DE3604603C2

DE3604603C2 -

Info

Publication number: DE3604603C2
Application number: DE3604603A
Authority: DE
Inventors: Toshinobu Owariasahi Jp Ando; Koichi Nagoya Jp Isaji
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-02-23
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1991-09-26
Also published as: KR900004297B1; US4757190A; DE3604603A1; CN1004102B; JPH0317384B2; CN86100687A; JPS61194784A; KR860006845A

Description

Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schaltkreis, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegeben ist.

Bisher werden solche Schaltkreise meist als sogenannte Fotosensoren zum optischen Erfassen von Karten oder Blättern oder zum Erzeugen von Impulsen verwendet, wobei im letzten Fall eine radiale Schlitze aufweisende Scheibe auf der rotierenden Welle eines Motors befestigt ist.

Ein vielfach eingesetzter Fotosensor ist aus "Application Manual" (Photointerrupter) SHARP (Januar 1982), S. 26, Fig. 4-7(d) bekannt. Bei diesem Schaltkreis fließt ein Strom durch eine lichtemittierende Diode zu einer Stromversorgung über einen Widerstand, und eine Spannung wird einem Fototransistor von der Spannungsquelle über einen weiteren Widerstand angelegt. Die lichtemittierende Diode strahlt Licht ab, sobald ein Strom durchfließt, und der Fototransistor wird eingeschaltet, wenn ihn das Licht erreicht, so daß ein Strom durch diesen Fototransistor von der Stromquelle fließt. Da der Stromverstärkungsfaktor des Fototransistors klein ist, wird sein Ausgangssignal in einer nachfolgenden Stufe durch einen Transistor verstärkt, an dem dann ein Signal großer Amplitude abgenommen wird. Da dieses Signal jedoch Verzerrungen aufweist, wird das verstärkte Ausgangssignal auch durch ein Schmitt-Triggerelement geformt. Da der Fototransistor und der die lichtemittierende Diode enthaltende Schaltungsteil in der Spannungsversorgung voneinander getrennt werden müssen, führt der beschriebene Schaltungsaufbau dazu, daß die Schnittstelle für die Abnahme des Ausgangssignals drei Leitungen aufweisen muß, nämlich eine Versorgungsspannungsleitung, eine Kollektorleitung und eine Erdleitung für den Fototransistor.

Weiter ist aus DE 24 10 314 A1 eine lichtelektrische Anlage zur Steuerung von Vorgängen bekannt, die einen Lichtsender, einen Lichtempfänger und ein Schaltglied aufweist und bei der die Lichtfortpflanzung zwischen Lichtsender und Lichtempfänger durch ein zu erfassendes Objekt beeinflußt werden kann. Auch bei dieser Anlage bedarf es für die Stromversorgung des Lichtsenders und die Abnahme des Ausgangssignals des Lichtempfängers an der Schnittstelle zwischen dem Lichterfassungsteil einerseits und der zugeordneten Detektorschaltung andererseits wiederum dreier Leitungen.

Mit zunehmender Komplexität der Funktionen der modernen elektronischen Geräte nimmt nun auch die Zahl der darin erforderlichen Fotosensoren zu, und es wird damit auch zunehmend schwieriger und arbeitsintensiver, beim Zusammenbau der Geräte die erforderliche Vielzahl von Leitungsverbindungen herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen fotoelektrischen Schaltkreis der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der mit einer geringeren Anzahl von Leitungsverbindungen an der Schnittstelle zwischen seinem Lichterfassungsteil und seiner Detektorschaltung auskommt als bisher.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen fotoelektrischen Schaltkreis, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltkreis verstärkt das Verstärkerelement den dem lichtemittierenden Element zugeführten Strom abhängig vom Ausgangssignal des Lichtempfangselements. Durch Rückkopplung des durch das Lichtempfangselement fließenden Stroms auf die Lichtquelle wird der durch das lichtemittierende Element fließende Strom erhöht und damit die ausgesandte Lichtmenge gesteigert. Die Schnittstelle zwischen dem Lichterfassungsteil und der Detektorschaltung weist insgesamt nur zwei Leitungsverbindungen auf, nämlich eine erste Leitung für die Stromzuführung zum lichtemittierenden Element und eine zweite Leitung für die Abnahme der Ausgangssignale des Lichtempfangselements. Der Weg des durch das lichtemittierende Element fließenden Stroms und der Weg des durch das Lichtempfangselement fließenden Stroms bilden eine Rückkopplungsschleife durch die Stromsteuerschaltung. Der Ausgangsstrom des Lichtempfangselements wird dabei zum lichtemittierenden Element zurückgeführt. Die damit erreichbare Steigerung des durch das lichtemittierende Element fließenden Stromes und der davon abgegebenen Lichtmenge führt zu einer beträchtlichen Erhöhung des Ausgangsstromes des Lichterfassungsteils, und es bedarf daher in der Detektorschaltung keiner zusätzlichen Verstärkerschaltung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch einen Mechanismus, der die Rotation eines Motors erfaßt als Beispiel der Anwendung eines Fotofühlers,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines fotoelektrischen Schaltkreises,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Schaltkreises erläutert, und

Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines fotoelektrischen Schaltkreises.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Mechanismus zur Erfassung der Drehzahl eines Motors als Anwendungsbeispiel eines Fotosensors. Eine Scheibe 12 mit einem Loch 121 ist auf der Motorwelle 111 befestigt, um deren Drehphase zu erfassen. Eine optische Erfassungseinheit 13, die die Position des in der Scheibe 12 angebrachten Lochs 121 optisch abfühlt, ist so ausgestaltet, daß die Scheibe 12 hindurchgeht. Zwei Signalleitungen L₁ und L₂ gehen von dieser optischen Erfassungseinheit 13 ab.

In dieser Einheit 13 sind einander gegenüberliegend ein lichtemittierendes Element und ein fotoempfindliches Element so angebracht, daß die Scheibe 12 dazwischen liegt. Auf diese Weise wird, sobald das Loch 121 durch die Drehung des Motors 11 zwischen lichtemittierendem Element und Lichtempfangselement liegt, das vom lichtemittierenden Element ausgesendete Licht vom fotoempfindlichen Element erfaßt, worauf ein Strom entsprechend der empfangenen Lichtmenge durch das fotoempfindliche Element fließt. Auf diese Weise wird ein Objekt, das ist die Anwesenheit oder Abwesenheit des in der Scheibe 12 geformten Lochs 121, erfaßt.

Fig. 2 zeigt eine konkrete Ausführungsform des fotoelektrischen Schaltkreises.

Durch Strichpunktlinien sind jeweils ein optischer Objekterfassungsteil 3 und eine Detektorschaltung 10 eingerahmt. Die Detektorschaltung 10 ist durch zwei Signalleitungen mit dem optischen Objekterfassungsteil 3 verbunden; das ist eine Leitung L₁, die von der Versorgungsquelle V_cc kommt und eine andere Leitung L₂, die die Ausgangsleitung ist. Die Signalleitung L₁ ist mit dem Emitter eines Transistors 6 und einem Anschluß a eines Vorspannungselements 7 im optischen Objekterfassungsteil 3 verbunden. Weiterhin sind der Kollektor des Transistors 6 und der andere Anschluß b des Vorspannungselements 7 miteinander und gemeinsam mit der Anode einer Fotodiode 4 verbunden, die das lichtemittierende Element ist. Die Basis des Transistors 6 ist mit dem Kollektor eines Fototransistors 5 verbunden, der das lichtemittierende Element ist. Zusätzlich ist die Kathode der Fotodiode 4 mit dem Emitter des photoempfindlichen Elements 5 und dieser Verbindungspunkt ist über die Leitung L₂ mit der Detektorschaltung 10 verbunden.

Die Signalleitung L₂ ist mit einem Anschluß a eines Lastwiderstandes 8 und dem Eingang eines Schmitt-Triggerelements 9 in der Detektorschaltung 10 verbunden. Zusätzlich ist der andere Anschluß b des Lastwiderstandes 8 geerdet. Auf diese Weise bilden in dem optischen Objekterfassungsteil 3 der Weg des durch das lichtemittierende Element 4 fließenden Stroms und der des durch das photoempfindliche Element 5 fließenden Stroms eine Rückkopplungsschaltung. Wenn die Intensität des vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahlten Lichts anwächst, erhöht sich die Menge des empfangenen Lichts ebenfalls und somit nimmt die Stärke des durch das photoempfindliche Element 5 fließenden Stroms zu. Folglich wird dieser zu dem Weg des durch das lichtemittierende Element 4 fließenden Stroms durch den Transistor 6 zurückgekoppelt, was die Intensität des vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahlten Lichts weiterhin erhöht. Da wegen dieser Rückkopplung eine starke Erhöhung des Stroms auftritt, braucht man keinen Verstärker am Ausgang des photoempfindlichen Elements. Zusätzlich ist die Anzahl der Leitungen auf zwei beschränkt, weil die Schnittstellensignalleitung L₂ von der Kathode des photoempfindlichen Elements 5 ausgeht. Größe und Leistungsverbrauch der Schaltung sind daher gering.

Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben. Dabei wird angenommen, daß zwischen dem Widerstandswert des Vorspannungselements 7, dem Wert des Lastwiderstands 8, dem unteren Grenzwert V_iL und dem oberen Grenzwert V_iH für den Eingangsspannungspegel folgende Beziehung gilt:

V_iH< (V_CC - V_D (2)

worin V_D=1,2 Volt ein angenäherter Wert des Spannungsabfalls im lichtemittierenden Element 4 in dem Falle ist, in dem eine Infrarotleuchtdiode als lichtemittierendes Element 4 verwendet wird. Außerdem wird angenommen, daß der Spannungsabfall im Transistor 6 vernachlässigbar klein ist.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltung für den Fall beschrieben, wo diese Schaltung zur Erfassung der Drehung eines Motors 11 angewendet wird.

Solange der nicht durchbrochene Teil der Scheibe 12 sich im optischen Objekterfassungsteil 3 befindet, fließt kein Ausgangsstrom I_p, weil das von dem lichtemittierenden Element 4 ausgestrahlte Licht das photoempfindliche Element 5 nicht erreichen kann. Deshalb ist der Basisstrom des Transistors 6 Null und der Transistor 6 ist abgeschaltet. Der durch das lichtemittierende Element fließende Strom I_D ist gleich dem durch das Vorspannungselement 7 fließenden Stroms I_R, und deshalb ist die emittierte Lichtmenge gering. Folglich ist der Pegel der Eingangsspannung V_i am Schmitt- Triggerelement 9 tief entsprechend der obengenannten Formel (1), und die Ausgangsspannung V_o des Schmitt-Triggerelements 9 hat hohen Pegel.

Sobald jedoch das Loch 121 in der Scheibe 2 den optischen Objekterfassungsteil 3 erreicht, wird vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahltes Licht vom photoempfindlichen Element 5 empfangen und ein Strom I_p beginnt zu fließen. Da das photoempfindliche Element 5 mit der Basis des Transistors 6 verbunden ist, beginnt der Kollektorstrom I_C des Transistors 6 zu fließen. Dadurch wird der Strom I_D, der durch das lichtemittierende Element 4 fließt, gleich I_R+I_C. Deshalb wird die Menge des vom lichtemittierenden Elements 4 ausgestrahlten Lichts erhöht und folglich steigt I_p ebenfalls. Die Rückkopplung wächst so lange an, bis der Transistor 6 gesättigt ist. Sobald der Transistor 6 gesättigt ist, wird die Eingangsspannung V_i des Schmitt-Triggerelements V_i=(V_cc-V_D) und nach der obengenannten Formel (2) geht die Ausgangsspannung V_o des Schmitt-Triggerelements 9 auf tiefen Pegel.

Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, das die obengenannten Beziehungen veranschaulicht.

In Fig. 3 stellen in Abszissenrichtung aufgetragene Werte a, a′ und a′′ Zeitdauern dar, während denen das Loch 121 in der Scheibe innerhalb des optischen Objekterfassungsteils 3 ist. Während der restlichen Zeit ist kein Loch im optischen Objekterfassungsteil 3. Der Strom I_D, der durch das lichtemittierende Element 4 fließt, hat eine durch das Vorspannungselement 7 und den Transistor 6 verzerrte Signalform, jedoch erscheinen am Ausgang V_o nach der Verarbeitung durch den Schmitt-Trigger 9 geformte Impulssignale. Zunächst fließt nur der durch das Vorspannungselement 7 fließende Strom I_D durch das lichtemittierende Element 4. Sobald das photoempfindlliche Element 5 vom lichtemittierenden Element 4 ausgestrahltes Licht empfängt, wird der durch das photoempfindliche Element 5 fließende Strom durch die Basis des Transistors 6 zurückgekoppelt und steigert deshalb die Stärke der Ströme I_D und I_p. Diese bilden die Eingangsspannung V_i des Schmitt- Triggerelements 9 in der Detektorschaltung 10, und wenn dieses Signal von dem Schmitt-Triggerelement ausgegeben wird, ist es eine geformte Impulsspannung V_o. Wie Fig. 2 deutlich zeigt, wird der Leistungsverbrauch, wenn ein Objekt zwischen das lichtemittierende Element und das photoempfindliche Element 5 eingebracht wird, extrem niedrig und somit kann durch die Erfindung der Verbrauch an elektrischer Leistung wirksam reduziert werden. Zusätzlich kann, wie aus Fig. 3 deutlich wird, wenn die Zeitdauer T zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen, d. h. von a bis a′ gemessen wird, da die Drehzahl f=1/T ist, die Drehzahl des Motors 11 durch Invertieren des gemessenen Werts T erfaßt werden.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des fotoelektrischen Schaltkreises.

