NL8003031A

NL8003031A - Foto-elektrische aanwezigheidsdetektor.

Info

Publication number: NL8003031A
Application number: NL8003031A
Authority: NL
Original assignee: Telemecanique Electrique
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-11-27
Also published as: ES491819A0; FR2457604A1; JPH0143279B2; ES8104685A1; IT8022288A0; DE3019071C2; GB2052737B; CH635688A5; DE3019071A1; FR2457604B1; GB2052737A; IT1130737B; BE883409A; US4328419A; JPS55159172A

Description

τι*·;· 80319^/Ti/AA/vL λ -1-

Korte aanduiding: Foto-elektrische aanwezigheidsdetector

De uitvinding heeft betrekking op een foto-elektrische detector voor het detecteren van de aanwezigheid van een voorwerp omvattende een elektroluminescerende diode, die bekrachtigd wordt door een zendketen en gekoppeld is met een foto-elektrische ontvanger, een integratieketen voor 5 de door de ontvanger geleverde stroom, een door de geïntegreerde stroom bestuurd thyristorschakelorgaan, een gebruikerorgaan en een met het net aangesloten voedingsinrichting. In het bijzonder betreft de uitvinding "tweedraads"-inrichtingen, waarbij het schakelorgaan verbonden is met de klemmen waaraan een niet gefilterde gelijkspanning van een diodebrug 10 ligt, via het gebruikerorgaan over het net is verbonden. Het gebruiker-orgaan is bij voorbeeld een door het schakelorgaan bestuurd relais. Ia een dergelijke detector, waarvan het aantal industriële toepassingen groot is (bij voorbeeld de detectie van de doorgang van een voorwerp in de door de elektroluminescerende inrichting van de ontvanger uitgezonden 15 lichtbundel voor het tot stand brengen van een bepaalde handeling), heeft een draagwijdte van enkele meters, hetgeen meer is dan van een inductieve detectie-opnemer. Het voor een dergelijke schakeling bekende gebruik van een elektroluminescerende diode vermijdt het gebruik van een voedings-transformator en vermindert dus het ruimteverlies van de elektrische 20 energi e-opname.

Indien men ter vereenvoudiging van een schakeling deze in de "tweedraads'^uitvoering wil realiseren treden twee bekende moeilijkheden op. De eerste is, dat indien het schakelorgaan zieh in de geblokkeerde toestand bevindt de door het opnamestelsel (bestaande uit een elektro-25 luminescerende diode, de ontvanger en de integratieketen) opgenomen stroom het gebruikerorgaan doorloopt, wat tot gevolg heeft dat deze stroom ook zo klein mogelijk moet zijn. De tweede moeilijkheid is dat, indien het schakelorgaan geleidend is, een hulpvoedingsbron voor de opnemer gebruikt moet worden.

30 Voor het oplossen van de eerste moeilijkheid is het bekend de elek troluminescerende diode te voeden via een multivibrator bestaande uit twee transistors van de complementaire soort, die slechts een zeer korte tijd geleiden.

Een nadeel van deze schakeling is het feit, dat de energie-opname 35 toeneemt indien de omgevingstemperatuur toeneemt doordat de geleidings- 800 3 0 31 -2- ƒ tijd afhankelijk is van de versterking der transistors, die met de temperatuur toeneemt.

De uitvinding ondervangt dit hezwaar doordat volgens de uitvinding hij gebruik van een multivibrator van de soort met twee ccmplemen-5 taire transistors de basis van de eerste via een. tijdconstante keten met een weerstand en een condensator met de collector van de tweede is ver-. bonden, waarbij de weerstand een negatieve temperatuurcoëfficiënt heeft met zodanige waarde, dat de geleidingsduurvariaties ten gevolge van de variaties van de tijdconstante en de variaties van de versterking van de 10 eerste transistor met betrekking tot de temperatuur in hoofdzaak gecompenseerd worden.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de waarde van de weerstand met de negatieve temperatuurcoëfficiënt zodanig gekozen dat de geleidingstijd enigszins toeneemt indien de temperatuur afneemt, dit ter 15 compensatie van de foto-elektrische gevoeligheidsafname van de foto-transistor bij lage temperaturen.

Ter oplossing van het genoemde tweede bezwaar zijn min of meer ingewikkelde schakelingen voorgesteld, waarvan enkele gebruik maken van een hulpthyristor: zie hiervoor bij voorbeeld het Franse octrooi- * 20 schrift Τβ.36635 "Nabijheidsdetector met twee draden’1.

