DE4015912A1 - Fotoelektrischer schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schalter, wel­ cher mit einer Lichtemissionseinrichtung zum Emittieren eines Lichtimpulssignals und einer Lichtnachweiseinrichtung zur Er­ zeugung eines Lichtnachweissignals in Reaktion auf das Licht­ impulssignal versehen ist, so daß das Vorhandensein eines Gegenstandes zwischen der Lichtemissions- und Lichtnachweis­ einrichtung nachgewiesen werden kann.

Es ist ein fotoelektrischer Schalter bekannt, wie in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 6 ist eine Lichtemissionseinrichtung, die einen Schwingkreis 1 und eine Leuchtdiode 2 umfaßt, mit der Ausgangsklemme des Schwingkreises 1 verbunden. Andererseits umfaßt eine Lichtnachweiseinrichtung eine Verstärkerschaltung 4, die mit einem Fototransistor 3 versehen ist, welcher ein von der Leuchtdiode 2 emittiertes Lichtimpulssignal empfängt und das empfangene Lichtimpulssignal in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Verstärkerschaltung 4 verstärkt das Signal, und ein Kondensator 5 ist zwischen die Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung 4 und die Eingangsklemme eines Kompa­ rators 6 geschaltet. Eine Nachweisschaltung 7 ist mit der Ausgangsklemme des Komparators 6 verbunden.

Die Fig. 7(a) bis (d) zeigen Wellenformen bei verschie­ denen Abschnitten des fotoelektrischen Schalters. Der Schwingkreis 1 erzeugt einen Impulsstrom, wie in Fig. 7(a) gezeigt, um die Leuchtdiode 2 zum Emittieren eines Lichtim­ pulssignals zu betätigen. Die Verstärkerschaltung 4 empfängt das Lichtimpulssignal von der Leuchtdiode 2 und wandelt es mittels des Fototransistors 3 in ein elektrisches Signal um, und verstärkt dann das elektrische Signal, damit es eine Wel­ lenform annimmt, wie in Fig. 7(b) gezeigt. Der Kondensator 5 schneidet eine Gleichstromkomponente des verstärkten Signals aus und überträgt das Signal zu dem Komparator 6. Der Kompa­ rator 6 diskriminiert das an ihn angelegte Signal auf der Grundlage eines vorbestimmten Pegels, um ein zur logischen Verarbeitung geeignetes Digitalsignal zu erhalten, wie in Fig. 7(c) gezeigt. Die Nachweisschaltung 7 erzeugt ein Nach­ weissignal, wie in Fig. 7(d) gezeigt, wenn das Impulssignal an den Komparator 6 eine vorbestimmte Anzahl von Malen fort­ dauernd angelegt wird.

Der herkömmliche fotoelektrische Schalter weist jedoch den Nachteil auf, daß dann, wenn eine Mehrzahl von Lichtemissi­ onseinrichtungen 20A und 21A benachbart zueinander angeordnet ist und eine Mehrzahl von Lichtnachweiseinrichtungen 20B und 21B einander benachbart angeordnet ist, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, die Lichtnachweiseinrichtung 20B ein Lichtsignal von der Lichtemissionseinrichtung 21A empfängt, obwohl ein Licht­ signal von der Lichtemissionseinrichtung 20A durch einen Gegenstand 22 ausgesperrt wird, so daß die Lichtnachweisein­ richtung 20B das Vorhandensein des Gegenstandes 22 nicht nachweisen kann. In einer Anordnung einer Mehrzahl fotoelek­ trischer Schalter ist es daher erforderlich, die optischen Achsen der fotoelektrischen Schalter ausreichend voneinander zu trennen.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Lösung des genannten Problems bei dem Stand der Technik.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines foto­ elektrischen Schalters, durch welchen ein Gegenstand ohne Hindernisse sicher nachgewiesen werden kann, selbst wenn eine Mehrzahl benachbarter fotoelektrischer Schalter vorhanden ist.

