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Fotoempfängeranordnung
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Die Erfindung betrifft eine Fotoempfängeranordnung mit einem Fotodetektor
und einem Lastwiderstand, über dem der Fotostrom als Fotospannung zur Weiterverarbeitung
abgenommen wird.
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Optische Sender- und Empfängersysteme, wie beispielsweise Lichtschranken,
die in einem weiten Bereich elektromagnetischer Strahlung, vom Ultravioletten bis
zum Infraroten hin arbeiten können, haben eine vielfältige Anwendung erfahren, beispielsweise
in Alarmanlagen, zur Masch i nenabs i cherung, Bewegungsmessung, FU II standsmessung,
zur automatischen Ablesung anderer Meßinstrumente, wie beispielsweise bei der Alkoholmessung,
od.dgl. Es ist hierbei oft nicht zu vermeiden, daß auf die Empfängereinheit oder
den Fotoempfänger neben Licht aus dem Sender, wobei der Begriff Licht hier allgemein
auch für UV- und IR-Strahlung verwendet wird, auch Licht aus einer oder mehreren
externen Quellen, wie Umgebungslicht als Tageslicht, von Beleuchtungskörpern, trifft.
Dieses zusätzliche Licht kann in seiner Intensität ein Vielfaches der Nutzstrahlung,
bis zu mehreren 10er Potenzenbetragen. Es stellt sich grundsätzlich das Problem
auf der
Empfängerseite das Nutzsignal von der Störbestrahlung zu
trennen bzw.
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letztere zu eliminieren. Es werden hierzu einzeln oder in Kombination
verschiedene Mittel eingesetzt.
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Zunächst können im Foto- oder Lichtempfänger Filter vorgesehen sein.
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Solche Filter ermöglichen die Auswertung bestimmter Wellenlängen oder
Freouenzbereiche aus dem Gesamtspektrum des auftreffenden Lichts und können daher
auf den Empfänger einwirkendes Störlicht in gewissen Bereichen ausschalten und in
anderen mehr oder minder dämpfen. Nachteilig bei der Verwendung von Filtern ist
aber, daß mit ihnen stets eine mehr oder weniger starke Schwächung der Lichtintensität
des Nutzlichts verbunden ist, wodurch die Empfindlichkeit der Lichtempfängeranordnung
vermindert und beispielsweise die Reichweite einer Lichtschranke wesentlich reduziert
werden kann. Je enger beispielsweise der Durchlaßbereich für infrarotes Licht einer
Tageslichtsperre ist, desto stärker ist die Rfichweitenverminderung bei herkömmlichen
Senderquel len. Grundsätzlich haben solche Filter einen noch relativ weiten Durchlaßbereich,
in dem auch Störlichtanteile, wenn auch in reduzierter Form durchgelassen werden.
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Eine weitere Verminderung von Störlichteinflüssen wird durch die Begrenzung
des Gesichtsfeldes des Fotoempfängers durch Bienden vorgenommen. Dies ist eine einfache
Möglichkeit, wenn das Signallicht aus einem engen Winkelbereich aufgenommen werden
soll. Eine ausreichende Ausblendung von Störlicht findet aber dennoch nicht statt.
Nicht verwendbar ist diese Möglichkeit, wenn Signallicht aus größeren Winkelbereichen
mit einem Fotoempfänger empfangen werden soll.
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Weiterhin werden in einem Fotoempfänger zwei Sensoren z.B.Fotodioden
eingesetzt, wobei eine nur von Störlicht getroffen wird, während die andere sowohl
vom Signallicht als auch vom Störlicht getroffen wird.
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Durch Differenzbildung der beiden Sensorsignale läßt sich das Störlicht
eliminieren und der Nutz-Signalanteil gewinnen. Der erforderliche Aufwand ist aber
relativ groß. Darüberhinaus ist es schwierig die Anordnung genau so zu gestalten,
daß beide Sensoren den gleichen Störlichtanteil enthalten und die Differenzbildung
das Störlicht tatsächlich vollständig eliminiert. Darüberhinaus ist mit dem vorgenannten
Verfahren eine weitgehende Ausschaltung des Rauschens des Fotosensors selbst nicht
möglich.