Bij voorkeur wordt volgens de uitvinding eveneens een hulpthyristor toegepast, en is de schakeling zodanig ingericht dat, wanneer de hulpthyristor deblokkeert en voordat deze de deblokkering van de hoofd-thyristor veroorzaakt, een in serie aan de gelijkstroomklemmen van de 25 diodebrug met de hulpthyristor verbonden condensator gedurende een korte tijd via de hulpthyristor en een diode, die de kathode van de hulpthyristor met de positieve aansluiting van de condensator verbindt, ontladen.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Deze toont het schema van een voorkeursuitvoering der foto-elektrische detector 30 volgens de uitvinding.

De getoonde schakeling bestaat als op zich bekend uit een licht-pulszender met een elektroluminescerende diode D^, die in een multivibrator keten met twee complementaire transistors T^ en T^ opgenomen is, een ontvanger bestaande uit een fototransistor T, en een versterkertran-35 sistor T2, een integrator bestaande uit de weerstanden Rgg, Rg^ en Rg^ en de condensators en Cq, en een thyristorschakelinrichting bestaande uit twee thyristors Th^ en Thg en een transistor Tg. De voedingsspanning 800 30 31 -3- * * wordt geleverd door een diodebrug t/m D^, die via de niet-getoonde belasting over het net is geschakeld, zodat.de schakeling van de "twee-draads,T-soort is.

De voeding van de zender en het stelsel met de opnemer en de in-5 tegrator vindt plaats met een lage spanning die wordt afgenomen van de klemmen van een condensator C^, die als buffer dient en wordt opgeladen indien de bundel, is verduisterd gedurende het eerste gedeelte van iedere wisseling van de netspanning.

De basis van de transistor Tg, die van de npn soort is (net als 10 de andere transistors van deze schakeling met uitzondering van T^ en Tg) is enerzijds via een condensator en een weerstand E^g met de collector van de transistor T2 en anderzijds met het gemeenschappelijk punt van de weerstanden R^g en R^ en van de condensator Cg verbonden.

Indien de bundel verduisterd is is er op de basis van Tg geen 15 spanning aanwezig, zodat deze transistor geblokkeerd wordt. Het heeft tot gevolg dat de ontsteekspanning van Th^ (waarvan de ontsteekelektrode via een diode D^ met de collector van Tg verbonden is) een grote waarde heeft en dat een ontsteekstroom via een weerstand R2g in serie met D^ en Tg aan de klemmen van de diodebrug D^-D^ vloeit. De thyristor Th^ ont-20 steekt, waarbij dan een geleidingsweg over de klemmen van de brug

Di ^ —Di ^ wordt geopend, gaat door een elektroluminescerende diode D^ (‘die dus de verduistering van de bundel aangeeft), de thyristor Th^, een

Zener diode D„ en een weerstand Ron. De condensator C wordt onmiddellijk f dy y opgeladen via een diode Fwaarvan een der elektroden met het gemeen-25 schappelijk punt A van de kathode Th^ en die van de Zener diode verbonden is. Zodra de spanning in het punt A een bepaalde waarde, bij voorbeeld 8,2 V, bereikt, die overeenkomt met de keerspanning van de Zener diode D^ zal die gaan geleiden en de ontsteekspanning van Thg vanaf de klemmen R^ geven tot een voldoende waarde waarbij deze thyristor ont-30 steekt. Th^, die bij voorkeur beter is dan Th^, neemt dan diens functie over. wordt dan niet meer opgeladen.

Indien de bundel niet verduisterd is bevindt de transistor Tg zich in de verzadigde toestand, zodat de spanning aan de ontsteekelektrode van Th^ in de orde van 0,8 V ligt (som der spanningsvallen in D^ en Tg).

35 Th.| is dus in de geblokkeerde toestand zodat de ontsteekelektrode van Thg aan massa ligt en Th2 geblokkeerd is. Deze blokkering wordt begunstigd door de aanwezigheid van een diode Dg tussen de kathode van Thg en massa.

800 30 31 + -b-

Gedurende het tijdsinterval dat Th^ geblokkeerd is ontlaadt zich via twee weerstanden R^ en De lading van wordt dus geregeld door de dioden D^g en D^ op de waarde van de som der spanningsvallen over de klemmen van deze twee dioden dat wil zeggen op 0,6 + 8,2 = 8,8 Volt.

