DE4224409B4 - Verfahren zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines optischen Senders und eines als optischen Empfänger dienenden Phototransistors - Google Patents

Verfahren zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines optischen Senders und eines als optischen Empfänger dienenden Phototransistors Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines als optischen Empfänger dienenden Phototransistors (E) und eines optischen Senders (S), der an einer ersten Versorgungsspannung liegt, in einem optischen Abtaster, der unterschiedliche Helligkeiten detektiert, bei dem der optische Empfänger (E) Licht vom optischen Sender (S) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential am Emitter und am Kollektor des Phototransistors (E) auf je einen festen Wert geklemmt wird, der Kollektor-Emitter-Strom des Phototransistors (E) ausgewertet und zum detektieren hochfrequenter Änderungen einer den optischen Empfänger nicht kapazitiv belastenden Steuerschaltung des optischen Senders (S) zugeführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines optischen Senders und eines als optischen Empfänger dienenden Phototransistors in einem optischen Abtaster, der unterschiedliche Helligkeiten detektiert, bei dem der optische Empfänger Licht vom optischen Sender empfängt und bei dem der Ausgang eines Operationsverstärkers mit der einen Elektrode des optischen Empfängers verbunden ist, dessen andere Elektrode auf Bezugspotential liegt.
  • Aus der EP 0 248 903 B1 ist eine derartige Schaltungsanordnung bekannt. In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel der in der EP 0 248 903 B1 beschriebenen Schaltungsanordnung gezeigt.
  • Der Ausgang eines Operationsverstärkers OP ist mit der Anode einer als optischen Sender vorgesehenen Leuchtdiode S verbunden, deren Kathode auf Bezugspotential liegt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP liegt über einen ersten Widerstand R1 auf Bezugspotential und über einen zweiten Widerstand R2 an einer Spannung +U. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP Liegt über einen dritten Widerstand R3 an der Spannung +U und über eine Kapazität C auf Bezugspotential. Außerdem ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP mit der Anode einer Diode D verbunden, deren Kathode über einen vierten Widerstand R4 an der Spannung +U Liegt und mit dem Kollektor eines als optischen Empfänger vorgesehenen Phototransistors E verbunden ist. Der Emitter des Phototransistors E liegt auf Bezugspotential. Die Ausgangsspannung UA wird am Kollektor des Phototransistors E abgegriffen.
  • Zum leichteren Verständnis der Schaltungsanordnung aus 1 sei angenommen, daß zuerst die Stufe eines Filters F, die das. Licht am wenigsten dämpft, zwischen der Leuchtdiode S und dem Phototransistor E liegt. Wegen dem Spannungsteiler aus dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 hat das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP einen festen Wert. Die dadurch bedingte konstante Spannung zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und Bezugspotential wird im weiteren Verlauf als Klemmspannung UK bezeichnet. Der Operationsverstärker OP ändert nun seine Ausgangsspannung und damit auch die Sendeleistung der Leuchtdiode S so lange, bis die Spannung zwischen seinen beiden Eingängen null wird. Weil dann beide Eingänge des Operationsverstärkers OP auf gleichem Potential liegen, fällt an der Kapazität C ebenso wie am ersten Widerstand R1 die Klemmspannung UK ab. Unter der Annahme, daß es sich bei der Diode D um eine ideale Diode handelt, nimmt die Ausgangsspannung UA am Kollektor des Phototransistors E den Wert der Klemmspannung UK an, denn der Operationsverstärker OP ändert – wie bereits erwähnt – seine Ausgangsspannung und damit auch die Sendeleistung der Leuchtdiode S so lange, bis der Widerstand des Phototransistors E genau den Wert annimmt, bei dem an der Kollektor-Emitter-Strecke die Klemmspannung UK abfällt. Der Kollektor des Phototransistors E sowie der invertierende als auch der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP liegen jetzt alle auf gleichem Potential, vorausgesetzt die Diode D ist ein ideales Bauteil. In Wirklichkeit wird die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke des Phototransistors E jedoch um die Diodenspannung kleiner sein als die Klemmspannung UK.
