar auch ein Bild b' einer Intrarotmarke 17/1 abgebildet; das Bild b' jedoch
fällt aufgrund der starren Winkeleinstellung
der beiden optischen
Achsen 9 und 16 empfängerseitig nicht mehr auf den Fototransistor 11, sondern bildet
sich daneben auf der Blende 18 ab (siehe FIG. 2 Strahlengang entsprechend der optischen
Achsen 1 6/1). Abgesehen von einem geringen Anteil von Streustrahlung erhält der
Fototransistor 11 keine ausreichende Reflexionsstrahlung mehr, d.h. allgemein der
Empfänger 2 liefert kein Signal. In die Praxis übertragen bedeutet dieser Zustand
beim Stellflächensensor schließlich die Anwesenheit eines Fahrzeuges im Bereich
der Stellfläche bzw. der Infrarotmarke 17. Wie aus FIG. 2 zu erkennen ist, bilden
die z. B. an einer Decke angeordneten Systeme des Strahlensenders 1 und des Empfängers
2 mit deren optischen Achsen 9 und 16 einen Winkel L derart, daß sich letztere auf
dem Stellflächenboden als der sog. Abbildungswand 8 schneiden. Die so entstehende
Infrarotmarke 17 erzeugt mit dem Reflexionsanteil der Strahlung im Fototransistor
11 ein Signal, das in der Auswertung eine freie Stellfläche ankündigt. Wird der
freie Platz mit einem Fahrzeug belegt, so wird eine Infrarotmarke 17/1 auf dem Fahrzeugdach
als einer sog. Abbildungswand 8/1 gesetzt. Die so in der Höhe des Fahrzeuges verschobene
Abbildungswand 8/1 liegt außerhalb des maximalen Verschiebebereiches zur Erzeugung
eines Signals. Der über die Infrarotmarke 17/1 auf dem Fahrzeugdach reflektierte
Anteil der Strahlung fällt neben die strahlungsempfindliche Fläche des Fototransistors
11 und kann infolgedessen kein Signal im Empfänger 2 erzeugen. Dieser Zustand kündigt
die Anwesenheit eines Fahrzeuges an bzw. signalisiert den "Belegt"-Zustand.
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Da eine Einrichtung der vorbezeichneten Art im praktischen Einsatz
den unterschiedlichsten Einflüssen im Hinblick auf Strahlungseinwirkungen und Reflexionseigenschaften
unterworfen ist, treten im Zusammenhang mit der Erzeugung einer eindeutigen Signalgabe
eine ganze Reihe nachteiliger Erscheinungen auf, die bislang nur durch Zusatzmaßnahmen
zu beseitigen waren. Hierzu ist es zum allgemeinen Verständnis erforderlich, auf
die Wirkungsweise und Eigenschaften eines Fototransistors kurz einzugehen. Eine
Ausgangsinformation für die verstärken-
de Wirkung der Signalspannung
bei einem Fototransistor bildet ein durch den Hersteller herausgegebenes Datenblatt
gemäß FIG. 5, in dem eine Kennlinie I dargestellt ist, die Angaben hinsichtlich
des Fotostromes in Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke entsprechend der Beziehung
Ip = f(Ev) vermittelt. Es handelt sich bei den Angaben gemäß FIG. 5 um Kenndaten
eines NPN-Silizium-Planar-Fototransistors mit einem linsenförmigen Fenster für frontale
Bestrahlungsrichtung. In den Bezeichnungen im Datenblatt nach FIG. 5 bedeutet Ip
= Fotostrom, E = Energie visible, E = Energie enerv e getisch. Aus dem Verlauf der
Kurve sind nachfolgende Abhängigkeiten herauslesbar: 1. Aus einer empfangsseitig
schwachen Strahlung EV1, Eel auf den Fototransistor 11 resultiert ein entsprechend
schwacher Fotostrom Ip1.
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2. Aus einer starken Strahlung EV2, Ee2 läßt sich ein starker Fotostrom
1P2 ableiten.
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Bei einem Stellflächensensor der eingangs bezeichneten Art trifft
auf den Empfänger 2 lediglich ein reflektierter Anteil der vom Strahlensender 1
abgegebenen Strahlungsmenge. Das bedeutet, daß infolgedessen auch nur ein äußerst
geringer Fotostrom Ip durch den Kollektor C (siehe Schaltung nach FIG. 4) fließt.
Hinzu kommt bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der gezeigten Art, daß der
Anteil der Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) aus dem Tageslicht oder auch aus einer
künstlichen Beleuchtung, der stets starken Schwankungen unterworfen ist, den Arbeitspunkt
des Fototransistors 11 auf der Kennlinie gemäß FIG. 5 mit der Veränderung der Strahlungsstärke
ständig verschiebt. Um einen IR-Sensor jedoch sicher betreiben zu können, muß der
Arbeitspunkt am Fototransistor 11 in eine stabile Lage gebracht werden. Bekanntlich
könnte die stabile Lage des Arbeitspunktes auch erreicht werden durch eine entsprechende
Beschaltung des Basisanschlusses B.
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Diese Maßnahme jedoch bringt wiederum den Nachteil mit sich, daß der
Fototransistor 11 in nicht erwünschtem Maße unempfind-
licher wird.
Es gilt daher Mittel zu finden, durch die die gegebene Empfindlichkeit eines Fototransistors
11 bei nichtbeschaltetem Basisanschluß B erhalten bleibt. Dies gilt umsomehr, da
bei den bezeichneten Anwendungsfällen nur sehr schwache Signale zur Auswertung anstehen,und
außerdem die Nachteile von sehr stark schwankenden Umlichtverhältnissen zu überwinden
sind.