Um das Problem zu lösen, umfaßt gemäß der Erfindung der foto­ elektrische Schalter ein Lichtemissionselement zum Emittieren von Licht in Gestalt eines Lichtimpulssignals, ein Lichtnach­ weiselement zum Empfangen des Lichtimpulssignals und zum Um­ wandeln des Lichtimpulssignals in ein elektrisches Signal so­ wie eine Verstärkerschaltung zum Verstärken des elektrischen Signals zur Erzeugung eines verstärkten elektrischen Signals. Die Verstärkerschaltung ist mit einer Sättigungscharakteri­ stik-Verhinderungsfunktion versehen. Ein Komparator ist mit dem Verstärker verbunden zur Diskriminierung des verstärkten elektrischen Signals auf der Grundlage eines vorbestimmten Pegels, um das verstärkte elektrische Signal in ein Digital­ impulssignal umzuwandeln, das zur logischen Verarbeitung ge­ eignet ist. Eine Nachweisschaltung erzeugt ein Nachweis­ signal, wenn das Ausgangsimpulssignal von dem Komparator eine Anzahl von Malen kontinuierlich erzeugt wird. Eine Impuls­ dauer-Diskriminatorschaltung ist zwischen den Komparator und die Nachweisschaltung geschaltet, um zu ermitteln, ob eine Impulsdauer des Ausgangsimpulssignals des Komparators inner­ halb eines vorbestimmten Bereiches liegt oder nicht, um das Ausgangsimpulssignal des Komparators gültig zu machen, wenn die Impulsdauer einem vorbestimmten Wert gleich ist.

Die Impulsdauer-Diskriminatorschaltung diskriminiert das Aus­ gangsimpulssignal des Komparators so, daß nur die Impulsdauer des von dem Lichtemissionselement emittierten Lichtimpuls­ signals gültig ist. Ein Impulssignal mit einer Impulsdauer, die von der Impulsdauer des von dem Lichtemissionselement emittierten Lichtimpulssignals abweicht, wird nicht zu der Nachweisschaltung übertragen. Da die Verstärkerschaltung eine Sättigungscharakteristik-Verhinderungsfunktion aufweist, wird ferner die Impulsdauer nicht verändert, wenn das Lichtim­ pulseingangssignal in die Verstärkerschaltung groß ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des fotoelektrischen Schalters einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Impulsdauer-Diskriminator­ schaltung des Schalters von Fig. 1;

Fig. 3(c) bis (e) Zeitabläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise ver­ schiedener Abschnitte des fotoelektrischen Schal­ ters von Fig. 1;

Fig. 4 ein Schaltbild der Verstärkerschaltung des Schal­ ters von Fig. 1;

Fig. 5(h), (b₁) und (b₂) Zeitabläufe, welche einen Vergleich zwischen dem fotoelektrischen Schalter gemäß der Erfindung und einem herkömmlichen Schalter zeigen, und welche Im­ pulse bei verschiedenen Abschnitten jeder Verstär­ kerschaltung zeigen;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen fotoelek­ trischen Schalters;

Fig. 7(a) bis (d) Zeitabläufe von Signalwellenformen bei verschie­ denen Abschnitten von Fig. 6; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild von zwei Sätzen fotoelektri­ scher Schalter, die einander benachbart vorgesehen sind.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform des fotoelek­ trischen Schalters gemäß der Erfindung. In den Figuren tragen die den Elementen von Fig. 6 entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen. In Fig. 1 sind ein Schwingkreis 1, eine Leuchtdiode 2, ein Fototransistor 3, ein Kondensator 5, ein Komparator 6 und eine Nachweisschaltung 7 die gleichen wie die in dem herkömmlichen fotoelektrischen Schalter, und daher ist eine weitere Erläuterung dieser Elemente nicht er­ forderlich. Der fotoelektrische Schalter gemäß der Erfindung unterscheidet sich von dem herkömmlichen Schalter darin, daß eine Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 zwischen dem Kompa­ rator 6 und der Nachweisschaltung 7 vorgesehen ist, und daß eine Verstärkerschaltung 4 eine Sättigungscharakteristik- Verhinderungsfunktion aufweist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt in der Impulsdauer-Diskrimina­ torschaltung 8 eine Reihenschaltung eine Verzögerungsschal­ tung 81 und eine monostabile Schaltung 82, die mit der T-Ein­ gangsklemme eines D-Flipflop 84 verbunden ist. Eine Inversi­ onsschaltung 83 ist mit der Eingangsklemme der Verzögerungs­ schaltung 81 und der D-Eingangsklemme des Flipflop 84 verbun­ den. Die Q-Ausgangsklemme und die R-Eingangsklemme des Flip­ flop 84 sind miteinander verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt.