  • Wird nun das Filter F zwischen der Leuchtdiode S und dem Phototransistor E so durchgeschoben, daß von Stufe zu Stufe des Filters die Dämpfung zunimmt, so nimmt der Widerstand des Phototransistors E ebenfalls zu. Weil dadurch das Potential am Kollektor des Phototransistors E positiv gegenüber dem Potential an der Anode der Diode D wird, sperrt die Diode D. Bei gesperrter Diode D kann aber der Operationsverstärker OP seine Ausgangsspannung nicht ändern, weil seine beiden Eingänge auf gleichem Potential liegen oder – mit anderen Worten ausgedrückt – weil sowohl am ersten Widerstand R1 als auch an der Kapazität C die Klemmspannung UK abfällt. Deshalb nimmt die Ausgangsspannung UA, wie in 2 gezeigt ist, stufenförmig zu, wenn die Dämpfung des Filters F ebenfalls in Stufen zunimmt. Wird das Filter F in entgegengesetzter Richtung, d.h. von der Stufe höchster Dämpfung zur Stufe geringster Dämpfung zwischen der Leuchtdiode S und dem Phototransistor E geschoben, so wird die in 2 gezeigte Treppenkurve in entgegengesetzter Richtung durchlaufen: Die Ausgangsspannung UA nimmt stufenförmig ab, bis sie, wenn wieder die Stufe des Filters F mit der geringsten Dämpfung zwischen der Leuchtdiode D und dem Phototransistor E liegt, auf die Klemmspannung UK abgesunken ist.
  • Bei der in 1 gezeigten bekannten Schaltungsanordnung wird stets auf die Stufe des Filters mit der geringsten Dämpfung, d.h. auf den hellsten Wert geklemmt. Wird z.B. das Filter um eine Stufe mit noch geringerer Dämpfung erweitert und wird diese Stufe zwischen die Leuchtdiode S und den Phototransistor E geschoben, so nimmt der Widerstand des Phototransistors E ab. Weil durch diese Abnahme das Potential an seinem Kollektor negativ gegenüber dem Potential an der Anode der Diode D wird, wird die Diode D leitend. Das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP sinkt, denn die Kapazität C wird nun über die Diode D entladen. Die an der Kapazität C abfallende Spannung sinkt unter die Klemmspannung UK ab, während am ersten Widerstand R1 weiterhin die Klemmspannung UK abfällt. Der Operationsverstärker OP regelt sofort diesen Zustand unterschiedlicher Spannungen am ersten Widerstand R1 und an der Kapazität C aus, indem er seine Ausgangsspannung verringert, so daß die Leuchtdiode S weniger Licht auf den Phototransistor E strahlt. Die Lichtleistung der Leuchtdiode S wird so lange verringert, bis der Widerstand des Phototransistors E wieder den Wert annimmt, bei dem an der Kollektor-Emitter-Strecke die Klemmspannung UK abfällt. In diesem stabilen Zustand Liegen der Kollektor des Phototransistors E sowie die beiden Eingänge des Operationsverstärkers OP auf gleichem Potential.
  • Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung Liegt nun darin, daß bei sehr schnellen Helligkeitsänderungen die Kollektor-Emitter-Strecke des Phototransistors E infolge der parasitären Kollektor-Emitter-Kapazität PC kurzgeschlossen wird. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist für Helligkeitsänderungen, die mit hoher Frequenz erfolgen, nicht geeignet, weil sie sehr schnelle Helligkeitsänderungen nicht mehr infolge der parasitären Kollektor-Emitter-Kapazität detektieren kann.
    •
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines optischen Senders und eines optischen Empfängers in einem optischen Abtaster so zu gestalten, daß sie auch hochfrequente Änderungen der Helligkeit detektieren kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • Es zeigen
  • 1 den Stand der Technik gemäß EP-PS 0 248 903
  • 2 ein Spannungsdiagramm zum Stand der Technik
  • 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • Die in 1 abgebildete zum Stand der Technik gehörende Schaltungsanordnung wurde bereits eingangs beschrieben und an Hand des in 2 dargestellten Spannungsdiagramms erläutert.
