DE3224531A1 - Bistabile fotoelektrische abtastvorrichtung - Google Patents

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH '" " ······

PATENTANWALT -Ji- β Frankfurt/main ι. utN

yKUHHOKNSHüFWEG IO T UNLH BANK FhANKFURTiM 23O0J0Ö TELEI-ON 56 1CW8 K. ! J

TELEGRAMM KNUI³AT 6i6 TELE' 4 Il Θ77 KMOPA U

DANFOSS A/S, DK-6430 NOFlDBORG Bistabile fotoelektrische Abtastvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile fotoelektrische Abtastvorrichtung mit einer in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand an einer Betriebsspannungsquelle liegenden Lampe und einem durch das Lampenlicht in Abhängigkeit von der Abtastung eines Gegenstands beaufschlagten fotoelektronischen Halbleiter, der bei Beleuchtung durch die Lampe eine höhere Leitfähigkeit erhält und eine Zunahme des Lampenstroms bewirkt.

Bei einer bekannten Abtastvorrichtung der gattungsgemäßen Art liegen der Begrenzungswiderstand, die Lampe und der fotoelektronische Halbleiter in Reihe an der Betriebsspannungsquelle. Hierbei muß dem fotoelektronischen Halbleiter durch eine äußere Lichtquelle ein Lichtimpuls zugeführt werden, um einen Strom in dieser Reihenschaltung auszulösen, da erst dann, wenn der fotoelektronische Halbleiter leitend 1st, die mit ihm in Reihe liegende Lampe Licht erzeugt und den fotoelektro-

nisshen Halbleiter im leitenden. Zustand hält. Wenn die auf den fotoelektronischen Halbleiter treffenden Lichtstrahlen der Lampe unterbrochen werden, wird der Strom unterbrochen und die Lampe wieder ausgeschaltet, so daß der Strom unterbrochen bleibt. Erst durch erneutes Belichten des fotoelektronischen Halbleiters mit der äußeren Lichtquelle kann der Strom in der Reihenschaltung wieder eingeschaltet werden. Die zusätzliche Lichtquelle und Betätigung dieser Lichtquelle 1st aufwendig, wenn diese Abtastvorrichtung zur Abtastung eines Gegenstands, beispielsweise einer rotierenden Programmscheibe eines fProgrammzeitschalters, verwendet werden soll, wobei der Gegenstand die Lichtstrahlen der Lampe in Abhängigkeit von seiner Lichtdurchlässigkeit oder Oberflächenbeschaffenheit durchläßt oder reflektiert, um einen Schaltvorgang auszulösen, da nach Jeder Unterbrechung des Strahlengangs zwischen Lampe und Halbleiter erneut die äußere Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtimpulses eingeschaltet werden müßte,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der gftttungflgemäßen Art anzugeben, die ohne zusätzliche Lichtquelle zur Abtastung von Gegenständen verwendet werden kann und einen einfachen Aufbau aufweist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lampe ständig eingeschaltet ist und der Strom des Halbleiters einen wenigstens teilweisen Kurzschluß des Begrenzungswiderstands bewirkt.

Bei dieser Ausbildung genügt zur Steuerung des fotoelektronischen Halbleiters eine einzige Lampe. Sobald der Strahlengang zwischen dieser und dem Halbleiter durch den abzutastenden Gegenstand freigegeben wird, bewirkt

der Lichtstrom der Lampe eine Steigerung der Leitfähigkeit des fotoelektronischen Halbleiters und damit eine Verringerung des Gesamtwiderstandswertes im Lampenstromkreis, so daß der Lichtstrom der Lampe und damit der Halbleiterstrom im Sinne einer positiven Rückkopplung verstärkt werden. Dies führt zu einem Kippverhalten der Abtastvorrichtung. Infolgedessen ergeben sich bei der Abtastung des Gegenstands, die zu einer merklichen Änderung des Lichtstroms der Lampe führt, sprungartige Änderungen des HalbleiterStroms, die als eindeutiges Anzeichen für das Vorhandensein eines Ausschnitts, Loches oder sonstigen Änderung der Materialbeschaffenheit des abzutastenden Gegenstands ausgewertet werden können.

Der Halbleiter kann parallel zum Begrenzungswiderstand liegen, um den Kurzschluß des Begrenzungswiderstands zu bewirken. Dies ergibt einen besonders einfachen Schaltungsaufbau.

