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Vorverstärker für einen Infrarotlicht-Fernbedienungs-
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empfänger Die. Erfindung betrifft einen Vorverstärker für einen Infrarotlicht-Fernbedienungsempfänger
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus dem Datenbuch 1978/79 "Integrierte Schaltungen für die Konsumelektronik"
der Firma ITT Intermetall, Seite 75, ist ein Vorverstärker füx einen Infrarotlicht-Fernbedienungsempfänger
bekannt, mit dessen Hilfe das von einer Fotodiode aufgenommene und in ein schwaches
elektrisches Signal umgewandelte Infrart-Signal so verstapt wird, daß die Amplitude
zn Ansteuern einer die Fernsteur-rimpulse verarbeitenden Schaltung (MOS-Schaltung
SAA 1051) ausreicht. Die Fotodiode arbeitet dabei mit einem dynamischen Last widerstand,
der durch einen Transistor gebildet wird, zusammen, der in Reihe mit ihr geschaltet
ist. Der dynamische Lastwiderstand hat die Aufgabe, ein durch Gleichlicht erzeugtes
Signal zu unterdrücken.
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Dadurch ist der Arbeitspunkt der Fotodiode fast unabw hängig von der
Umgebungshelligkeit. Zu diesem Zweck ist mit der Anode der Fotodiode, deren Katode
an einer Betriebsspannung liegt, die Basis eines ersten Transistors verbunden, der
als Emitterfolger einen zweiten Transistor steuert, von dessen Emitter das Gegenkopplungssignal
zur Gleichlichtunterdrückung abgenommen wird. Der Kollektor des zweiten Transistors
steuert einen Verstärkungstransistor, der seinerseits mit einem Schalttransistor
verbunden ist, welcher durch Vorgabe eines Schwellenwertes das Rauschen vom
impulsförmigen
Nutzsignal trennt. Am Kollektor dieses Schalttransistors liegt das impulsförmige
Nutzsignal, das je nach Art pulscodemoduliert oder als Einzelsignal anliegt. Dieses
Nutzsignal wird der Empfängerauswertschaltung zugeleitet. Das als Gegenkopplungssignal
zur Gleichlichtunterdrückung vom Emitter des zweiten Transistors abgegriffene Signal
wird in einem RC-Speicher integriert. Die hier abgreifbare Spannung dient als Basisvorspannung
für den Transistor, der den dynamischen Lastwiderstand bildet. Die Entladezeitkonstante
ist so klein, daß die Gleichlichtunterdrückung praktisch nur während einer Impulsdauer
wirksam ist. Fällt auf die Fotodiode kein Licht, so ist der Transistor nicht leitend
und der dynamische Lastwiderstand sehr groß. Fällt hingegen Licht auf die Fotodiode,
so wird sie leitend, so daß auch der erste Transistor und der nachgeschaltete Verstärkungstransistor
leitend werden. Dabei wird proportional der Lichtstärke des auffallenden Gleichlichtes
ein verstärktes Signal an den RC-Speicher gegeben.
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Der dynamische Lastwiderstand, der durch den in Reihe zur Fotodiode
geschalteten Transistor gebildet wird, wird mehr oder minder größer oder kleiner,
je nach Höhe des durch die Fotodiode fließenden Stroms.
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Fließt infolge groBer Gleichlichtkomponente ein großer Strom, so wird
der dynamische Lastwiderstand niederohmiger, umgekehrt wird er hochohmiger, sobald
Licht mit geringerer Lichtstärke auftrifft. Die Empfindlichkeit der Diode steigt
dabei an, sie spricht auf jedes auffallende Licht an. Andererseits wird bei großer
Gleichlichtkomponente der dynamische Lastwiderstand so gering, daß der Arbeitspunkt
der
Fotodiode beibehalten wird und nahezu unabhängig von der Umgebungshelligkeit
ist. Die Empfindlichkeit der Fotodiode wird zwar kleiner, der Arbeitspunkt jedoch
bleibt konstant.