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Eine weitere Möglichkeit, den Störlichteinfluß herabzusetzen und darüberhinaus
die Störung durch Rauschen des Fotosensors zu reduzieren, besteht in der sogenannten
Wechsellichtmethode, die in senderseitiger Modulation urid empfängerseitiger Demodulation
des Meßsignals besteht. Es erfolgt hier eine frequenzselektive Verstärkung des Empfängersignals
bzw.
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Demodulation im Zusammenhang mit der nachfolgenden Verstärkung. Die
Modulationsfrequenz muß dabei deutlich über der 50-Hertz-Netzfrequenz und sollte
auch noch möglichst über 10 Kilohertz liegen, da sich bis zu dieser Frequenz noch
Oberwellen des Leuchtröhrenl ichts bemerkbar machen.
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Zur Selektion der Signalfrequenz sind Filter, wie Hochpaßfilter sowie
ggfls.
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Tiefpässe am Ein- und Ausgang des Verstärkers, letztere zur Begrenzung
des Rauschens, vorgesehen. Es können weiterhin Synchrondemodul atoren, wie PHASE-LOCKED-Schal
tungen vorgesehen sein. Die Unterdrückung von Störeinflüssen, wie Störlicht ist
besser als bei den vorgenannten Verfahren, doch mit einem erheblichen elektronischen
Aufwand verbunden. Die genannten Probleme und angedeuteten bisherigen Lösungsmöglichkeiten
sind u.a. in Elektronik 1980, Heft 11, Seite 39 behandelt. Obwohl die Störeinflüsse
seit dem Einsatz von optischen Sender-Empfänger-Anordnungen bekannt sind und ihre
Unterdrückung bzw. Eliminierung versucht wird, hat dies bisher nur zu aufwendigeren
elektronischen Schaltungen geführt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Fotoempfänger
zu schaffen, der in einfacher Weise eine optimale Ausschaltung von Störeinflüssen
bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Fotoempfänger
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Lastwiderstand aus mindestens
einen Parallel schwi ngkrei 5 besteht. Der Schwingkreis weist dabei eine bestimmbare
Resonanzfrequenz auf, die der Wellenlänge des einfallenden Nutzsignals entspricht.
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Bei einem durch die Beleuchtung vorgegebenen Fotostrom steigt die
Spannung linear mit dem Lastwiderstand. Für einen Wechselstrom, dessen Frequenz
mit der Resonanzfrequenz des als Arbeitswiderstand geschalteten Schwingkreises übereinstimmt,
ist dieser Widerstand extrem hoch und damit auch die abfallende Nutzspannung. Für
Frequenzen außerhalb der Resonanzfrequenz ist dieser Widerstand und damit die Spannung
gering. Damit ist der Einfluß von Gleichlicht und Wechsel licht einer Frequenz außerhalb
der Resonanzfrequenz ausgeschaltet. Die Auskopplung des Nutzsignals aus dem Schwingkreis
kann nach den in der Rundfunktechnik üblichen Verfahren erfolgen. Erfindungswesentlich
ist also, daß die Selektion der Wellenlänge des Nutzsi£nais praktisch direkt und
zugleich mit der Umwandlung des Fotostromes in ein Span nungssignal und nicht erst
nachher erfolgt. Hierdurch ist die Empfängeranordnung von vornherein lediglich für
das Nutzsignal empfindlich, während sie bisher in gleicher Weise für Signal und
Rauschen oder Störungen empfindlich war.
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Die Erfindung geht damit abweichend von den bisherigen Versuchen nicht
den Weg immer aufwenidgerer frequenzselekt iver Verstärker, sondern ersetzt den
zum Abgriff der Fotospannung vorgesehenen ohm schein Widerstand durch einen Schwingkreis.
Durch diese einfache Maßnahme wird
überraschenderweise tatsächlich
eine Ausschaltung der o.g. Störeinflüsse und die Abnahme und Weiterverarbeitung
alleine des Nutzsignals erreicht.
