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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung.
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Derartige
optoelektronische Vorrichtungen können insbesondere als Lichtschranken,
Refelektionslichtschranken und Lichttaster ausgebildet sein. Generell
weist eine solche optoelektronische Vorrichtung einen Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger zur
Detektion von Objekten im Überwachungsbereich
auf. In einer Auswerteeinheit wird zur Objekterfassung ein binäres Objektfeststellungssignal
generiert und über
einen Schaltausgang oder dergleichen ausgegeben. Das Objektfeststellungssignal weist
zwei Schaltzustände
auf, welche angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder
nicht.
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Hierzu
wird in der Auswerteeinheit das analoge Empfangssignal des Empfängers mit
wenigstens einem Schwellwert bewertet. Je nachdem, ob das Empfangssignal
oberhalb oder unterhalb des Schwellwerts liegt nimmt das Objektfeststellungssignal
einen entsprechenden Schaltzustand ein.
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Zur
Gewährleistung
einer hinreichenden Nachweisempfindlichkeit werden die Empfangssignale
in einer Verstärkereinheit
verstärkt,
bevor sie mit dem Schwellwert bewertet werden. Vorzugsweise wird
der Verstärkungsfaktor,
mit welchem die Empfangssignale verstärkt werden, mittels eines Potentiometers
eingestellt.
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Diese
Einstellung muss derart erfolgen, dass mit der optoelektronischen
Vorrichtung eine hinreichende Ansprechempfindlichkeit erzielt wird.
Dies bedeu tet, dass die Empfangssignale derart zu verstärken sind,
dass der Schwellwert zwischen dem Empfangssignalpegel bei freiem
Strahlengang einerseits und bei einem Objekteingriff andererseits
liegen muss, da ansonsten mit diesem Schwellwert keine korrekte
Generierung der Schaltzustände
des Objektfeststellungssignals erfolgen kann.
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Nachteilig
bei derartigen Potentiometern ist, dass mit diesen eine lineare
Kennlinie des Verstärkungsfaktors
in Abhängigkeit
des am Potentiometer manuell vorgebbaren Einstellvorgabewerts erhalten wird.
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Da
die Intensität
der vom Sender emittierenden Sendelichtstrahlen eine zum Abstand
zur optoelektronischen Vorrichtung reziproke Abhängigkeit aufweist, wirken sich
Abstandsänderungen
von zu detektierenden Objekten im Nahbereich erheblich stärker auf
die Signalamplitude des Empfangssignals aus als Abstandsänderungen
von zu detektierenden Objekten im Fernbereich. Durch die lineare
Kennliniencharakteristik des Potentiometers entsteht das Problem,
dass kleine Änderungen
des Einstellvorgabewerts große
Pegeländerungen
bei Empfangssignalen von Objekten im Nahbereich bewirken.
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Dadurch
ist in diesem Bereich eine Pegeleinstellung der verstärkten Empfangssignale
mit großen Ungenauigkeiten
behaftet. Dies erschwert in unerwünschter Weise eine exakte Einstellung
der Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen Vorrichtung welche
Voraussetzung für
eine sichere Objektdetektion ist.
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Die
DE 299 23 142 U1 betrifft
eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten mit einem
Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger,
welcher an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, wobei aus dem
am Ausgang des Empfängers anstehenden
Empfangssignal durch Vergleich mit einem Schwellwert ein binäres Schaltsignal
abgeleitet wird. Dabei sind die am Ausgang des Empfängers anstehenden
Empfangssignale auf einen Verstärker geführt. Die
im Verstärker
mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor
verstärkten
Empfangssignale werden über
einen Eingang in die Auswerteeinheit eingelesen. An einem Aus gang
der Auswerteeinheit ist ein elektrisches Potentiometer angeschlossen, welches
mit dem Verstärker über eine
Zuleitung verbunden ist. Das elektrische Potentiometer dient zur Einstellung
des Verstärkungsfaktors
des Verstärkers und
wird über
die Auswerteeinheit gesteuert.
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Die
DE 100 61 649 A1 betrifft
einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Distanzsensor mit
einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfänger mit
einem Nahelement und einem Fernelement. Zur Distanzbestimmung wird
das Verhältnis
der Ströme
an den Ausgängen des
Nah- und Fernelements, die jeweils mit einem Verstärkungsfaktor
verstärkt
sind, bewertet. Hiervon wird die Differenz der Ströme gebildet
und mit einem Schwellwert bewertet. Der Schwellwert definiert eine technische
Schaltdistanz. Zur Variation der Schaltdistanz können die Verstärkungen
der Ströme
variiert werden.