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Bei den Infrarotlicht-Ubertragungssystemen bekannter Art werden entweder
alle Fernsteuerbefeble in Form von Einzelimpulsen oder pulscodemoduliert als Wort
aus einer Impulsfolge ungeträgert oder geträgert übertragen. Üblich sind Pulsabstandsmodulationen
oder Pulsbreitenmodulationen, Bei der geträgerten Ubertragung werden die Infrarotlichtdiode
oder der Transistor des Senders von einem HF-Generator angesteuert, der von den
Einzelimpulsen oder einzelnen Steuerimpulsen eines binär codierten Wortes (PPM,
PCM, PAM (Pulsabstandsmodulation) getastet wird.
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Die einzelnen Impulse eines W@@@@ @@@ls werden somit geträgert ü'certragen.
Je nach Entfernung des Senders zum Empfänger weist das auf die Fotodiode auftreffende
Infrarotliclt eine mehr oder minder große Lichtstärke auf. Dadurch werden die umgesetzten
Signale bei geringer Bedienungsentfernung relativ groß, bei großer Entfernung hingegen
sehr klein.
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Bei den bekannten Vorverstärkern der Art, wie sie eingangs beschrieben
wurden und in äquivalenten Ausführungen bekannt sind, siehe Valvo-Handbuch 'qIntegrierte
Schaltungen für digitale Systeme in Rundfunk- und Fernsehempfängern'B, 1980, Seite
401, dient die Gegenkopplung ausschließlich zur Gleichlichtunterdrückung. Dem Umstand,
daß in Abhängigkeit von der Fernbedienungsentfernung die Signale unterschiedlich
stark auftreffen und damit die umgesetzten elektrischen Signale unterschiedliche
Amplituden aufweisen, wird hier keine Rechnung getragen. Erst in den Integrierten
Schaltungen (TDB 1033)
sind mehrstufige Regelverstärker vorgesehen.
Es handelt sich hierbei um aufwendige, nicht zuletzt teuere Schaltungen. Die Verstärkung
des Vorverstärkers ist dem minimalen Signal bei maximaler Reichweite, z.B. etwa
7 m, angepaßt. Die Fotodiode ist somit bei großer Gleichlichtkomponente und großem
Betätigungsabstand sehr unempfindlich. Andererseits ist sie sehr empfindlich, wenn
praktisch kein Fremdlicht auftrifft und der Fernbedienungssender unmittelbar vor
dem Empfänger betätigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, de-Arbeitspunkt der Fotodiode
in Abhängigkeit von der Amplitude des empfangenen Nutzsignals so zu verschieben,
daß die Fotodiode unabhängig von der Entfernung der Betätigung des Senders ein nahezu
konstantes Nutzsignal abgibt, ohne daß hier für aufwendig Regelverstärker notwendig
sind. Die Gleichlichtkomponenten sollen dabei ebenfalls berücksichtigt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach der im Patentanspruch 1 wiedergegebenen
technischen Lehre gelöst.
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Die Erfindung basiert darauf, daß zusätzlich zur Gleichlichtunterdrückung,
d.h. zur Änderung des dynamischen Lastwiderstandes in Abhängigkeit von dem auftreffenden
Gleichlicht, der dynamische Lastwiderstand so verändert wird, daß der Arbeitspunkt
der Fotodiode in Abhängigkeit vom Nutzsignal verschoben wird, so daß das Nutzsignal
nahezu konstant ist und dadurch-nach Verstärkung für die Auswertschaltung direkt
verwendet werden kann.
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Bei Obertragung pulscodemodulierter Befehlsworte muß die tadekonstante
des Integrationsgliedes so gewählt sein, daß die Einregelzeit der durch den dynamischen
Lastwiderstand gegebenen Regelschaltung kurz ist, um praktisch schon beim ersten
Impuls des Nutzsignales einsetzen zu können, die Entladezeitkonstante hingegen soll
so groß sein daß die Regelung über eine Impulsfolge eines Befehlswortes in Abhängigkeit
der Amplitude des ersten Impulses erfolgt. Dies wird durch die entsprechende Dimensionierung
des als Integriergliedes verwendeten RC-Speichers erreicht. Beim beschriebenen Stand-der
Technik ist eine Entladezeitkonstante gegeben, die praktisch nur einer Impulslänge
entspricht. Eine Regelung in Abhängigkeit vom Nutzsignal ist hiermit nicht möglich.
