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Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke mit einem Sendelicht-
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impulse emittierenden Lichtschrankensender, einem die Sendelichtimpulse
reflektierenden, also Reflexionslichtimpulse abgebenden Reflektor, einem für die
Reflexionslichtimpulse lichtempfindlichen Lichtschrankenempfänger und einer dem
Lichtschrankenempfänger nachgeordneten Auswerteschaltung, wobei der Lichtschrankensender
einen Impulsgenerator sowie die Auswerteschaltung einen Integrationskondensator
und einen dem Integrationskondensator nachgeschalteten Schmitt-Trigger (oder einen
anderen Detektor) aufweisen, der Impulsgenerator Steuerimpulse abgibt, die einerseits
der Erzeugung der Sendelichtimpulse dienen, die andererseits in die Auswerteschaltung
eingespeist werden, der Lichtschrankenempfänger beim Empfang von Reflexionslichtimpulsen
Empfängerausgangsimpulse abgibt und dann, wenn in der Auswerteschaltung gleichzeitig
Steuerimpulse und Empfängerausgangsimpulse anstehen, der Integrationskondensator
geladen oder entladen wird, dann, wenn in der Auswerteschaltung nicht gleichzeitig
Steuerimpulse und Empfängerausgangsimpulse anstehen, der Integrationskondensator
entladen oder geladen wird, soweit er nicht vollständig entladen oder vollständig
geladen ist.
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Die Erfindung betrifft also unmittelbar eine von drei möglichen Ausführungsformen
von optoelektronischen Annäherungsschaltern. Die weiter unten zu erläuternde Lehre
der Erfindung ist jedoch ohne weiteres auch anwendbar auf die beiden anderen Ausführungsformen
von optoelektronischen Annäherungsschaltern, also auf die Ausführungsform ohne Reflektor
und auf die Ausführungsform, bei der an einem Ende einer überwachungsstrecke der
Lichtschrankensender und am anderen Ende der Überwachungsstrecke der Lichtschrankenempfänger
angeordnet ist. Darüber hinaus ist die weiter unten zu erläutende Lehre auch auf
entsprechend aufgebaute Annäherungsschalter anderer Art, z. B.
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auf induktive Annäherungsschalter oder auf kapazitive Annäherungsschalter
anwendbar.
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Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, das der Erfindung
zugrundeliegende Problem und die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe sollen im
folgenden anhand einer Zeichnung erläutert werden; es zeigt Fig. 1 schematisch,
den grundsätzlichen Aufbau einer bekannten Reflexionslichtschranke, Fig. 2 ein Blockschaltbild
des aktiven Teils der in Fig. 1 dargestellten Reflexionslichtschranke, also ohne
den in Fig. 1 auch dargestellten Reflektor, Fig. 3 den Lichtschrankensender, den
Lichtschrankenempfänger und einen Teil der Auswerteschaltung der in Fig. 2 dargestellten
Reflexionslichtschranke und Fig. 4 eine grafische Darstellung zur weiteren Erläuterung
der Funktionsweise der Reflexionslichtschranke nach Fig. 3.
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Zu der in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Reflexionslichtschranke
gehören ein Sendelichtimpulse emittierender Lichtschrankensender 1, ein die Sendelichtimpulse
reflektierender, also Reflexionslichtimnulse abgebender Reflektor 2, ein für die
Reflexionslichtimpulse lichtempfindlicher Lichtschrankenempfänger 3 und eine dem
Lichtschrankenempfänger 3 nachgeordnete Auswerteschaltung 4. Wie die Fig. 2 zeigt,
ist die mit einem Blockschaltbild dargestellte Reflexionslichtschranke über einen
Außen leiter 5 mit einem Pol 6 einer Spannungsquelle 7 und nur über einen weiteren
Außenleiter 8 mit einem Anschluß 9 eines Verbrauchers 10 verbunden, wobei der andere
Anschluß 11 des Verbrauchers 10 an den anderen Pol 12 der Spannungsquelle 7 angeschlossen
ist. Mit anderen Worten ist die dargestellte Reflexionslichtschranke über insgesamt
nur zwei Außenleiter 5, 8 einerseits an die Spannungsquelle 7 und andererseits an
den Verbraucher 10 angeschlossen.
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(Die Tatsache, daß das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
einer bekannten Reflexionslichtschranke über nur zwei Außenleiter 5, 8 einerseits
an die Spannungsquelle 7 und andererseits an den Verbraucher 10 angeschlossen ist,
ist für den Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, für das der Erfindung
zugrundeliegende Problem und für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nicht
wesentlich.) Da als Ausführungsbeispiel eine Reflexionslichtschranke dargestellt
ist, die über insgesamt nur zwei Außenleiter 5, 8 einerseits an die Spannungsquelle
7 und andererseits an den Verbraucher 10 angeschlossen ist, ist noch eine Speiseschaltung
13 zur Erzeugung der Versorgungsspannung für den Lichtschrankensender 1, den Lichtschrankenempfänger
3 und die Auswerteschaltung 4 vorgesehen. Schließlich weist im dargestellten Ausführungsbeispiel
die Reflexionslichtschranke eingangsseitig noch eine Gleichrichterbrücke 14 auf,
da die Spannungsquelle 7 Wechselspannung führt.