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Die
DE 199 51 557 A1 betrifft
eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem
von einer Referenzfläche
begrenzten Überwachungsbereich
mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und
einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger. Der Empfänger weist
ein Nah- und Fernelement auf, wobei die aus großen Distanzen von Objekten
zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Fernelement und die aus
geringen Distanzen von Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen
vorwiegend auf das Naheelement geführt sind. Während eines Einlernvorgangs
sind die Sendelichtstrahlen auf die Referenzfläche gerichtet. Dabei ist oder
sind die Differenz und/oder die Summe der Empfangssignale an den
Ausgängen
des Nah- und Fernelements auf einen Referenzwert oder auf Referenzwerte
Urda, Ursa jeweils innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegend
einstellbar.
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Der
Erfindung lieg die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher eine reproduzierbare
und genaue Einstellung der Ansprechempfindlichkeit durchführbar ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung
dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger
auf, dessen Empfangssignale in einer Verstärkereinheit mit einem Verstärkungsfaktor
verstärkt
und anschließend
einer Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals
zugeführt
werden. Die Verstärkereinheit
weist einen Verstärker
zur Verstärkung
einer den Empfangssignalen entsprechenden Spannung auf. Die Verstärkereinheit
weist als Einstellelement für
die Verstärkung
der Empfangssignale ein Potentiometer auf, welches in Abhängigkeit
eines Einstellvorgabewerts einen Spannungsteiler für die Ausgangsspannung
des Verstärkers
bildet. Zur Generierung einer nichtlinearen Kennlinie des mit dem
Verstärkungsfaktor
verstärkten
Ausgangssignals Ua der Verstärkereinheit
in Abhängigkeit
des Einstellvorgabewerts ist das im Potentiometer geteilte Spannungssignal
einem Arbeitswiderstand in Form eines Transistors oder Varistors
zugeführt.
Der Verstärkungsfaktor
weist zur Kompensation der Distanzabhängigkeit der Empfangssignale
eine quadratische Abhängigkeit
des Ausgangssignals Ua vom Einstellvorgabewert
auf.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass das von dem ersten
Einstellelement generierte Ausgangssignal nicht unmittelbar zur
Einstellung des Verstärkungsfaktors
zur Verstärkung
der Empfangssignale des Empfängers
eingesetzt wird.
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Anstelle
dessen dient das Ausgangssignal des ersten Einstellelements zur
Generierung eines Ansteuersignals für das zweite Einstellelement,
dessen Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor
vorgibt.
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Dadurch
wird eine quadratische Abhängigkeit
des Verstärkungsfaktors
von dem am ersten Einstellelement manuell vorgebbaren Einstellvorgabewert
erhalten. Dies führt
dazu, dass im unteren Einstellbereich des Einstellvorgabewertes
eine vorgegebene Änderung
des Einstellvorgabewerts eine geringere Änderung des Verstärkungsfaktors
bewirkt als im oberen Einstellbereich.
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Dadurch
erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation der Distanzabhängigkeit
der Empfangssignale der optoelektronischen Vorrichtung. Da die Lichtin tensität der von
dem Sender emittierenden Sendelichtstrahlen umgekehrt proportional
zum Quadrat der Distanzen zur optoelektronischen Vorrichtung ist,
nehmen die Amplituden der Empfangssignale entsprechend mit steigender
Objektdistanz ab. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei geringen Objektdistanzen
kleine Abstandsänderungen überproportional
große
Signaländerungen
der Empfangssignale bewirken. Mittels der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Vorrichtung wird auch in diesem Nahbereich eine genaue Einstellung
des Verstärkungsfaktors
und damit der Amplituden der verstärkten Empfangssignale gewährleistet,
da durch die nichtlineare Kennlinie des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit des
Einstellvorgabewerts im unteren Einstellbereich des Einstellvorgabewerts Änderungen
in der manuellen Einstellung des Einstellvorgabewerts erheblich kleinere Änderungen
des Verstärkungsfaktors
als im oberen Einstellelement bewirken.
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Dadurch
wird erreicht, dass über
den gesamten Bereich des Einstellvorgabewerts eine genaue Vorgabe
des Verstärkungsfaktors
und damit der Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen Vorrichtung
erzielt wird.