Anhand der Fig. 3(c) bis (e), die verschiedene Wellenfor­ men zeigen, wird die Betriebsweise der Impulsdauer-Diskrimi­ natorschaltung 8 beschrieben. Fig. 3(c) zeigt die Wellenform an dem Ausgang des Komparators 6, welche das Eingangssignal der Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 ist. Fig. 3(f) zeigt die Wellenform an dem Ausgang der Verzögerungsschaltung 81, während Fig. 3(g) die Wellenform an dem Ausgang der monostabilen Schaltung 82 zeigt. Fig. 3(e) zeigt die Wellen­ form an dem Ausgang des Flipflop 84.

Wenn der Ausgangsimpuls c des Komparators 6 an die Impuls­ dauer-Diskriminatorschaltung 8 angelegt wird, beginnt die Verzögerungsschaltung 81 zu arbeiten. Wenn die Dauer des Aus­ gangsimpulses c kürzer ist als eine vorbestimmte Zeit T1, wie zum Zeitpunkt t1 gezeigt, erzeugt die Verzögerungsschaltung 81 kein Ausgangssignal f. Da die Dauer des Ausgangsimpulses c länger ist als die Zeit T1 zum Zeitpunkt t2, wird die mono­ stabile Schaltung aktiviert, um in Reaktion auf das Ausgangs­ signal f der Verzögerungsschaltung 81 zu arbeiten, so daß ein Impuls mit einer Zeitdauer T2 als Ausgangssignal g der mono­ stabilen Schaltung 82 erzeugt wird. Dann speichert der Flip­ flop 84 das Ausgangssignal der Inversionsschaltung 83 bei der Rückflanke des Ausgangsimpulses g der monostabilen Schaltung 82. Wenn die Dauer des Ausgangsimpulses c des Komparators 6 länger ist als die Zeit T1+T2, wie zum Zeitpunkt t3 ge­ zeigt, ist das Ausgangssignal von der Inversionsschaltung 83 "0", und daher wird die in dem Flipflop 84 gespeicherte "0" unverändert gelassen. Folglich verändert sich das Ausgangs­ signal der Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 nicht. Das heißt, wenn die Dauer des Ausgangsimpulses c des Komparators 6 innerhalb eines Bereiches von der Zeitdauer T1 bis zu der Zeitdauer T1+T2 liegt, ist das Ausgangssignal der Inversi­ onsschaltung 83 "1" bei der Rückflanke des Ausgangssignals der monostabilen Schaltung 82, und daher wird in dem Flipflop 84 "1" gespeichert. Dann wird das Ausgangssignal des Flipflop 84 "1". Der Flipflop 84 wird daher durch sein eigenes Aus­ gangssignal zurückgesetzt, so daß der Speicherinhalt des Flipflop 84 wieder "0" wird.

