DE4109121A1 - Sensor, vorzugsweise optischer sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor, vorzugsweise einem opti­ schen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, mit Hilfe von Lichtschranken Positionsmes­ sungen durchzuführen. Dabei wird ein lichtemittierendes Element, bei­ spielsweise eine lichtemittierende Diode an die Versorgungsspannung angeschlossen. Das von der lichtemittierenden Diode abgestrahlte Licht wird in einiger Entfernung von einem Photoempfänger, bei­ spielsweise einem Phototransistor empfangen und löst in diesem einen Ausgangsstrom aus. Wird in die Signalstrecke zwischen der Leucht­ diode und dem Phototransistor ein lichtabsorbierender Gegenstand gehalten, führt dies dazu, daß im Phototransistor kein beziehungs­ weise nur noch ein deutlich geringerer Strom fließt, damit kann er­ kannt werden, ob sich zwischen der Leuchtdiode und dem Phototransi­ stor ein Gegenstand befindet.

Eine derartige Einrichtung hat den Nachteil, daß bei einer Auswer­ tung des Transistorstroms, beispielsweise in einem Steuergerät zwi­ schen dem Steuergerät, das auch die Versorgungsspannung liefert und den beiden Bauelementen mindestens drei Leitungen erforderlich sind.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung ist der relativ ge­ ringe Signalhub, der besonders bei schwachen Strom durch die Leucht­ diode für eine zuverlässige Auswertung zu gering sein kann, außerdem ist es notwendig, die Leuchtdiode mit einem relativ hohen Dauerstrom zu betreiben, dies ist ebenfalls ein Nachteil der bekannten Einrich­ tung.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, daß ein sehr großer Nutzhub erzielt werden kann, da bei einer Beleuchtung des Phototransistors zusätzlich der Strom durch das lichtaussendende Element erhöht wird, wodurch dieses noch stär­ ker leuchtet und zu einer weiteren Signalerhöhung beiträgt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß bei der Versorgung beziehungsweise Auswertung mit Hilfe eines Steuergeräts insgesamt nur zwei Leitungen zwischen dem Sensor und dem Steuergerät benötigt werden.

Ein besonderer Vorteil ist die extrem geringe Stromaufnahme im "Standby-Betrieb", also wenn die Blende in der Lichtstrecke ist und die Leuchtdiode in der "Dunkelphase" ist. Diese Stromaufnahme be­ trägt nur einige 10 µA, die zugehörige mittlere Leistungsaufnahme der Anordnung ist daher insgesamt gering, besonders dann, wenn das Hell-Dunkel-Tastverhältnis entsprechend langer Dunkelphasen, beson­ ders klein wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteil­ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Sensors möglich.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. In Fig. 3 ist ein Beispiel für die Verwendung des erfin­ dungsgemäßen Sensors in Verbindung mit einer Drehzahlerfassung an­ gegeben.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a, b ist mit 10 ein Steuergerät bezeichnet, das über eine erste Leitung 24 mit dem Sensor 11 verbunden ist. Über diese erste Leitung wird die Versorgungsspannung UB dem Sensor zugeführt.

Der Sensor 11 selbst weist einen Widerstand 12 sowie eine mit diesem Widerstand 12 in Serie liegende Leuchtdiode 13 auf, die über eine zweite Leitung 25 mit dem Steuergerät 10 verbunden ist.

Der dem Steuergerät 10 zugewandte Anschluß des Widerstandes 12 ist mit dem Emitter eines Transistors 14 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 15 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Wi­ derstand 12 und der Leuchtdiode 13 verbunden ist. Die Basis des Transistors 14 ist über einen weiteren Widerstand 16 mit dem Kollek­ tor eines Phototransistors 17 verbunden, dessen Emitter über die zweite Leitung ebenfalls mit dem Steuergerät 10 verbunden ist.

Im Steuergerät 10 liegt ein Widerstand 18 zwischen der zweiten Lei­ tung 25 und Masse, an diesen Widerstand entsteht die auszuwertende Spannung UA.

Mit 19 ist eine Blende bezeichnet, die in der in Fig. 1 dargestell­ ten Sensierstellung 1 zwischen der Leuchtdiode 13 und dem Photo­ transistor 17 angeordnet ist. Diese Blende verdeutlicht einen all­ gemeinen, lichtabsorbierenden Gegenstand, der sich zwischen der Leuchtdiode und dem Phototransistor befinden kann.