In Fig. 4 ist das lichtemittierende Element 4 direkt an der Seite der Versorgungsquelle V_cc angeordnet. Das heißt, daß die Signalleitung L₁ direkt mit der Anode des lichtemittierenden Elements 4 und dessen Kathode mit dem Emitter des Transistors 6 und dem Anschluß a des Vorspannungselements 7 verbunden sind. Außerdem ist der Kollektor des Transistors 6, der Anschluß b des Vorspannungselements 7 und der Emitter des fotoempfindlichen Elements 5 gemeinsam mit der Signalleitung L₂ verbunden. Zusätzlich ist der Kollektor des fotoempfindlichen Elements 5 mit der Basis des Transistors 6, wie auch schon in Fig. 2, verbunden.

Nach der obigen Beschreibung wird durch die Erfindung ein Schaltkreis ermöglicht, der nur zwei Signalleitungen hat.

Eine Änderung des Schaltkreises kann in einer umgekehrten Verbindungsrichtung bestehen, wie dies bei Transistoren aufweisenden elektronischen Schaltungen üblich ist. Das heißt, daß die mit der Kollektorseite verbundenen Schaltungsteile dann mit der Emitterseite verbunden werden oder daß eine am Emitter geerdete Schaltung in eine am Kollektor geerdete Schaltung umgeändert wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Schmitt-Triggerelement kann auch durch eine Vergleicherschaltung ersetzt werden, wobei die Beziehungen der Spannungspegel berücksichtigt werden müssen.

Eine weitere Modifikation der in Fig. 4 gezeigten Schaltung besteht darin, die von der Signalleitung L₁ geführte Spannung mit einer Erdspannung zu vergleichen, indem die Signalleitung L₂ mit einer Gestellmasse verbunden wird und das Schmitt-Triggerelement 9 in der Erfassungsschaltung 10 durch einen Vergleicher ersetzt wird. Auf diese Weise ist dann nur noch eine besondere Signalleitung L₁ zwischen dem optischen Erfassungsteil 3 und der Detektorschaltung 10 nötig.

Claims

1. Fotoelektrischer Schaltkreis mit

- einem eine elektrisch gespeiste Lichtquelle, ein fotoelektrisches Lichtempfangselement und einen elektrischen Rückkopplungsweg mit einer ein Verstärkerelement enthaltenden Stromsteuerschaltung aufweisenden fotoelektrischen Lichterfassungsteil, in dem die Lichtübertragung im Strahlenpfad zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement durch ein nachzuweisendes Objekt beeinflußbar ist,
- zwei elektrischen Leitungen, die dem Lichterfassungsteil Strom zuführen, und
- einer Detektorschaltung, die mit dem Lichterfassungsteil elektrisch verbunden ist und schwellenwertartig auf den vom Lichterfassungsteil abgegebenen Strom anspricht,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichterfassungsteil (3) Verbindung mit der Detektorschaltung (10) nur über die beiden elektrischen Leitungen (L₁ und L₂) hat und
daß der elektrische Rückkopplungsweg mit der Stromsteuerschaltung durch das Verstärkerelement (6) und ein dazu parallel geschaltetes Vorspannungselement (7) gebildet ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrische Speisung der Lichtquelle (4) in der Detektorschaltung (10) eine Speisequelle (Vcc) vorgesehen ist, die über die erste elektrische Leitung (L₁) mit dem einen Ende der Lichtquelle (4) verbunden ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Detektorschaltung (10) an die zweite elektrische Leitung (L₂) ein Schmitt-Triggerelement (9) für die Weiterverarbeitung des Ausgangssignals des Lichtempfangselements (5) angeschlossen ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Leitung (L₂) in der Detektorschaltung (10) über einen Lastwiderstand (8) mit Masse verbunden ist.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement ein Transistor (6) ist, dessen eines Ende gemeinsam mit einem Ende des Vorspannungselements (7) mit der ersten elektrischen Leitung (L₁) verbunden ist.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Transistors (6) und das andere Ende des Vorspannungselements (7) gemeinsam mit einem Ende der Lichtquelle (4) verbunden sind.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Lichtquelle (4) gemeinsam mit einem Ende des Lichterfassungselements (5) mit der zweiten elektrischen Leitung (L₂) verbunden ist.

8. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement ein Transistor (6) ist, dessen eines Ende gemeinsam mit einem Ende des Vorspannungselements (7) an das andere Ende der Lichtquelle (4) angeschlossen ist.

9. Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Transistors (6) gemeinsam mit dem anderen Ende des Vorspannungselements (7) und einem Ende des Lichterfassungselements (5) mit der zweiten elektrischen Leitung (L₂) verbunden ist.