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Geeignete Mittel zur Erfüllung der vorgenannten Forderungen bestehen
darin, daß dem Empfänger 2 eine Gleichlichtquelle 19 zugeordnet ist, deren Gleichlichtstrahlung
20 zusätzlich zu einem reflektierten Anteil einer modulierten Lichtstrahlung 21
von einem Sender 1 ständig auf den Fototransistor 11 gerichtet ist, wodurch eine
in Grenzen konstant haltbare Verstärkung (des modulierten Signals) durch den Fototransistor
11 des Empfängers 2 erzielbar ist. In einem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 3 ist
die Gleichlichtquelle 19 in einem gemeinsamen Gehäuse 22 mit dem Fototransistor
11 angeordnet, derart daß die Lichtdetektionsfläche des Fototransistors 11 aufgrund
einer festen Anordnung der Gleichlichtquelle 19 konstant mit Gleichlichtstrahlung
20 beaufschlagbar ist.
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In FIG. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Empfängers 2 schematisiert
im Schnitt dargestellt. In einem lichtundurchlässigen, beispielsweise rohrförmigen
Gehäuse 22 ist an dem einen Ende eine das Gehäuse 22 abschließende Platte 23 vorgesehen,
die gleichzeitig als Trägerplatte der Aufnahme des Fototransistors 11 dient. Die
strahlungsempfindliche Fläche des Fototransistors 11 ist in das Gehäuseinnere gerichtet,
während Anschlüsse B, C, E für die Beschaltung des Fototransistors 11 nach außen
führen. Das in Richtung der modulierten Lichtstrahlung 21 gerichtete Ende des Gehäuses
22 ist beispielsweise mit einer Filterscheibe 24 abgedichtet, die gleichzeitig der
Aus filterung von Lichtanteilen nicht erwünschter Frequenz dienen kann. Gleichfalls
im Gehäuse 22 hinter der Filterscheibe 24 ist die Bikonvexlinse 1o angeordnet, die
der Aufbereitung der Lichtstrahlung 21 in Rich-
tung auf den Fototransistor
11 dient. Im Raum zwischen dem Fototransistor 11 und der Bikonvexlinse 10 im Innern
des Gehäuses 22 ist die Gleichlichtquelle 19 angeordnet, derart daß die von dieser
ausgehende Lichtstrahlung 20 ebenfalls auf die fotoelektrische Schicht des Fototransistors
11 gerichtet ist. Die Gleichlichtquelle 19 kann eine lichtemittierende Diode (LED),
eine infrarotemittierende Diode (IRED) oder eine Lampe sein. Von der Gleichlichtquelle
19 führen Anschlüsse 25 außerhalb des Gehäuses 22 für den Anschluß an eine nicht
näher bezeichnete Gleichstromquelle.
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Wie aus dem Datenblatt (FIG. 5) hinsichtlich des Fotostromes Ip in
Abhängigkeit der Strahlungsstärke Ev bzw. der Strahlungsdichte Ee herauslesbar ist,
gibt es aufgrund der gegebenen Eigenschaften eine unterschiedliche innere Stromverstärkung.
Geht man beispielsweise davon aus, die für die Auswertung eines Signales verfügbare
Lichtstrahlung 21 E betrage 500 lx, dann läßt sich über den unteren Teil der Kennlinie
I ein Fotostrom 1P1 = 0,8 mA herauslesen. Gelingt es mit der gleichen Lichtstrahlung
21 los EV2 = 500 lx einen Bereich im oberen Teil der Kennlinie I nach FIG. 5 auszunutzen,
so resultiert aus dieser Verschiebung des Arbeitspunktes ein um ein Vielfaches größerer
Fotostrom Ip2 = 2 mA.
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Es gilt weiter, daß ohne eine Zusatzstrahlung auf den Fototransistor
11 im abgedunkelten Raum der Fotostrom Ip sich in der Größenordnung des Dunkelstromes,
d.i. der kleinstmögliche Strom im nA-Bereich, befindet. Um in bezug auf den Arbeitspunkt
variabel zu sein bzw. um den Arbeitspunkt bei einer relativ schwachen modulierten
Lichtstrahlung 21 auf der Kennlinie I in einen optimalen Wirkungsbereich zu rükken,
wird eine definiert einstellbare zusätzliche Gleichlichtstrahlung 20 auf den Fototransistor
11 eingesetzt. Es ergibt sich dann bei gleichem a Ev oder ins Ee im oberen optimalen
Bereich der Kennlinie I ein Fotostrom Ip2 von beispielsweise 2 mA gegenüber einem
Ipl von 0,8 mA im unteren Bereich. Überträgt man diese Verhältnisse in eine als
optimal
zu betrachtende Schaltung eines Fototransistors 11 nach FIG. 4, so bewirkt der größere
Fotostrom Ip2 an einem Arbeitswiderstand 26 eine entsprechend größere Signalspannung.
Diese Wirkungsweise stellt unter Beweis, daß ein Fototransistor 11, der mit einer
konstanten zusätzlichen Gleichlichtstrahlung 20 beaufschlagt wird, eine größere
dynamische Signalspannung an dem Arbeitswiderstand 26 zeigt. Der Einfluß von Tageslicht
wird durch diese Maßnahme gleichfalls weitgehend dadurch eliminiert, daß der Fototransistor
11 und die mittels einer Gleichlichtquelle 19 auf diesen gerichtete Gleichstrahlung
20 gemeinsam in einem lichtstrahlenundurchlässigen Gehäuse 22 untergebracht sind.
Da auch aufgrund der Filterscheibe 24 der Einfluß des Tageslichtes weitgehend unterdrückt
wird, bestimmt allein die Gleichlichtstrahlung 20 den Bereich des Arbeitspunktes
auf der Kennlinie I des Fototransistors 11.