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Das
erste Einstellelement ist vorzugsweise von einem Potentiometer gebildet,
an welchem der Einstellvorgabewert manuell vorgebbar ist. Das zweite
Einstellelement besteht vorzugsweise aus einem Bipolar-Transistor,
einem Feldeffekt-Transistor oder einem Varistor. Die Verstärkereinheit
weist zweckmäßigerweise
einen einzelnen Verstärker
zur Verstärkung
der Empfangssignale auf. Prinzipiell sind auch Mehrfachanordnungen
von Verstärkern
denkbar.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung sind sowohl das erste als auch das zweite Einstellmittel
an der Ausgangsseite des Verstärkers
geschaltet.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
nur das erste Einstellmittel an der Ausgangsseite des Verstärkers geschaltet, während das
zweite Einstellmittel an der Eingangsseite des Verstärkers angeordnet
ist. Dabei übernimmt
das zweite Einstellmittel die Funktion eines Arbeitswider stands
für den
an den Eingang des Verstärkers
angeschlossenen Empfänger.
Der Arbeitswiderstand dient dazu, den im Empfänger als Empfangssignal generierten
Fotostrom in eine Empfangsspannung für den Verstärkter umzusetzen.
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Da
das zweite Einstellmittel vom ersten Einstellmittel angesteuert
wird, bildet das zweite Einstellmittel einen variablen Arbeitswiderstand
für den Empfänger. Dadurch
wird verhindert, dass der Verstärker
bei großen
Fotoströmen übersteuert,
wodurch Signalverfälschungen
und damit gegebenenfalls Fehler bei der Objekterfassung vermieden
werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass
bei dieser auf einfache Weise eine hohe Störsicherheit gegen elektromagnetische
Störeinflüsse, d.h.
eine hohe EMV-Sicherheit erhalten werden kann.
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Das
zweite Einstellelement bildet an der Eingangsseite des Verstärkers das
einzige EMV-empfindliche Element der Schaltungsanordnung der optoelektronischen
Vorrichtung, da dieses auf die nicht verstärkten Empfangssignale des Empfängers einwirkt.
Da dieses Einstellelement von einem Transistor oder Varistor gebildet
ist, welcher eine geringe Baugröße aufweist,
kann dieses ohne großen
Aufwand zum Schutz gegen elektromagnetische Störeinstrahlungen abgeschirmt
werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen
Vorrichtung mit einem Sender und einem Empfänger.
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2:
Empfangssignalverläufe
am Ausgang des Empfängers
der optoelektronischen Vorrichtung für unterschiedliche Verstärkungen
des Empfangssignals.
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3:
Erstes Ausführungsbeispiel
einer Verstärkereinheit
für die
optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
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4:
Verstärkerkennlinie
der Verstärkereinheit
gemäß 3.
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5:
Zweites Ausführungsbeispiel
einer Verstärkereinheit
für die
optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer als Reflektionslichtschranke ausgebildeten
optoelektronischen Vorrichtung 1. Prinzipiell kann die
optoelektronische Vorrichtung 1 auch als Lichtschranke oder
als Lichttaster ausgebildet sein.
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Die
optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 1 weist
einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und
einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf,
welche in einem gemeinsamen Gehäuse 6 integriert
sind. Der Sender 3 besteht aus einer Leuchtdiode, der Empfänger 5 ist
von einer Fotodiode gebildet. Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 2 kann
dem Sender 3 eine nicht dargestellte Senderoptik nachgeordnet
sein. Zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4 auf
den Empfänger 5 ist
diesem zweckmäßigerweise
eine ebenfalls nicht dargestellte Empfangsoptik vorgeordnet. Die
Sendelichtstrahlen 2 und die Empfangslichtstrahlen 4 sind durch
ein Fenster 7 in der Frontwand des Gehäuses 6 geführt.
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Mittels
der optoelektronischen Vorrichtung 1 erfolgt eine Erfassung
von Objekten 8 in einem Überwachungsbereich. Der Überwachungsbereich
ist von einem Reflektor 9 begrenzt. Bei freiem Strahlengang treffen
die Sendelichtstrahlen 2 auf den Reflektor 9 und
werden von diesem als Empfangslichtstrahlen 4 zum Empfänger 5 geführt. Bei
einem Objekteingriff in den Überwachungsbereich
werden die Sendelichtstrahlen 2 vom Objekt 8 als
Empfangslichtstrahlen 4 zurück zum Empfänger 5 geführt.