5 Gedurende de tijdintervallen echter waar, als hierboven toegelicht, het opladen van plaats vindt via (geblokkeerde bundel) wordt de spanning over de klemmen van C op een waarde 8,2 - 0,6 - 7,6 V geregeld.

y

Het blijkt dat de spanning aan de klemmen van groter is wanneer de bundel verduisterd wordt. Dot heeft tot gevolg, dat de stroom 10 door de elektroluminescerende diode D,, dus de intensiteit-van het uitge-zonden licht toeneemt op het moment dat men de bundel deblokkeert en daarentegen afneemt op het moment dat men het blokkeert, hetgeen uiteindelijk de overgangen vergemakkelijkt en zwevingsverschijnselen vermijdt.

Hierna zal de schakeling beschreven worden met de twee npn tran-15 sistors en T^, die bedoeld is ter vermijding van een onjuiste signalering van de aanwezigheid van een voorwerp op het moment van inschakelen van de schakeling. Deze signalering zou kunnen optreden ten gevolge van het feit dat bij het onder spanning brengen van de schakeling het ojladen van de condensator een bepaalde tijd (bij voorbeeld 150 ms) in beslag 20 neemt, gedurende welke tijd de lichtbundel zich progressief ontwikkelt.

Tot dat de bundel is gevormd zal Tg geblokkeerd zijn en Th^ en daarmee Thg gedeblokkeerd.

Dit ontijdig schakelen wordt op de volgende wijze vermeden:

De transistor T^ krijgt bij het onder spanning brengen van de 25 schakeling een basisinstelspanning via een weerstand R^. Zij is dus geleidend en, door het parallel staan aan Tg (dan geblokkeerd) zal deze transistor de stuurspanning van Th^ verlagen, waarbij de ontsteking Th^ verhinderd wordt. Er vindt dus geen schakeling plaats.

Zodra de spanning aan de kleumen van tot een voldoende waarde 30 opgebouwd is, deblokkeert een met de klem B van via twee serieweer-standen Rg en R^q verbonden Zener diode D^g (bij voorbeeld bij 6,2 V),

Een in serie met D^g geschakelde condensator laadt zich dan op tot het moment dat de basis van het transistor T^ wordt gestuurd, die dan gedeblokkeerd wordt. De geleiding van T onderdrukt de basisstroom Tn, . ,T . .. ° 35 die dan blokkeert. Op dit moment is de inrichting T^-T^ buiten bedrijf gesteld en het schakelen kan normaal optreden bij de aanwezigheid vaneen voorwerp dat de bundel blokkeert.

Hierna zal de zender beschreven worden bestaande uit twee comple- 800 3 0 31 ·> -5- mentaire transistor en die in een multivibratorschakeling zijn opgenomen.

De emittor van is via een weerstand R^ met liet voedingspunt B verbonden, haar collector is enerzijds via een weerstand R^ met massa 5 en anderzijds met de basis van verbonden. De basis van is ingesteld uitgaande van een spanning in B met een brug met twee weerstanden ^10-¾5 ^3,33^311 het gemeenschappelijke punt verbonden is met de collector van via een tijdconstanteketen bestaande uit een vaste weerstand Rg parallel aan een weerstand R^ met negatieve temperatuurcoëfficiënt, 10 waarbij deze parallelle keten in serie staat met een condensator C^.

De transistor staat in serie met de elektroluminescerende diode D^ en een weerstand R^ en het gemeenschappelijk punt van deze twee laatste componenten is verbonden met het gemeenschappelijk punt tussen R^ en R^.

Indien men een willekeurig ogenblik van de werking van de multi-15 vibratorschakeling beschouwt, waarbij en verzadigd zijn, blijkt dat de emittor-basisstroom van loopt via R^, R^ en Rg en progressief laadt C.j. Deze stroom, vermenigvuldigd met de stroomverster-kingsfactor van T^, levert de basisstroom voor en neemt exponentieel af tijdens het opladen van totdat de stroom onvoldoende wordt voor verzadiging van T^. Op dit moment gaat de transistor over in een 20 lineaire werking, waarbij haar collectorspanning weer stijgt en deze spanningstoename via , R^-Rg wordt naar de basis van overgedragen waar een blokkering van deze laatste optreedt en vervolgens een blokkering van T^. Op dit moment stijgt de collectorspanning van nog sneller tot de waarde van de spanning in B, hetgeen versterking van de 25 blokkering van tot gevolg heeft tijdens het ontladen van C1 via R^ - Rg - R^. Aan het einde van deze ontlading komt weer in geleiding en begint een nieuw cyclus.