Es ist aber auch möglich, durch den Halbleiterstrom den Basis-Emitter-Strom eines in einem Parallelzweig zum Begrenzungswiderstand liegenden Transistors zu steuern. Dies führt zu einer Verstärkung des RUckkopplungsstroms durch den Transistor und damit zu besonders steilen Impulsflanken im Halbleiterstrom in Abhängigkeit von der Abtastung eines Gegenstands.

In dem Parallelzweig kann ein Vorwiderstand mit dem Transistor in Reihe liegen, um den Transistorstrom und damit den Lampenstrom zu begrenzen.

Sodann kann durch den Halbleiterstrom der Strom eines in einem Ausgangskreis liegenden Transistors steuerbar sein. Anstelle des Halbleiterstroms kann hierbei der

Strom des im Ausgangskreis liegenden Transistors ohne Rückwirkung auf den Halbleiterstrom ausgewertet werden, wobei gleichzeitig eine Verstärkung bewirkt werden kann,

Ferner kann der Kollektor des Transistors über einen Vorwiderstand direkt mit der Spannungsquelle und über eine gleichsinnig mit der Durchlaßrichtung des Transistors gepolte Diode mit dem Verbindungspunkt von Halbleiter und Begrenzungswiderstand verbunden sein. Auf diese Weise wird eine Rückwirkung des Ausgangskreises auf den Lampenstrom bei gesperrtem Transistor aufgrund einer Unterbrechung des Strahlengangs zwischen Lampe und Halbleiter verhindert. Dennoch kommt man mit einem einzigen Transistor zur Verstärkung des RückkoDplungs- und des Ausgangsstroms aus.

Wenn die Diode gleichzeitig eine Leuchtdiode 1st, kann sie nicht nur die Entkopplung zwischen Ausgangskr^is und Lampenstromkreis bei unterbrochenem Strahlengang bewirken, sondern gleichzeitig auch bei leitendem Transistor durch ihr Aufleuchten die Freigabe des Strahlengangs durch den abgetasteten Gegenstand anzeigen.

Sodann kann der Halbleiterstromkreis nur über einen fotoelektrischen Koppler mit dem Lampenstromkreis in Wirkverbindung stehen. Dieser Koppler bewirkt eine galvanische Trennung zwischen Halbleiter- und Lampenstromkreis.

Hierbei kann der fotoelektrische Koppler eingangsseirig mit dem Ausgang eines den Halbleiterstrom verstärkenden Transistors und ausgangsseitig mit der Basis eines zum Begrenzüngswiderstand parallel liegenden Transistors

. κ 6

-ff -

verbunden sein. Auf diese Weise lassen sich sowohl der Ausgangsstrom als auch der Rückkopplungsstrom unabhängig voneinander verstärken.

Bei der Lampe kann es sich um eine Leuchtdiode handeln. Diese hat bei verhältnismäßig kleinem Aufbau im Gegensatz zu beispielsweise einer Glühlampe eine lange Lebensdauer.

Als fotoelektronischer Halbleiter kann ein Fototransistor verwendet werden, der als solcher bereits einen Verstärkungseffekt im Hinblick auf die Erzielung steiler Impulsflanken hat.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Die Fig. 1 bis 5 Jeweils ein Schaltbild verschiedener Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung.

Das AusfUhrungsbeispiel einer bistabilen fotoelektrischen Abtastvorrichtung nach Fig, 1 enthält eine Reihenschaltung aus einer Lampe 1 in Form einer Leuchtdiode und einem ohmschen Begrenzungswiderstand 2 an einer Betriebsspannungsquelle 3. Parallel zum Begrenzungswiderstand 2 liegt ein fotoelektrischer Halbleiter 4 in Form eines Fototraneistors, dessen Leitfähigkeit bei Beleuchtung zunimmt. Die Lampe 1 und der Halbleiter 4 sind jeweils in den Schenkeln einer Gabel so untergebracht, daß das Licht der Lanpe 1 auf den Halbleiter 4 gerichtet, das Umgebungslicht Jedoch weltgehend abgeschirmt ist. Das Licht der Lampe 1 wird durch eine zwischen den Schenkeln der Gabel hindurch -rotierende, am Umfang mit Ausschnitten