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Die
auf den Empfänger 5 auftreffenden
Empfangslichtstrahlen 4 generieren dort analoge Empfangssignale
in Form von Fotoströmen
IF.
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Diese
werden in einer Verstärkereinheit 10 in Spannungssignale
umgesetzt, wobei diese mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor
verstärkt
werden. Der Verstärkungsfaktor
kann von einer Bedienperson an einem Bedienelement 11 vorgegeben
werden. Diese verstärkten
Empfangssignale werden als Ausgangssignale Ua in
eine Auswerteeinheit 12 eingelesen, die von einem Microcontroller
oder dergleichen gebildet ist.
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In
der Auswerteeinheit 12 wird aus den verstärkten Empfangssignalen
ein binäres
Objektfeststellungssignal generiert, welches über einen an die Auswerteeinheit 12 angeschlossenen
Schaltausgang 13 ausgebbar ist. Zur Generierung des Objektfeststellungssignals
wird das analoge, verstärkte
Empfangssignal mit wenigstens einem Schwellwert S bewertet. Liegt
das Empfangssignal oberhalb des Schwellwerts S so nimmt das Objektfeststellungssignal
den Schaltzustand „freier
Strahlengang" ein.
Liegt das Empfangssignal unterhalb des Schwellwerts S, so nimmt
das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand „Objekt vorhanden" ein.
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Um
bei geringen Signalschwankungen des Empfangssignals ein unnötiges Wechseln
des Schaltzustandes des Objektfeststellungssignals zu vermeiden
wird vorteilhaft das analoge, verstärkte Empfangssignal mit zwei
eine Schalthysterese bildenden Schwellwerten bewertet.
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Wie
in 2 veranschaulicht ist durch Vorgabe des Verstärkungsfaktors
in der Verstärkereinheit 10 die
Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen Vorrichtung 1 in
geeigneter Weise einzustellen, um eine sichere Objektdetektion zu
gewährleisten.
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Wie
aus 2 ersichtlich liegen die verstärkten Empfangssignale bei einem
ersten Wert V1 des Verstärkungsfaktors sowohl bei freiem
Strahlengang (E1) als auch bei einem Objekteingriff
(E2) oberhalb des Schwellwerts S. Die vom
Reflektor 9 gerichtet zurückreflektierenden Empfangslichtstrahlen 4 generieren
dabei ein höheres
Empfangssignal E1 als die von einem Objekt 8 diffus
reflektierten Empfangslichtstrahlen 4 (E2).
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Da
in diesem Fall beide Empfangssignale E1, E2 oberhalb des Schwellwerts S liegen, ist
mit diesem keine Unterscheidung von Empfangssignalen bei freiem
Strahlengang und bei Objekteingriffen möglich.
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Durch
Verändern
des Verstärkungsfaktors vom
Wert V1 auf den Wert V2 werden
die Amplituden der Empfangssignale bei freiem Strahlengang auf den
Wert E1' reduziert,
der dicht oberhalb des Schwellwerts S liegt. Dementsprechend liegen
die Empfangssignale E2' bei Objekteingriffen unterhalb des
Schwellwerts so dass mittels des Schwellwerts S eine sichere Objektdetektion
gewährleistet
ist. Die Höhe
des Signals E2' hängt jeweils
von dem Abstand des Objektes und der Reflektivität der Objektoberfläche ab.
In jedem Fall liegt E2' unterhalb des Pegels bei freiem
Strahlengang. Der Abstand zwischen dem Pegel des Empfangssignals
bei freiem Strahlengang (E1') und dem Schwellwert S definiert
im Wesentlichen die Ansprechempfindlichkeit der optoelektronischen
Vorrichtung 1, die mittels der Verstärkereinheit 10 durch
Einstellung des Verstärkungsfaktors
vorgebbar ist.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verstärkereinheit 10 der
optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1. Der das
Empfangssignal bildenden Fotostrom IF wird über einen
Arbeitswiderstand R1 in eine Spannung U1 umgesetzt, welche auf einen
Eingang eines Verstärkers 14 geführt ist. Der
Verstärker 14 verstärkt die
Spannung U1, wobei die Ausgangsspannung U2 einer Schaltungsanordnung
zur Generierung eines variablen Verstärkungsfaktors zur Erzeugung
des Ausgangssignals Ua zugeführt wird.
Der Verstärker l4 ist
durch einen Kondensator C1 von dieser Schaltungsanordnung galvanisch
getrennt.