  • Anhand des in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispieles wird nun die Erfindung zuerst beschrieben und anschließend erläutert.
  • In der 3 liegt die Anode einer als optischen Sender vorgesehenen Leuchtdiode S, deren Kathode auf Bezugspotential liegt, an einer Versorgungsspannung U1. Der Emitter eines als optischen Empfängers vorgesehenen Phototransistors E liegt auf Bezugspotential, während sein Kollektor mit der Basis und dem Kollektor eines Transistors T1 und mit der Basis eines Transistors T2 verbunden ist. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren T1 und T2 liegen an einer Versorgungsspannung U2. Am Kollektor des Transistors T2, der über einen Widerstand R1 auf Bezugspotential liegt, ist das Detektionssignal DS abnehmbar. Die Transistoren T1 und T2 bilden eine Stromspiegelschaltung.
  • Durch den Transistor T1 wird das Potential am Kollektor des Phototransistors E auf einem festen Wert gehalten. Weil der Emitter des Phototransistors E ebenfalls auf einem festen Potential – Bezugspotential – liegt, bleibt die Kollektor-Emitter-Spannung beim Phototransistor E unabhängig von der empfangenen Lichtenergie konstant; jedoch hängt nun der Kollektor-Emitter-Strom des Phototransistors von der empfangenen Lichtenergie ab. Der Kollektor-Emitter-Strom des Phototransistors E wird durch den Transistor T1 in den Transistor T2 gespiegelt, an dessen Kollektor das Detektionssignal DS abnehmbar ist. Weil die Kollektor-Emitter-Spannung sowohl unabhängig von der empfangenen Lichtenergie als auch unabhängig von der Frequenz der Helligkeitsänderungen des empfangenen Lichtes konstant bleibt, kann sich die parasitäre Kollektor-Emitter-Kapazität PC nicht mehr störend auf das Detektionssignal DS auswirken.
  • Es wird nun das in 4 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel beschrieben und erläutert.
  • Wie beim ersten Ausführungsbeispiel liegt die Kathode des optischen Senders S auf Bezugspotential. Der Emitter des Phototransistors E liegt ebenfalls auf Bezugspotential; der Kollektor des Phototransistors E ist mit dem Kollektor und der Basis des Transistors T1 und der Basis des Transistors T2 verbunden. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren T1 und T2 liegen an einer Versorgungsspannung U2. Der Kollektor des Transistor T2, an dem das Detektionssignal DS abnehmbar ist, liegt über einen Widerstand R1 auf Bezugspotential und ist mit der Basis eines Transistors T3 verbunden, an dessen Kollektor eine Versorgungsspannung U3 Liegt. Der Emitter des Transistors T3 ist dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine Referenzspannung UR liegt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP Liegt über einen Widerstand R3 auf Bezugspotential und ist über eine Kapazität C mit seinem Ausgang verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über einen Widerstand R2 mit der Anode der Leuchtdiode S verbunden.
  • Der durch den Phototransistor E fließende Kollektor-Emitter-Strom wird vom Transistor T1 in den Transistor T2 gespiegelt. Die am Widerstand R1 abfallende Spannung steuert den Transistor T3, der den Operationsverstärker OP ansteuert. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP steuert daher den Strom durch die Leuchtdiode S.
  • Um darzustellen, wie z.B. unterschiedliche Helligkeiten erzeugt werden, ist zwischen der Leuchtdiode S und dem Photo transistor E ein Filter F mit unterschiedlichen Grauwerten gezeichnet, das zwischen dem Phototransistor E und der Leuchtdiode S hindurch geschoben werden kann. Das am Kollektor des Transistors T2 abnehmbare Detektionssignal DS entspricht der in 2 gezeigten Treppenkurve, wenn zwischen der Leuchtdiode S und dem Phototransistor E das Filter F mit unterschiedlichen Grauwerten in Pfeilrichtung hindurch geschoben wird.
  • Es wird nun das in 5 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und erläutert.