In Fig. 1b ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a in der zweiten Sensierstellung 2 angegeben. Im Unterschied zur Sensierstellung 1 befindet sich jetzt die Blende 19 nicht mehr zwischen der Leucht­ diode 13 und dem Phototransistor 17, so daß die Basis des Photo­ transistors 17 von der Leuchtdiode 13 beleuchtet wird.

In der Sensierstellung 1 fließt ein geringer Strom durch die Leucht­ diode 13, der diese relativ schwach leuchten läßt. Da die Blende 19 zwischen der Leuchtdiode 13 und dem Phototransistor 17 ist, wird dieser nicht beleuchtet, die Emitter-Kollektor-Strecke ist damit ge­ sperrt. In dieser Stellung kann also auch durch den Widerstand 16 kein Strom fließen, wodurch der Transistor 14 nicht durchgesteuert wird und demzufolge über den Widerstand 15 kein Strom fließt.

Wird die Blende 19, wie in Fig. 1b angedeutet, zwischen der Leucht­ diode 13 und dem Phototransistor 17 entfernt, dann gelangt das im ersten Moment noch relativ schwache Licht der Leuchtdiode 13 auf die Basis des Phototransistors 17 und steuert diesen an, demnach fließt über den Widerstand 16 ein Strom, der seinerseits den Transistor 14 durchsteuert, dies hat zur Folge, daß der Emitter-Kollektor-Wider­ stand des Transistors 14 verringert wird, so daß über den Widerstand 15 ein zusätzlicher Strom in die Leuchtdiode 13 fließen kann.

Dieser zusätzliche Strom bewirkt, daß die Leuchtdiode 13 noch stär­ ker leuchtet, wodurch der Phototransistor 17 noch weiter durch­ steuert und eine weitere Steigerung der Leuchtstärke der Leuchtdiode 13 auslöst.

Letztendlich fließt in der Sensierstellung 2 ein wesentlich größerer Strom durch die Leuchtdiode 13 sowie den Transistor 17 und den Tran­ sistor 14, so daß der Sensor 11 an das Steuergerät 10 gelieferte Strom wesentlich erhöht ist gegenüber dem in der Sensierstellung 1 fließenden Strom.

Damit wird auch der im Widerstand 18 des Steuergeräts 10 erzeugte Spannungsabfall, der letztendlich ausgewertet wird, deutlich ver­ größert.

Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entfallen die Wider­ stände 15 und 16, der Kollektor des Transistors 14 ist daher direkt mit der Leuchtdiode 13 verbunden und die Basis des Transistors 14 ist direkt mit dem Kollektor des Phototransistors 17 verbunden.

Die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung des Sensors 11 unter­ scheidet sich nur unwesentlich von der Funktionsweise des Ausfüh­ rungsbeispiels nach Fig. 1a, Fig. 2 ist im übrigen wie Fig. 1a in der Sensierstellung 1 dargestellt.

Zur Temperaturkompensation kann beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 oder 2 zwischen dem Emitter des Transistors 14 und den Kollektor des Phototransistors 17 beziehungsweise die Basis des Transistors 14 ein Widerstand 20 geschaltet werden, der zur Erreichung höherer Tem­ peraturbereiche temperaturunabhängig ausgeführt wird.

In Fig. 3 ist ein Sensor entsprechend der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 oder 2 im Zusammenhang mit einer Drehzahlerfassung abgebil­ det.

Dabei bezeichnet 21 eine mit einer drehbaren Welle einer Brennkraft­ maschine verbundene Geberscheibe, die beispielsweise eine einzige Markierung 22 aufweist. Die Geberscheibe entspricht bei diesem Bei­ spiel der Blende 19, die Leuchtdiode 13 ist auf der einen Seite der Geberscheibe und der Phototransistor 17 auf der anderen Seite ange­ ordnet. Solange sich die Geberscheibe zwischen der Leuchtdiode und dem Phototransistor befindet, ist der Lichtfluß unterbrochen, solan­ ge sich die Markierung 12 zwischen der Leuchtdiode und dem Photo­ transistor befindet, wird der Phototransistor 17 bestrahlt und der Stromfluß durch die Leuchtdiode 13 erhöht.