Die Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 sendet einen Impuls zu der Nachweisschaltung 7, wenn die Ausgangssignaldauer des Komparators 6 länger ist als die Zeitdauer T1 und kürzer ist als die Zeitdauer T1+T2, wie oben beschrieben. Die Nach­ weisschaltung 7 erzeugt ein Nachweissignal, wenn der daran angelegte Impuls von der Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 andauert. In dem Fall, in welchem die Verzögerungsschaltung weggelassen wird, arbeitet die Impulsdauer-Diskriminator­ schaltung 8 nur, um einen Impuls mit einer Impulsdauer von nicht mehr als T2 gültig zu machen und einen Impuls mit einer Impulsdauer von mehr als der vorbestimmten Impulsdauer T1 zu beseitigen.

Bei dem Vorsehen einer Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 besteht jedoch ein Problem, wenn ein Lichtnachweissignal zu groß ist. Dann tritt in der Verstärkerschaltung 4 eine Sätti­ gung in der Verstärkung auf, so daß sich die Impulsdauer verändert und die Impulsdauer-Diskriminatorschaltung 8 den Diskriminiervorgang irrtümlicherweise ausführt. Dementspre­ chend wird der Verstärkerschaltung 4 eine Sättigungscharakte­ ristik-Verhinderungsfunktion gegeben, wie in Fig. 4 gezeigt.

In Fig. 4 ist die Verstärkerschaltung 4 mit dem Fototran­ sistor 3 versehen. Ein Widerstand 31, der zwischen den Kol­ lektor des Fototransistors 3 und eine Steuerspannungsquelle Fc geschaltet ist, und ein Widerstand 32, der den Kollektor und die Basis des Fototransistors 3 verbindet, wirken als Vorspannungswiderstände und bilden zusammen mit dem Fototran­ sistor 3 eine Lichtnachweisschaltung. In der Verstärkerschal­ tung 4 wird die Vorspannung an der Nichtinversions-Eingangs­ klemme eines Operationsverstärkers 41 erteilt durch eine Serienschaltung, welche Spannungsteilungswiderstände 42 und 43 umfaßt, die mit einer gesteuerten Energiequelle Vc und einem Nullspannungspegel verbunden sind. Der Kollektor des Fototransistors 3 ist mit der Inversionseingangsklemme des Operationsverstärkers 41 durch eine Reihenschaltung verbun­ den, welche einen Kondensator 44 und einen Widerstand 45 um­ faßt.

Herkömmlich ist nur ein Rückkoppelwiderstand 46 zwischen die Ausgangsklemme und die Inversionseingangsklemme des Operati­ onsverstärkers 41 geschaltet. Wenn ein Kollektorsignal des Fototransistors 3, wie in Fig. 5(h) gezeigt, an den Operati­ onsverstärker 41 angelegt wird, überschreitet daher das Ausgangssignal b1 des Operationsverstärkers 41 den Operati­ onsbereich, so daß der Operationsverstärker 41 gesättigt wird. Die Dauer des Ausgangssignals b1 wird länger die Dauer eines Lichtnachweisimpulses, das heißt als die Dauer des Kol­ lektorsignals h.

In dieser Ausführungsform ist daher eine Reihenschaltung von drei Dioden 47, 48 und 48 zwischen die Ausgangsklemme und die Inversionseingangsklemme des Operationsverstärkers 41 ge­ schaltet. Wenn in dieser Konfiguration das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 41 den Durchlaßspannungsabfall der drei Dioden 47, 48 und 49 übersteigt, beginnt ein Strom in die Dioden 47, 48 und 49 zu fließen. Der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstands 46 wird vermindert, was den Verstär­ kungsfaktor des Operationsverstärkers 41 vermindert und da­ durch seine Ausgangsspannung anhebt. Dieses verhindert eine Zunahme der Dauer des Ausgangssignals des Operationsverstär­ kers 41, wie in Fig. 5(b₂) gezeigt. Dementsprechend ist es möglich, eine Impulsdauer genau zu diskriminieren unabhängig von der Intensität eines Lichtnachweissignals.