Besteht ein Befehlswort aus fünf Einzelimpulsen, so ist die Regelschaltung nach
der Errindwig bereits nach de,n ersten bzw. sweiten Impuls eingeschwungen Bei Wiederholung
des gleichen Wortes werden somit Einzelimpulse mit gleicher Amplitude weitergeleitet,
die auf einfache Weise auswertbar sind, wobei auch der nachgeschaltete Verstärker
nicht auf de minimalen oder maximalen Impulse ausgelegt werden muß, sondern auf
den sich im Normalbetrzbbei der Regelung einstellenden Amplitudenwert. Zusätzliche
Regelverstärker sind ebenfalls nicht notwendig.
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Die Schaltungsanordnung ist sowohl fur getragerte als auch ungeträgerte
Signalubertragungen mittels Infrarotlicht anwendbar. Die ungeträgerten Signale werden
dabei direkt an den RC-Speicher gelegt.
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Es empfiehlt sich dabei eine Entkopplungsdiode vor zusetzen, die wechselstrommäßige
Störkomponenten eliminiert und eine Entladung über den Ladekreis verhindert
Beim
Empfang von geträgerten Signalen ist es vorteilhaft, diese nach selektiver Verstärkung
einer Gleichrichterschaltung zuzuführen, die wiederum mit dem Integrierglied verbunden
ist.
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Die Vorspannung des Integriergliedes wird durch die auftreffenden
Gleichlichtkomponenten gebildet.
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Der Spannungswert wird jedoch mit Anliegen der Amplitude des ersten
Impulses des Nutzsignals entsprechend der Amplitude des Signals angehoben.
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Dadurch wird entweder der Lastwiderstand mehr oder minder vergrößert
oder verkleinert. Damit verschiebt sich aber auch der Arbeitspunkt der Fotodiode,
was zur Regelung auf eine konstante Amplitude des Nutzsignals gewünscht ist. Es
versteht sich von selbst, daß der Arbeitspunkt nicht so weit verschoben werden kann,
daß die maximale Verlustleistung der Fotodiode überschritten wird. Insofern sind
die speziellen Daten der Flnrodiode bei der Dimensionlerung des dynamischen Lastwiderstandes
zu beachten.
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In Fig. 1 ist ein Beispiel eines Vorverstärkers für einen Infrarotlichtempfänger
in einem Fernsteuersystem mit ungeträgert übertragenen pulscodemodulierten Befehlswörtern
dargestellt. Mit einer Spannungsquelle UB ist eine Siebschaltung aus einem Widerstand
1 und einem Elektrolythkondensator 2 verbunden,an den die Anode einer Fotodiode
3 geschaltet ist, die durch das auftreffende Licht der Fernsteuerimpulse leitend
wird und zeit- und amplitudenproportionale elektrische Signale erzeugt.