  • Das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP mit dem Emitter eines Transistors T4 und über einen Widerstand R4 mit Bezugspotential verbunden ist. Die Basis des Transistors T4 liegt über einen Widerstand R5 auf Bezugspotential und ist über einen Widerstand R6 mit dem Kollektor des Transistors T4 und dem Kollektor des Transistors T3 verbunden, an dem die Versorgungsspannung U3 liegt.
  • Die Anordnung, die aus dem Transistor T4 und dem Widerstand R4 gebildet wird, ist ein Spiegelbild zu der Anordnung, die aus dem Transistor T3 und dem Widerstand R3 gebildet wird. Der Vorteil gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel ist darin zu sehen, daß der Transistor T4, der vom gleichen Typ wie der Transistor T3 gewählt ist, Änderungen der Transistorparameter des Transistors T3 als gewissermaßen dessen Spiegelbild mitmacht. Eine Drift der Transistorparameter des Transistor T3 wird deshalb durch den Transistor T4 kompensiert, weil er diese Drift mitmacht. Weil beim zweiten Ausführungsbeispiel, das in 4 gezeigt ist, am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP eine Referenzspannung UR liegt, können Änderungen der Parameter des Transistors T3 nicht wie beim dritten Ausführungsbeispiel kompensiert werden.
  • Der Widerstand R1 kann in den Ausführungsbeispielen, die in den 3, 4 und 5 gezeigt sind, durch eine Konstantstromquelle Q1 ersetzt werden. Die Stromspiegelschaltung aus den Transistoren T1 und T2 kann ebenfalls bei den in den 3, 4 und 5 abgebildeten Ausführungsbeispielen durch eine steuerbare Stromquelle 42 ersetzt werden, die vom Kollektor-Emitter-Strom des Phototransistors E gesteuert wird. Die Funktion der Schaltungsanordnung ändert sich dadurch nicht.
  • Bei dem in der 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist der Widerstand R1 durch eine Stromquelle 41 ersetzt.
  • Bei dem in der 7 abgebildeten fünften Ausführungsbeispiel ist die Stromspiegelschaltung aus den Transistoren T1 und T2 durch eine steuerbare Stromquelle 42 ersetzt; der Widerstand R1 ist durch eine Stromquelle 41 ersetzt.
  • Beim in der 8 gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel ist der Widerstand R1 beibehalten, während die Stromspiegelschaltung durch die steuerbare Stromquelle 42 ersetzt ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt; jede beliebige Stromspiegelschaltung ist für die Erfindung geeignet.
  • Die Erfindung ist sowohl für Lichtschranken, bei denen der optische Sender und der optische Empfänger sich gegenüberliegen, als auch für Reflexkoppler geeignet. Beispielsweise läßt sich die Erfindung vorteilhaft in einem Videorecorder einsetzen. Um eine saubere Bildwiedergabe zu erzielen, müssen Drehzahl und Winkellage der Kopftrommel eines Videorecorders genau geregelt werden. Deshalb sind auf dem Umfang des deckelförmigen Rotors des Kopftrommelmotors z.B. dunkle Striche angeordnet, die zwischen dem Phototransistor E und der Leuchtdiode S wie bei einer Lichtschranke hindurchlaufen. Einer der Striche ist dicker als die restlichen Striche gewählt. Dieser Strich stellt den dunkelsten Wert dar. Geklemmt wird jeweils auf die hellen Zwischenräume zwischen zwei dunklen Strichen. Die Striche werden vom Phototransistor E detektiert. Das am Kollektor des Transistors T2 abnehmbare Detektionssignal DS dient zur Ansteuerung der Statorspulen des Kopftrommelmotors.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Kompensation von Änderungen der Parameter eines als optischen Empfänger dienenden Phototransistors (E) und eines optischen Senders (S), der an einer ersten Versorgungsspannung liegt, in einem optischen Abtaster, der unterschiedliche Helligkeiten detektiert, bei dem der optische Empfänger (E) Licht vom optischen Sender (S) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential am Emitter und am Kollektor des Phototransistors (E) auf je einen festen Wert geklemmt wird, der Kollektor-Emitter-Strom des Phototransistors (E) ausgewertet und zum detektieren hochfrequenter Änderungen einer den optischen Empfänger nicht kapazitiv belastenden Steuerschaltung des optischen Senders (S) zugeführt wird.