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Diese
Schaltungsanordnung weist als erstes Einstellelement 15 ein
Potentiometer auf. Das Potentiometer umfasst das Bedienelement 11,
an welchem manuell ein Einstellvorgabewert einstellbar ist. Bei analog
arbeitenden Potentiometern kann das Bedienelement 11 von
einem Drehknopf gebildet sein. Im vorliegenden Fall ist das erste
Einstellelement 15 von einem digitalen E2-Potentiometer mit
einem entsprechenden digitalen Bedienelement gebildet. Das Potentiometer
umfasst weiterhin einen einstellbaren Potentiometer-Widerstand R2,
wobei die Einstellung des Widerstandswertes durch den manuell eingebbaren
Einstellvorgabewert vorgegeben ist. Der Widerstandswert variiert
linear mit dem Einstellvorgabewert.
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Der
Potentiometer-Widerstand R2 bildet einen Spannungsteiler für die Ausgangsspannung
U2 des Verstärkers 14.
Eine Konstantstromquelle 16 dient zur Stabilisierung der
Ausgangsspannung U2. Dabei überlagert
die Konstantstromquelle 16 der Ausgangsspannung U2 einen
Gleichspannungsanteil, der ebenfalls an dem den Spannungsteiler
bildenden Potentiometer-Widerstand R2 geteilt wird.
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Das
geteilte Spannungssignal U4 wird über einen Kondensator C2, welchem
ein Widerstand R3 nachgeordnet ist, weitergeleitet. Der in U4 enthaltene Gleichspannungsanteil
wurde durch einen Tiefpass 17 herausgefiltert und zur Ansteuerung
eines zweiten Einstellelements 18 verwendet. Das zweite
Einstellelement 18 kann von einem Bipolar-Transistor, einem Feldeffekt-Transistor oder einem
Varistor gebildet sein.
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Mittels
dieser Schalteranordnung wird eine nichtlineare Abhängigkeit
des Ausgangsignals Ua der Verstärkereinheit 10 von
dem manuell vorgegebenen Einstellvorgabewert erhalten. 4 zeigt
schematisch die Kennlinie für
die Verstärkereinheit 10 gemäß 3.
Das Ausgangssignal Ua der Verstärkereinheit 10,
d.h. das in einer Verstärkereinheit 10 verstärkte Empfangssignal,
ist im Wesentlichen proportional zum Quadrat des Einstellvorgabewerts,
der in 4 mit E bezeichnet ist.
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Verstärkereinheit 10 für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 1.
Der Aufbau dieser Verstärkereinheit 10 entspricht
weitgehend der Verstärkereinheit 10 gemäß 3,
wobei entsprechende Bauteile jeweils mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet sind.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist
bei der Verstärkereinheit 10 gemäß 5 das
zweite Einstellelement 18 nicht an der Ausgangsseite sondern
an der Eingangsseite des Verstärkers 14 vorgesehen.
Das zweite Einstellelement 18 ersetzt dabei den Arbeitswiderstand
R1 gemäß 3,
welcher den Fotostrom IF in die Spannung
U1 umsetzt.
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Die
im Verstärker 14 generierte
Spannung wird wiederum über
den Potentiometer-Widerstand R2 des ersten Einstellelements 15 geteilt.
Die geteilte Spannung U4 wird analog zu der Ausführungsform gemäß 3 über den
Tiefpass 17 als Ansteuersignal dem zweiten Einstellelement 18 zugeführt.
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Das
erste und zweite Einstellelement 15, 18 sind identisch
zu der Ausführungsform
gemäß 3 ausgebildet.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel übernimmt
das zweite Einstellelement 18 die Funktion eines variablen
Arbeitswiderstandes R1 am Eingang des Verstärkers 14, wobei das
erste Einstellelement 15 das zweite Einstellelement 18 ansteuert.
Dadurch werden Übersteuerungen
des Verstärkers 14 und
damit verbundene Signalverfälschungen
des Empfangssignals bei dessen Verstärkung vermieden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 bildet
das zweite Einstellelement 18 an der Eingangsseite des
Verstärkers 14 das
einzige EMV-kritische Bauteil. Durch Schirmung des zweiten Einstellelements 18 können EMV-Störungen auf
einfache Weise verhindert werden. Eine Schirmung des das erste Einstellelement 15 bildenden
Potentiometers ist im Gegensatz zu herkömmlichen Ver stärkereinheiten 10,
die nur mit einem Potentiometer zur Vorgabe des Verstärkungsfaktors
arbeiten, nicht notwendig.