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Mit der Anode der Fotodiode 3 ist der Kollektor eines in Reihe geschalteten,
einen dynamischen Lastwiderstand bildenden Transistors 4 geschaltet, dessen Emitter
auf Massepotential liegt. Zwischen der Anode der Fotodiode 3 und dem Kollektor des
Transistors 4 ist
ein Abgriff 5 vorgesehen, von dem die dem auftreffenden
Licht proportionalen Signale abgegriffen und einerseits über einen Koppelkondensator
6 an einen Verstärker 7 geleitet und andererseits über einen relativ hochohmigen
Widerstand (ca 100 kn) an einen Kondensator 9 gelegt werden, der an der Basis des
Transistors 4 angeschlossen ist. Die ankommenden ungeträgerten Lichtsignale werden
mittels der Fotodiode in zeit-und amplitudenproportionale elektrische Spannungsimpulseumgewandelt,
die in dem Integrierglied der dem auftreffenden Gleichlicht proportionalen Integrationsspannung
aufaddiert werden. Das auftreffende Gleichlicht erzeugt einen elektrischen Gleichstrom,
der über den relativ hohen Ohmschen Widerstand 8 den Kondensator 9 auf eine bestimmte
Spannung auflädt. Je gröBer die Gleichlichtsignalkomponente ist, um so größer ist
die Spannung am Kondensator 9, so daß der Transistor 4 bei höherer Spannung einen
niedrigeren Durchgangswiderstand aufweist und bei niedriger Spannung am Kondensator
9 einen höheren Widerstand. Bei geringer Gleichlichtkomponente wird somit durch
den dynamischen Lastwiderstand ein kleiner Strom fließen und bei großer Gleichstromkomponente
ein großer Strom. Der Arbeitspunkt der Fotodiode bleibt somit beibehalten, so daß
stets die höchstmögliche Empfindlichkeit der Fotodiode bei der Signalerzeugung des
auftreffenden Impulses gewahrt bleibt. Die Fotodiode kann nicht in die Sättigung
laufen. Die durch die Umsetzung des auftreffenden Infrarot lichtes erzeugten Impulse
werden über den Kondensator 6 an den Eingang des Verstärkers 7, der ebenfalls an
der Spannungsquelle UB angeschlossen ist, gelegt und verstärkt der Auswertschaltung
10 zugeführt. Die Auswertschaltung 10 steuert die verschiedenen Funktionssteller,
die in Abhängigkeit der auftreffenden Steuerbefehle gesteuert werden sollen.
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Wie bereits eingangs ausgeführt, ist die auftreffende Lichtstärke
abhängig von der Entfernung des Fernbedienungssenders zum Fernbedienungsempfänger.
Es gibt die Möglichkeit, zwecks Erzeugung von Fernsteuerimpulsen gleicher Amplitude
geregelte Verstärker zwischenzuschalten, die in Abhängigkeit von dem auftreffenden
Nutzsignal den Verstärkungsfaktor ändern.
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Derartige Schaltungen sind jedoch sehr aufwendig.
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Nach der Erfindung wird mittels einfacher Mittel erreicht, daß von
der Fotodiode ein Nutzsignal mit nahezu konstanter Amplitude unabhängig von der
Bedienungsweite abgegeben wird. Dies wird erreicht, indem die durch den Verstärker
7 verstärkten Impulse über eine Diode 11 an ein Integrierglied gelegt werden, das
aus dem Kondensator 9 und dem Ladewiderstand 12 gebildet ist. In Abhängigkeit der
Amplitude des empfangenen Nutzsignals wird nun die Ladespannung am Kondensator mehr
oder minder erhöht. Die Gleichlichtkomponenten bleiben durch die bereits proportionale
anliegende Vorspannung berücksichtigt. Der große Entladewiderstand 12a verhindert,
daß der Kondensator schon nach einem Impuls entladen wird. Die Entladezeitkonstante
ist so gewählt, daß die Regelspannung praktisch über die gesamte Impulsfolge eines
Befehls gehalten wird. Durch diesen Regelkreis wird nun der dynamische Widerstand
zusätzlich in Abhängigkeit der Amplitude des Nutzsignals verschoben. Daraus resultiert
je nach Dimensionierung der Ladezeitkonstante ein schnelles Einregeln auf das gewünschte
Niveau der Steuerimpulse. Bei Auftreffen eines ersten Steuerimpulses eines codierten
Steuerbefehls mit einer großen Amplitude wird die Spannung erhöht und damit ändert
sich der Durchgangswiderstand
des Transistors. Er wird verringert,
so daß ein größerer Strom durch die Fotodiode gezogen wird als normalerweise fließen
würde, so daß sich der Arbeitspunkt der Fotodiode verschiebt. Bereits nach dem ersten
Impuls weisen nach einer kurzen Einregelzeit alle übrigen empfangenen Impulse eines
Befehls gleiche Amplituden auf, so daß sie direkt der Auswertung zugeführt werden
können.
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Man kann, da die Befehlsworte in der Regel mehrfach übertragen werden
und die Auswertung bei inhaltsgleichen Worten erfolgt, die die Regelung auslösende
Amplitude des ersten Impulssignals vernachlässigen. In nachgeschalteten Begrenzerstufen
kann die beim ersten Impuls noch vorhandene Signalerhöhung kompensiert werden. Die
Schaltung ist besonders einfach und mit wenigen Bauelementen nach der Erfindung
zu realisieren.