versehene Programmscheibe 5 eines Programmzeitschalters abwechselnd auf den Halbleiter 4 durchgelassen und unterbrochen, wobei nur der oberhalb der strichpunktiert dargestellten Drehachse liegende Teil der Programmscheibe 5 dargestellt 1st, Der Begrenzungswiderstana ist so bemessen, daß das Licht der Lampe 1 bei unbeleuchtetem Halbleiter 4 verhältnismäßig schwach ist und gerade ausreicht, den Fotostrom des Halbleiters bei Freigabe der Beleuchtung des Halbleiters 4 durch die Programmscheibe 5 auszulösen. Ggf. bewirkt der Halbleiter 4 einen zumindest teilweisen Kurzschluß des Begrenzungswiderstands 2, so daß die Lampe 1 stärker leuchtet. Die nunmehr stärkere Beleuchtung des Halbleiters 4 läßt dessen Strom und damit das Licht der Lampe 1 noch stärker werden, bis der Halbleiter 4 schließlich vollständig leitend ist. Aufgrund dieser positiven Rückkopplung steigt die Spannung an dem den Ausgang 6 bildenden Kollektor des Fototransistors 4 schlagartig an. Umgekehrt nimmt die Ausgangsspannung bei Unterbrechung des Lichtes der Lampe 1 durch die Programmscheibe 5 ebenso schlagartig ab. Auf diese Weise ergeben sich bei der Abtastung der Ränder der Programmscheiben-Ausschnitte sprungartige Änderungen der Spannung am Ausgang 6, so daß die Ausgangsspannung eine Rechteckspannung mit hoher Flankensteilheit ist, auch wenn die Programmscheibe 5 nur verhältnismäßig langsam rotiert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der durch den Halbleiter 4 fließende Strom durch eien in einem Parallelzweig zum Begrenzungswiderstand 2 und im Ausgangskreis liegenden Transistor 7 verstärkt, wobei in Reihe mit dem Transistor 7 ein weiterer ohmscher Widerstand 8 zur Strombegrenzung im Parallelzweig liegt. Der Strom des Halbleiters 4 fließt über einen aus

ohmschen Widerständen 9 und 10 gebildeten Spannungsteiler, dessen Abgriff mit der Basis des Transistors verbunden ist. Auf diese Weise steuert der Halbleiterstrom den Kollektor-Emitter-Strom des Transistors 7 und damit denjenigen Teil des durch die Lampe 1 fließenden Stroms, der sich dem über den Begrenzungswiderstand fließenden, die Grundhelligkeit der Lampe 1 bestimmenden Grundstrom Überlagert.

Bei dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 3 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zusätzlich ein Vorwiderstand 11 zwischen den Kollektor des Transistors 7 und den positiven Pci der Betriebsspannungsquelle geschaltet. Ferner 1Jegt eine Diode 12 zwischen dem Kollektor des Transistors 7 und dem Verbindungspunkt von Lampe 1 und Begrei\zungswiderstand 2 in dem Parallelzweig. Dadurch ergibt sich auch dann eine definierte Ausgangsspannung am Ausgang 6, wenn der Halbleiter h nicht beleuchtet wird, d.h. stromlos ist, so daß der Transistor 7 gesperrt ist. In diesem Falle bewirkt die Diode 12 eine Entkopplung des Lampenetroms vom Ausgangsstromkreis.

Die Diode 12 ist ferner eine Leuchtdiode, so daß sie bei Beleuchtung des Halbleiters A aufleuchtet und damit optisch anzeigt, daß ein Ausschnitt in der Programmscheibe 5 vorhanden ist.