De schakeling levert uiteindelijk stroompulsen in de orde van 1A (in orde van grootte die geschikt is om de elektroluminescerende diode 30 een acceptabele draagwijdte te geven), met een periodeverhouding in de orde van 1/1000 (duur der impulsen ongeveer k micro-seconden, interval tussen impulsen 4 milliseconden). De gemiddelde door de.elektroluminescerende diode opgenomen stroom ligt dus in de orde van 1 m A, de multivibrator heeft een te verwaarlozen opname.

35 De voordelen van een dergelijke zendschakeling zijn bekend. Het nadeel van de bekende uitvoering is dat de impulsduur afhangt van de 800 3 0 31 4 .. * -6- versterkingsfactor en van de transistors, die merkbaar met de temperatuur veranderen. Het geeft ontoelaatbare variaties van de energie-opna-me van de zendschakeling vanneer de bundel niet geblokkeerd vordt.

Volgens de uitvinding wordt dit nadeel ondervangen doordat de 5 weerstand R,_ zeer kleine waarden heeft bij hoge temperaturen voor welke de versterkingsfactor van T^ en T^ groot zijn.

Uit bovenstaande volgt, dat de geleidingsduur afhangt van de tijdconstante voor het opladen van via de keten R^-Rg en van de ver-sterkingsfactor van de transistor T^. Deze twee factoren variëren in am-10 gekeerde zin indien de temperatuur toeneemt, waardoor het mogelijk is deze tijd constant te houden. In.de praktijk verdient het de voorkeur de waarden van de parameters zo te kiezen, dat de pulsen een weinig langer zijn voor lage temperaturen dan voor de gemiddelde temperatuur, rekening houdend met het feit dat het rendement van de fototransistor afneemt in-15 dien de temperatuur daalt.

Een andere eigenschap van de beschreven zenderschakeling is de aanwezigheid van de terugkoppelveerstand R^ tussen de klem B en de emitter van T^· Ue spanningsval over deze weerstand gedurende geleidings-perioden doet de transistor T^, in hoofdzaak instabiel, lineair werken, 20 hetgeen ieder risico onderdrukt dat de multivibratorschakeling permanent geleidend wordt.

In de ontvangerketen is de gemeenschappelijke collectorschakeling opgenomen de fototransistor T^ ingesteld met een keten bestaande uit Rg, R.| en Rg in serie en een parallel over R^ en Rg geschakelde condensator -25 Cg. De tegenkoppeling, eigen aan de gemeenschappelijke collectorschake-ling, en die verstoringen tegengaat, geeft de keten een goede ongevoeligheid voor continue omgevingslicht.

De in gemeenschappelijke basisschakeling opgenomen versterkings-transistor Tg heeft een zeer kleine ingangsimpedantie, hetgeen de snel-30 .heid van de fototransistor verhoogt. De componenten en Tg nemen een kleine stroom op.

Een bijzonderheid van de in de figuur getoonde schakeling berust is dat de over de collectorweerstand R^ van Tg beschikbare pulsen niet direct naar de integratieketen - Cg - Rgg - Rg^ - Rp^, maar eerst naar 35 een monostabiele kipschakeling bestaande uit twee complementaire transistors Tj. en Tg gevoerd worden. De ketenelementen van deze flip-flop (weerstanden Rg0, R^, R^, Rg^ condensator Cg en diode D^) zijn zo ingesteld, 800 3 0 31 v -7- dat de geleidingstijd van T_ en Tg ongeveer gelijk aan de helft is van de periode van de. zenderketen, hij voorbeeld 2 ms. Op deze wijze onderdrukt men de asymmetrie van de tijdconstante voor het opladen en ontladen van de condensators van de integrator, welke asymmetrie aan de schake-5 ling zeer verschillende tijdresponsies verleent naar gelang men al dan niet de bundel onderbreekt, hetgeen bovendien ongewenst is voor het gebruik als voor de bescherming van de schakeling tegen verstoringen.