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In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Vorverstärkers für ein Infrarotsteuersystem
dargestellt, bei dem die Fernsteuerimpulse geträgert mittels Infrarotlicht übertragen
werden. Auch hier ist an die Spannungsquelle UB über eine Siebschaltung aus einem
Widerstand 1 und einem Elektrolythkondensator 2 die Katode einer Fotodiode 3 angeschlossen.
In Reihe mit der Anode der Fotodiode ist der Kollektor eines Transistors 4 geschaltet,
dessen Emitter auf Massepotential liegt. Mit dem Verbindungspunkt 5 zwischen der
Anode der Fotodiode 3 und dem Kollektor des Transistors 4 ist ein Entkopplungskondensator
6 und ein zur Erzeugung des Gleichlichtgegenkoppelsignals vorhandener Widerstand
8 verbunden, der einen Kondensator 9
in Abhängigkeit von der Gleichlichtsignalkomponente
mehr oder minder auflädt. Mit der Spannungsquelle UB ist ferner ein Spannungsteiler
aus den Widerständen 12 und 13 verbunden, dessen Abgriff einerseits mit dem Koppelkondensator
6 und andererseits mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 14 verbunden
ist. Der Operationsverstärker ist durch den Gegenkopplungszweig mit dem Widerstand
15 mit dem invertierten Eingang verbunden und durch den gegen Masse geschalteten
Kondensator 16 als selektiver Verstärker ausgebildet. Mit ihm werden nur die mittels
der Trägerfrequenz (36 kHz) übertragenen Signale verstärkt und in einem weiteren
Operationsverstärker 17 nachverstärkt. Der Verstärkungsfaktor des zweiten Operationsverstärkers
17 wird durch den Gegenkopplungszweig mit dem Widerstand 18 bestimmt.
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Hierzu ist der Ausgang des Operationsverstärkers 17 über den Widerstand
18 mit dem invertierten Eingang verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers
17, an dessen Stelle auch ein normaler Transistorverstärker treten kann, ist mit
den Auswertschaltungen entsprechend Position 10 gemäß Fig. 1 verbunden.
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Gleichzeitig ist der Ausgang über einen Entkoppelkondensator 19 mit
einer Gleichrichterschaltung aus den Gleichrichtern 20 und 21 verbunden, wobei die
Diode 21 mit der Anode gegen Masse geschaltet ist und mit der Katode mit der Anode
der Diode 20 verbunden ist. Die selektierten verstärkten Fernsteuerimpulse werden
kapazitiv entkoppelt, durch den Gleichrichter 20 gleichgerichtet und in einem ersten
Kondensator 22 eines Integriergliedes gespeichert.
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Die Entladezeitkonstante des Integriergliedes wird bestimmt durch
den parallelgeschalteten hochohmigen
(10 MR) Widerstand 23. Die
Spannung wird über einen Impedanzwandler, der aus einem Operationsverstärker 24
gebildet ist, an das Integrationsglied gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers
24 ist mit der Anode einer weiteren Entkoppeldiode 25 verbunden, die mit der Katode
an einem Kondensator 9 liegt. In diesem Kondensator 9 wird die vom Nutzsignal abhängige
Regelspannung der der Gleichlichtkomponente entsprechenden aufaddiert. Die Entladezeitkonstante
der ersten Stufe des Integriergliedes ist so gewählt, daß während eines gesamten
pulscodemodulierten Steuerbefehls nahezu eine gleiche nutzsignalamplitudenabhängige
Gleichspannung anliegt. Der Durchgangswiderstand des Transistors 4 wird somit sowohl
in Abhängigeit von der Gleichlichtkomponente durch die Vorspannung des Kondensators
9 als auch in Abhängigkeit von der Amplitude des empfangenen Nutzsignals verändert,
so daß sich der Arbeitspunkt in Abhängigkeit der empfangenen Amplitude des Nutzsignals
verschiebt.
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Das Nutzsignal wird dabei auf eine nahezu konstante Amplitude hinge
regelt.
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