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Voraussetzung ist selbstverständlich, daß der Lichtsender, der den
erfindungsgemäßen Lichtempfänger bestrahit, in entsprechender Weise frequenzmoduliert
ist. Eine frequenzselektive Verstärkung ist nicht mehr notwendig. Das Signal kann
in einfacher Weise weiterverarbeitet, beispielsweise verstärkt und umgewandelt werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Fotoempfängers ergibt sich gegenüber
dem Stand der Technik, bei dem die weiterzuverarbeitende Spannung über ohm'sche
Widerstände abgegriffen wurde, noch der zusätzliche überraschende Effekt, daß die
Empfindlichkeit des Fotoempfängers mit höherer Sendefrequenz gesteigert wird. Während
bisher lediglich ein Teil der angelegten Vorspannung bei maximaler Lichteinstrahlung
zur Verfügung stand, reicht nun der Meßbereich nahezu bis zur Vorspannung des Lichtempfängers
und wird damit wesentlich vergrößert.
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Während bei den bisherigen Frequenzdemodulationsmethoden aufgrund
der Verarbeitung, nämlich Demodulation der am Lichtempfänger abgegriffenen Spannung
das Spannungssignal für moduliertes und nichtmoduliertes Licht in gleicher Weise
empfindlich reagiert, wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Lichtempfängers
erreicht, daß das Meßsignal nur auf geeignet moduliertes Nutzt sicht reagiert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Schwingkreis
abstimmbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Fotodetektor
ein Fotofeldeffekttransistor ist, bei dem er Gate-Widerstand als Schwingkreis ausgebildet
ist. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise für die weitere Signalverarbeitung
ein optimal ausgekoppeltes Signal zur Verfügung gestellt, daß, sofern keine weitere
Verstärkung mehr erforderlich ist, direkt Steuerungs-, Regelungs- und Schaltanordnungen
zugeleitet werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachftlgenden Beschreibung, in der ein Ausführunge beispiel der Erfindung
unter Benzugnahme auf die Zeichnungen einzeln erläutert ist.
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Dabei zeigt: Figur 1 zunächst eine Fotoempfängerschaltung nach dem
Stande der Technik; Figur 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fotoempfängeranordnung;
und Figur 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungs gemäßen Empfängeranordnung.
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Bei der Fotoempfängerschaltung 1 nach dem StancJe der Technik fällt
auf eine Fotodiode 2 elektromagnetische Strahlung zur Bewirkung des lichtelektrischen
Effekts. Die elektromagnetische Strahlung kann UV-, visuelle, oder Infrarotstrahlung
sein. Einzelne Wellenlängen können durch vorgeschaltete optische Filter ausgeblendet
sein. In Reihe mit der Fotodiode 2 ist ein ohmscher Widerstand 3 angeordnet, über
den die Meßspannung Us abgegriffen wird. Die Meßspannung Ua enthält u.a einen Anteil
des modulierten Ausgangssignals, darüberhinaus aber eine Überlagerung vielfältiger
Störanteile, von Streulicht, Störlicht usw. Die Spa nnung Ua wird erst anschließend
in einem frequenzselektiven Verstärker 4, der eine komplizierte und aufwendige Verstärker-
und
Filterschaltung ist, verstärkt. Die Hintereinanderschaltung
der Diode 2 mit dem ohm ohm'schen Widerstand 3 wirkt dabei aufgrund des von der
auf die Fotodiode 2 eingestrahlten Lichtintensität abhängigen Innenwiderstandes
R i der Diode und des konstanten Widerstandswerts Ra des ohm'schen Widerstandes
3 als Spannungsteilter, wobei der Bereich der Meßspannung Ua durch das Verhältnis
von Ra zum Gesamtwiderstand begrenzt ist, also wesentlich vom minimal erreichbaren
inneren Widerstand der Fotodiode bei maximaler Einstrahlung abhängt der bei dieser
Arbeitsweise mit in Sperrichtung vorgespannter Diode auch bei maximaler Einstrahlung
relativ groß ist.
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Für den Betrieb bei hohen Frequenzen wird das Nutzsignal durch die
Zeitkonstante des Empfängers bestimmt, die im wesentlichen durch Umladevorgänge
einer oder mehrerer innerer Kapazitäten über den ohm'schen Arbeitswiderstand bestimmt
ist. Für hohe Frequenzen muß daher der Arbeitswiderstand niedrig gewählt werden,
was die Empfindlichkeit der Anordnung herabsetzt. Bei der hier vorgeschlagenen Anordnung
mit einem Schwingkreis sind derartige Einschränkungen nicht vorhanden.