Een schakeling van een soort waarin het schakelorgaan geblokkeerd wordt indien de bundel onderbroken wordt zal tussen de integratieketen 10 en de transistor Tg een omkeerorgaan moeten hebben. De beschermings- inrichting bestaande uit de transistors T en TQ kan vervallen. De rest i y van de schakeling kan gelijk zijn aan boven beschrevene.

8 0 0 3 0 31

Claims

1. Foto-elektrische detector voor de detectie van.de aanwezigheid van een voorwerp, met een door een zendketen bekrachtigde elektrolumines-cerende diode, die met een foto-elektrische ontvanger samenwerkt, een integratieketen voor de door de ontvanger geleverde stroom, een door de 5 geïntegreerde stroom gestuurd thyristorschakelorgaan,. en een gebruiker-orgaan, waarbij het schakelorgaanmet .de, niet-gefilterde gelijkstroom leverende aansluitingen van een via het gebruikerorgaan over het net verbonden diodebrug verbonden is, en de zenderketen een monostabiele multivibrator omvat met twee complementaire transistors, waarvan de 10 basis van de eerste door een tijdconstanteketen met een weerstand en een condensator met de collector van de twee is verbonden, met het kenmerk, dat de tijdconstanteketen een weerstand met negatieve temperatuurcoëffi-ciënt heeft, zodanig dat het produkt van de tijdconstante met de ver-sterkingsfactor van ddeerste transistor in hoofdzaak temperatuuronaf-15 hankelijk is.

2. Foto-elektrische detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de waarde van de weerstand met negatieve temperatuurcoëffieiënt zo gekozen wordt, dat genoemd produkt enigszins toeneemt bij afnemende temperatuur ter compensatie van de gevoeligheidsafname bij lage tempera- 20 turen der fototransistor die de foto-elektrische opnemer vormt. 3. 1Foto-elektrische detector volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in de multivibrator een terugkoppelweerstand in de emitterketen van de eerste transistor is opgenomen. 1+. Foto-elektrische detector volgens een der conclusies 1 t/m 3, 25 met het kenmerk, dat het schakelorgaan bestaat uit een hoofdthyristor, een hulpthyristor en een parallel over de gelijkstroomklemmen van de brug geschakelde condensator, waarbij de condensator met een eerste klem van deze klemmen verbonden is en waaraan de anoden van twee thyristors verbonden zijn via een eerste weerstand en de kathode van de hulpthyris-30 tor met de tweede van deze klemmen verbonden is via een Zener diode in serie met een tweede weerstand, en waarbij het gemeenschappelijk punt van de hulpthyristor en de Zener diode verbonden is met het gemeenschappelijk punt van de condensator en de eerste weerstand via twee anti-parallel geschakelde dioden, het gemeenschappelijk punt van de Zener 35 diode en de tweede weerstand met de ontsteekelektrode van de hoofdthyris- 800 30 31 -9- tor verbonden.is, en midcëLen aanwezig zijn voor het deblokkeren van de hoofdthyristor bij het optreden of verdwijnen van de stroom in de ontvanger,

5. Foto-elektrische detector volgens conclusie h, met het kenmerk, 5 dat de blokkeermiddelen voor de hoofdthyristor bestaan uit een deblokkeer-transistor waarvan de basis met de uitgang van de ontvanger is verbonden en waarvan de collector met de ontsteekelektrode van de hulpthyristor is verbonden.

6. Foto-elektrische detector volgens conclusie 5» gekenmerkt door 10 een met de gelijkstroomklemmen van de brug verbonden eerste hulptransis-tor en door een parallel aan de deblokkeertransistor geschakelde tweede hulptransistor van dezelfde soort waarvan de basis via een instelweerstand met de eerste klem verbonden is terwijl de basis van de eerste hulptransistor via een weerstand in serie met een Zener diode met het knooppunt 15 van de condensator en de eerste weerstand en via een condensator met de tweede klem is verbonden, waarbij de collector van de eerste hulptransistor met de basis van de tweede is verbonden.

7. Foto-elektrische detector volgens een der conclusies 1 t/m 6, gekenmerkt door een monostabiele kipschakeling, die de ontvanger met de 20 integratieketen verbindt en een geleidingsduur heeft gelijk aan de helft van de herhalingsperiode van de door de ontvanger geleverde pulsen. 800 3 0 31