  2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Phototransistors (E) auf Bezugspotential liegt und dass die andere Elektrode des Phototransistors (E) mit einer Stromspiegelschaltung (T1, T2) verbunden ist, an deren Ausgang das Detektionssignal (DS) abnehmbar ist und dass am Ausgang der Stromspiegelschaltung (T1, T2) über einen Transistor (T3) der Eingang eines kapazitiv rückgekoppelten Operationsverstärkers (OP) zum Steuern des optischen Senders (S) angeschlossen ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Phototransistors (E) auf Bezugspotential liegt, dass die andere Elektrode des Phototransistors (E) mit der Basis und dem Kollektor eines ersten Transistors (T1) und mit der Basis eines zweiten Transistors (T2) verbunden ist, dass die miteinander verbundenen Emitter des ersten und des zweiten Transistors (T1, T2), die eine Stromspiegelschaltung bilden, an einer zweiten Versorgungsspannung (U2) liegen und dass das Detektionssignal (DS) am Kollektor des zweiten Transistors (T2) abnehmbar ist, der über einen ersten Widerstand (R1) auf Bezugspotential liegt.
  4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode des optischen Senders (S) und die eine Elektrode des Phototransistors (E) auf Bezugspotential liegen, dass die andere Elektrode des Phototransistors (E) mit der Basis und dem Kollektor eines ersten Transistors (T1) und mit der Basis eines zweiten Transistors (T2) verbunden ist, dass die miteinander verbundenen Emitter des ersten und des zweiten Transistors (T1, T2), die eine Stromspiegelschaltung bilden, an einer zweiten Versorgungsspannung (U2) liegen, dass das Detektionssignal (DS) am Kollektor des zweiten Transistors (T2) abnehmbar ist, der über einen ersten Widerstand (R1) auf Bezugspotential liegt, dass die andere Elektrode des optischen Senders (S) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, dessen einer Eingang über einen dritten Widerstand (R3) auf Bezugspotential liegt und an dessen anderem Eingang eine Referenzspannung (UR) liegt, dass der Kollektor des zweiten Transistors (T2) mit der Basis eines dritten Transistors (T3) verbunden ist, dass der Emitter des dritten Transistors (T3) mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, dessen Ausgang über eine Kapazität (C) auf den einen Eingang rückgekoppelt ist und dass am Kollektor des dritten Transistors (T3) eine dritte Versorgungsspannung (U3) liegt.
  5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode des optischen Senders (S) und die eine Elektrode des Phototransistors (E) auf Bezugspotential liegen, dass die andere Elektrode des Phototransistors (E) mit der Basis und dem Kollektor eines ersten Transistors (T1) und mit der Basis eines zweiten Transistors (T2) verbunden ist, dass die miteinander verbundenen Emitter des ersten und des zweiten Transistors (T1, T2), die eine Stromspiegelschaltung bilden, an einer zweiten Versorgungsspannung (U2) liegen, dass das Detektionssignal (DS) am Kollektor des zweiten Transistors (T2) abnehmbar ist, der über einen ersten Widerstand (R1) auf Bezugspotential liegt, dass die andere Elektrode des optischen Senders (S) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, dessen einer Eingang über einen dritten Widerstand (R3) und dessen anderer Eingang über einen vierten Widerstand (R4) auf Bezugspotential liegen, dass der Kollektor des zweiten Transistors (T2) mit der Basis eines dritten Transistors (T3) verbunden ist, dass der Emitter des dritten Transistors (T3) mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, dessen Ausgang über eine Kapazität (C) auf den einen Eingang rückgekoppelt ist, dass der andere Eingang des Operationsverstärkers (OP) mit dem Emitter eines vierten Transistors (T4) verbunden ist, dessen Basis über einen fünften Widerstand (R5) auf Bezugspotential liegt und über einen sechsten Widerstand (R6) mit dem Kollektor verbunden ist, und dass am Kollektor des dritten Transistors (T3) und des vierten Transistors (T4) eine dritte Versorgungsspannung (U3) liegt.
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