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Gemäß der Erfindung ist daher,wie in Figur 2 dargestellt ist, der
Fotodiode 2, die mit frequenzmoduliertem Licht beispielsweise eines Lasers bestrahlt
wird, ein Parallelschwingkreis 7 mit einer Spule 8 und einem abstimmbaren Kondensator
9 nachgeschaltet; Spule 8 und Kondensator 9 sind also im dargestellten Ausführungsbeispiel
parallel zuelnander gemeinsam aber in Reihe zur Fotodiode 2 angeordnet. Über diesen
Schwingkreis wird dann die Arbeitsspannung abgegriffen, die dann schon als demodulierte
Arbeitsspannung Uf vorliegt, bei der sämtliche Störlicht anteile schon ausgeschaltet
sind und die da8 reine Nutzsignal beinhaltet.
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Es ist dann gegebenenfalls noch eine einfache Verstärkung dieses Nutzsignals
Uf notwendig. Der schaltungstechnische Aufwand wird also wesentlich reduziert. Darüberhinaus
ist dem hier verwendeten Wechselstromwiderstand zwar für alle anderen Frequenzen
außer der Nutzsignal -frequenz der Wechseistromwiderstandswert praktisch Null oder
vernachlässigbar, für die Nutzsignalfrequenz ist er aber beträchtlich und insbesondere
derart, daß der bei maximaler Einstrahlung erreichbare kleinste Innenwiderstand
der Fotodiode 2 gegenüber dem Wechseistromwiderstand für die Nutzfrequenz vernachlässigbar
ist, so daß also für das Nutzsignal Uf praktisch der gesamte vorgegebene Spannungsbereich
bis nahezu zum Maximalwert Uo zur Verfügung steht. Der erfindungsgemäße Foto empfänger
ist also in überraschender Weise gegenüber dem Stand der Technik nicht nur besser
in der Ausblendung von Störlicht, erfordert geringeren schaltungstechnischen Aufwand,
sondern ist darüberhinaus auch noch empfindlicher. Zur Auskopplung des Signals zwecks
Weiterverarbeitung ist grundsätzlich lediglich eine lmpedanzwandlung vorzunehmen.
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Grundsätzlich können die einzelnen Elemente 8, 9 des Parallel-Resonanzkreises
auch regelbar ausgebildet sein, ggtis. um eine Anpassung der Frequenz der abzugreifenden
Spannung an unterschiedliche Modulationsfrequenzen vorzunehmen. Falls mit mehreren
Modulationsfrequenzen im eingestrahlten Licht gearbeitet wird, können auch mehrere
Parallel-Resnanzkreise 6 in Reihe geschaltet vorgesehen sein. In konstruktiver und
fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhaft ist es, den Parallel-Schwingkreis direkt
integriert mit der Fotodiode 2 auszubilden.
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Eine weitere äußerst bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Fotoempfänger -Schaltanordnung ist in der Figur 3 dargestellt. Die dortige Fotoempfängeranordnung
11 weist als Fotodetektor einen Fotofeldeffekttransi stor oder Foto-FET 12 auf,
bei dem der Pn-Übergang Gatechannel
als Fotodiode ausgebildet
ist. Im Gate-2 der Anordnung 1 ist ähnlich wie bei der Ausführung der Figur 2 ein
Paralleischwingkreis 17 mit Spule 18 und Kondensator 19 angordnet. Im Source-Zweig
ist ein SourceJNiderstand 16 angeordnet. Das Rufsignal Uf wird zwischen Source des
Foto-FET 12 und der dem Gate abgewandten Seite des Schwingkreises 17 abgegriffen.
Die Empfindlichkeit dieser Fotoempfängeranordnung wird durch den Schwingkreis 17
bestimmt. Die Fotoempfängeranordnung 11 der Figur 3 ist daher nur noch für Licht
empfindlich, das mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises moduliert ist. Neben
den schon erläuterten Eigenschaften im Hinblick auf die Störunempfindlichkeit hat
diese Empfängeranordnung noch den Vorteil, daß das Nutzsignal bereits optimal aus
dem Schwingkreis ausgekoppelt ist und, sofern keine weitere Verstärkung mehr erforderlich
ist, direkt zum Steuer-, Regelungs- bzw.
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Schaltzwecken eingesetzt werden kann.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
geeigneten Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.