Während nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der Transistor 7 sowohl den RUckkopplungsstrom als auch den Ausgangsstrom verstärkt, sind diese Funktionen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 auf zwei Transistoren 7a und 7b aufgeteilt, eo daß der Rückkopplungsstrom unabhängig vom Ausgangsstrom, d.h. der Belastung, ist. Der Transistor 7a liegt nur im Parallelzweig zu dem

^ ? und der Transistor 7b nur irr;

Ausgangskreis. Beide werden parallel durch Λ~ιη H-jiV-leiter 4 bzw. den Halb] e lter strom übr-r .r- ein--· η i^f-r: Basen der Transistoren 7a und 7b vorreschal ^^tr-n Snannungsteil er 9a, 10a bzw. Qb, 10b gesteuert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. ^ sind df-r Lamr^-nstromkreis und der Halbleiterstrorakreis £ral vanis-r:n p·«- trennt, wobei sie jeweils aus einer eigenen Spannunfsquelle 3 gespeist werden. Der Strom des Halbleiters '* bestimmt - ebenso wie bei dem Ausführunersbr-i sriir-i na-h Fig. 4 - den Basisstrom des Verstärkungs-Transis^or" 7b im Ausganffskreis. D?ssen Strom wird jedoch übf-r die im Kollektorkreis ies Transistors 7b liegend·- Lampe 13, hier eine Le ichtdiode, eines ^lektroopti .-?r;h■-'.>. Kopplers 14 der Basis des RUckkopplungs-Transistors 7a zugeführt. Zu diesem Zweck weist der Koouler 14 noch ein fotoelektronisches Bauelement 15 in Form eines Transistors auf» Dieses Bauelement 15 wird durch di-Lampe 13 beleuchtet und bewirkt eine Umformuner d»s Lichtes der Lampe 13 in einen etwa proportionalen Strom. Auch in diesem Falle wird daher ein dem Strom dps H^Ibleiters 4 im wesentlichen proportionaler Strom in d---n die Lampe 1 aufweisenden Stromkreis tsositiv (im Sinm· einer Stromerhöhung) zuriickgekoppelt. Hierbei stehen der Ausgangskreis und der Rückkopplungskreis über dt·-η Koppler 14 lediglich galvanisch getrennt in Wirkv^rbindung, so daß der Rückkopplungskreis keine zusatz"ich" Belastung des Aüsgangskreises bewirkt, urid

Weitere Abwandlungen der dargestellten AusfUhrungsbeispiele liegen im Rahmen der Erfindung. So können die Lampen 1 und 13 anstelle von Leuchtdioden auch "55 Glühlampen aufweisen. Ebenso können die fotoelektronischen Bauelemente 4 und 15 anstelle der Fototransistoren Fotowiderstände oder Fotodioden aufweisen. Di--Lampe 1 und der Halbleiter 4 können ferner so anpe-

ordnet sein, daß das Licht der Lampe 1 von dem abzutastenden Gegenstand auf den Halbleiter k reflektiert wird.

Claims (11)

Patentansprüche 10

1./Bistabile fotoelektrische Abtastvorrichtung mit einer in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand an einer Betriebsspannungsquelle liegenden Lampe und einem durch das Lampenlicht in Abhängigkeit von der Abtastung eines Gegenstands beaufschlagten fotoelektronischen Halbleiter, der bei Beleuchtung durch die Lampe eine höhere Leitfähigkeit erhält und eine Zunahme des Lampenstroas bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (1) ständig eingeschaltet ist und der Strom des Halbleiters (4) einen wenigstens teilweieen Kurzschluß des Begrenzungswiderstands (2) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (4) parallel zum Begrenzungswiderstand (2) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Halbleiterstrom der Basis-Emitter-Strom eines in einem Parallelzweig zum Begrenzungswiderstand (2) liegenden Transistors (75 7a) steuerbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Parallelzweig ein Vorwiderstand (8) in Reihe mit dem Transistor (7; 7a) liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Halbleiterstrom der Strom eines in einem Ausgangskreis liegenden Transistors (7; 7b) steuerbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (7) über einen Vorwiderstand (11) direkt mit der Spannungsquelle (3) und über eine gleichsinnig minder Durchlaßrichtung des Transistors (7)gepolte Diode (12) mit dem Verbindungspunkt von Halbleiter (4) und Begrenzungswiderstand (2) verbunden ist,

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (12) eine Leuchtdiode ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstromkreis nur über einen fotoelektrischen Koppler (14) mit dem Lampenstromkreis in Wirkverbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dor fotoelektrische Koppler (14) eingangsseitig mit dem Ausgang (6) eines den Halbleiterstrom verstärkenden Transsiators (7b) und ausgangsseitig mit der Basis eines zum Begrenzungswiderstand (?) parallel liegenden Transistors (7a) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (1) eine Leuchtdiode ist.

- Άο. -

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (4) ein Fototransistor ist.