Die so erhaltene Information wird im Steuergerät 10 ausgewertet und beispielsweise zu einem Rechteck-Spannungssignal weiterverarbeitet, das eine High-Pegel aufweist, solange der Phototransistor bestrahlt wird und einen Lowpegel solange die Lichtzufuhr unterbunden ist. Aus den Abständen zwischen einzelnen Flanken dieses Rechtecksignals läßt sich damit in bekannter Weise die Drehzahl ermitteln.

Die Geberscheibe nach Fig. 3 läßt sich im übrigen beliebig abwan­ deln, so ist es denkbar, daß die Lichtzufuhr durch auf der Geber­ oberfläche angeordnete Zähne unterbrochen wird oder daß die Geber­ scheibe statt der einen Marke 22 eine Vielzahl solcher Marken auf­ weist.

Es ist auch möglich, die Leuchtdiode 13 und den Phototransistor 17 an beliebiger Stelle anzuordnen und Lichtleiter 26 so anzuordnen, daß der zur Leuchtdiode 13 führende Lichtleiter auf der einen und der zum Phototransistor 17 führende Lichtleiter auf der anderen Seite der Geberscheibe 21 enden.

Wird der Sensor 11 in einem optisch abgeschlossenen Raum angeordnet, befindet sich also ein optisch dichtes Gehäuse 23 um den Sensor 11, lassen sich Störungen weitgehend vermeiden.

Wird der Sensor 11 irrtümlicherweise verpolt angeschlossen, wird er nicht zerstört, da die Leuchtdiode 13 in diesem Fall sperrt und kein Lichtsignal abgibt. Eine gute Überspannungssicherheit läßt sich durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 12, 15, 16, 18 er­ zielen.

Anstelle eines optischen Systems mit Leuchtdiode 13 und Phototran­ sistor 17 kann auch ein anderes System eingesetzt werden, wobei ein erstes, eine physikalische Größe aussendendes Element, dessen Inten­ sität von der Stärke eines durchfließenden Stromes abhängt und ein zweites, diese physikalische Größe empfangendes Element verwendet werden soll und das zweite Element wenigstens eine seiner Eigen­ schaften, beispielsweise seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Intensität der empfangenen physikalischen Größe ändert.

Claims (6)

1. Sensor, vorzugsweise optischer Sensor mit einem ersten, an eine Versorgungsspannung angeschlossenen, eine physikalische Größe aus­ sendendem Element, dessen ausgesandte Intensität von der Stärke des durchfließenden Stroms abhängt und einem zweiten Element, das wenig­ stens eine Eigenschaft aufweist, die abhängig ist von der Intensität der empfangenen physikalischen Größe, mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Element anordenbaren Körper, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (17) mit der Basis eines Transistors (14) in Verbindung steht, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit dem ersten Element (13) eine Serienschaltung bildet und an die Versorgungs­ spannung (UB) angeschlossen ist.

2. Optischer Sensor mit einem ersten, an eine Versorgungsspannung angeschlossenen lichtaussendendem Element, dessen ausgesandte Licht­ intensität von der Stärke des durchfließenden Stroms abhängt, mit einem zweiten Element, dessen Widerstand abhängig ist von der emp­ fangenen Lichtintensität, mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Element anordenbaren Körper, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element mit der Basis eines Transistors (14) in Verbindung steht, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit dem ersten Element (13) eine Serienschaltung bildet und an die Versorgungsspannung (UB) an­ geschlossen ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element eine Leuchtdiode (13) und das zweite Element ein Pho­ totransistor (17) ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der zweiten Leitung, mit der der Sensor (11) mit dem Steuergerät (10) verbunden ist und Masse ein Widerstand (18) liegt, an dem die vom Steuergerät (10) auszuwertende Spannung (UA) entsteht.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (19) eine mit einer rotierenden Welle ver­ bundene Geberscheibe (22) ist, die derartige Markierungen aufweist, daß die Strecke zwischen dem ersten Element (13) und dem zweiten Element (17) abhängig von diesen Markierungen unterbrochen oder nicht unterbrochen ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das auszu­ wertende Signal (UA) zur Bestimmung der Drehzahl, mit der die Geber­ scheibe (22) rotiert, verwendet wird.