Wie oben beschrieben, wird durch die Operation der Impuls­ dauer-Diskriminatorschaltung nur ein Lichtnachweissignal mit einer vorbestimmten Impulsdauer als gültiges Signal nachge­ wiesen. Und die Verstärkerschaltung ist so ausgelegt, daß sie eine Sättigungscharakteristik-Verhinderungsfunktion aufweist. Daher wird selbst dann, wenn ein anderer fotoelektrischer Schalter nahe dem fotoelektrischen Schalter gemäß der Erfin­ dung vorgesehen wird, das Auftreten einer Fehloperation auf­ grund des Empfangs eines von dem anderen fotoelektrischen Schalter emittierten Lichtimpulssignals verhindert, wenn die emittierte Lichtimpulsdauer des anderen elektrischen Schal­ ters so gewählt wird, daß sie von der des ersten fotoelektri­ schen Schalters verschieden ist. Ferner wird auch eine Fehlfunktion aufgrund eines von einem Fluoreszenzlicht oder dergleichen emittierten Lichtimpulssignals verhindert.

Nach Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen und Veränderungen derselben für den Fachmann offensichtlich werden, und der Rahmen der Erfindung soll durch die Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt werden.

Claims (3)

1. Fotoelektrischer Schalter, gekennzeichnet durch
ein Lichtemissionselement (2) zum Emittieren von Licht in der Form eines Lichtimpulssignals,
ein Lichtnachweiselement (3) zum Empfangen des von dem Licht­ emissionselement (2) emittierten Lichtimpulssignals und zum Umwandeln des Lichtimpulssignals in ein elektrisches Signal,
eine Verstärkerschaltung zum Verstärken des elektrischen Signals, um ein verstärktes elektrisches Signal zu erzeugen, wobei die Verstärkerschaltung (4) mit einer Sättigungscharak­ teristik-Verhinderungsfunktion versehen ist,
einen Komparator (6) zum Diskriminieren des verstärkten elek­ trischen Signals auf der Basis eines vorbestimmten Pegels, um so das verstärkte elektrische Signal in ein zur logischen Verarbeitung geeignetes digitales Impulssignal umzuwandeln,
eine Nachweisschaltung (7) zur Erzeugung eines Nachweis­ signals, wenn das Ausgangsimpulssignal des Komparators (6) kon­ tinuierlich eine vorbestimmte Anzahl von Malen erzeugt wird, und
eine Impulsdauer-Diskriminatorschaltung (8), die zwischen den Komparator (6) und die Nachweisschaltung (7) zwischengeschal­ tet ist, um zu ermitteln, ob eine Impulsdauer des Ausgangs­ impulssignals des Komparators (6) innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, und um das Ausgangsimpulssignal des Kompara­ tors (6) gültig zu machen, wenn die Impulsdauer des Aus­ gangsimpulses des Komparators (6) gleich einem vorbestimmten Wert ist.

2. Fotoelektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer-Diskriminatorschaltung (8) umfaßt:
einen D-Flipflop (84) mit einem D-Eingang, einem T-Eingang
einem R-Eingang und einem Q-Ausgang, wobei der R-Eingang und der Q-Ausgang miteinander verbunden sind,
eine Verzögerungsschaltung (81) mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende,
eine monostabile Schaltung (82) mit einem Eingangsende, das mit dem Ausgangsende der Verzögerungsschaltung (81) verbunden ist, und einem Ausgangsende, das mit dem T-Eingang des D- Flipflop (84) verbunden ist, sowie
eine Inversionsschaltung (83) mit einem Eingangsende, das mit dem Eingang der Verzögerungsschaltung (81) verbunden ist, und
einem Ausgang, der mit dem D-Eingang des D-Flipflop (84) ver­ bunden ist.

3. Fotoelektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (4) einen Operationsverstärker (41) mit einer Ausgangsklemme und einer Inversionseingangsklemme umfaßt, und daß eine Reihenschaltung von drei Dioden (47, 48, 49) zwischen die Inversionseingangs­ klemme und die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers (41) geschaltet ist.