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Der Fig. 3 kann nun im einzelnen entnommen werden, daß der Lichtschrankensender
1 einen Impulsgenerator 15 sowie die Auswerteschaltung 4 einen Integrationskondensator
16 und einen dem Integrationskondensator 16 nachgeschalteten Schmitt-Trigger 17
aufweisen. Der Impulsgenerator 15 gibt Steuerimpulse ab, die einerseits der Erzeugung
der Sendelichtimpilse dienen, die andererseits in die Auswerteschaltung 4 eingespeist
werden. Der Lichtschrankenempfänger 3 gibt beim Empfang von Reflexionslichtimpulsen
Empfängerausgangsimpulse ab. Dann, wenn in der Auswerteschaltung 4 gleichzeitig
Steuerimpulse (vom Impulsgenerator 15) und Empfängerausgangsimpulse (vom Lichtschrankenempfänger
3) anstehen, wird der Integrationskondensator 16 geladen.
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Dann, wenn in der Auswerteschaltung 4 nicht gleichzeitig Steuerimpulse
(vom Impulsgenerator 15) und Empfängerausgangsimpulse (vom Lichtschrankenempfänger
3) anstehen, wird der Integrationskondensator 15 entladen, soweit er nicht vollständig
entladen ist.
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Der Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Lichtschrankensenders 1, zu
dem eine Sendediode 18 gehört, bedarf der detaillierten Erläuterung nicht; die Steuerimpulse,
die der Impulsgenerator 15 abgibt, dienen dadurch der Erzeugung der Sendelichtimpulse,
als mit ihnen ein Sendetransistor 19 angesteuert wird, dessen Kollektor-Emitter-Strecke
mit der Sendediode 18 in Reihe liegt.
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Auch der Lichtschrankenempfänger 3, der in Fig. 3 dargestellt ist,
bedarf der besonderen Erläuterung nicht. Zu dem Lichtschrankenempfänger 3 gehören
die Reihenschaltung aus einer Empfangsdiode 20 und einem Eingangswiderstand 21 ein
an den Verbindungspunkt 22 von Empfangsdiode 20 und Eingangswiderstand 21 angeschlossener
Einkoppelkondensator 23, ein Verstärkertransistor 24, ein Ausgangswiderstand 25
und ein Auskoppelkondensator 26.
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Zu der in Fig. 3 nur teilweise dargestellten Auswerteschaltung 4 gehören
- neben dem Integrationskondensator 16 und dem Schmitt-Trigger 17 - ein Steuertransistor
27, ein Einspeisewiderstand 28, eine Koppel- bzw. Entkoppeldiode 29 und ein Entladewiderstand
30.
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Die Funktionsweise der zuvor erläuterten Reflexionslichtschranke ist
folgende: Der Impulsgenerator 15 des Lichtschrankensenders 1 erzeugt Steuerimpulse
a (siehe Fig. 4), die einerseits dadurch, daß sie den Sendetransistor 19 durchsteuern,
Sendelichtimpulse erzeugen, andererseits in die Auswerteschaltung 4 eingespeist
werden, und zwar über den Einspeisewiderstand 28.
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Zunächst wird davon ausgegangen, daß der Lichtschrankenempfänger 3
keine Reflexionslichtimpulse empfängt, der Lichtschrankenempfänger 3 also Empfängerausgangsimpulse
b nicht abgibt (siehe Fig. 4). Folglich ist der Steuertransistor 27 leitend; die
vom Impulsgenerator 15 über den Einspeisewiderstand 28 in die Auswerteschaltung
4 eingespeisten Steuerimpulse a können den Integrationskondensator
16,
dessen Ladespannung c in Fig. 4 dargestellt ist, nicht aufladen.
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Ab einem bestimmten Zeitpunkt t1 soll nun der Lichtschrankenempfänger
3 Reflexionslichtimpulse empfangen (siehe Fig. 4), so daß der Lichtschrankenempfänger
3 Empfängerausgangsimpulse b abgibt (siehe Fig. 4). Für die Dauer der Empfängerausgangsimpulse
b sperrt der Steuertransistor 27, so daß nunmehr die in die Auswerteschaltung 4
über den Einspeisewiderstand 28 eingespeisten Steuerimpulse a zu einem Laden des
Integrationskondensators 16 führen, und zwar über die Koppel- bzw. Entkoppeldiode
29. Erreicht die Ladespannung c des Integrationskondensators 16 die obere Triggerschwelle
C3, Zeitpunkt t2 (siehe Fig. 4), so schaltet der Schmitt-Trigger 17 um, Anfangsflanke
des Triggerimpulses d (siehe Fig. 4).
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Ab einem bestimmten Zeitpunkt t3 soll der Lichtschrankenempfänger
3 wieder keine Reflexionslichtimpulse mehr empfangen, so daß auch keine Empfängerausgangs
impulse b mehr abgegeben werden (siehe Fig. 4). Der Steuertransisotr 27 wird wieder
leitend, der Integrationskondensator 16 beginnt, sich über den Entladewiderstand
30 zu entladen. Unterschreitet die Ladespannung c des Integrationskondensators 16
die untere Triggerschwelle c2, Zeitpunkt t4 (siehe Fig. 4), so schaltet der Schmitt-Trigger
17 wieder leim, Endflanke des Triggerimpulses d (siehe Fig. 4).
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Nachteilig ist bei der bekannten, zuvor beschriebenen Reflexionslichtschranke,
daß der Lade- und Entladevorgang des Integrationskondensators 16 sehr stark von
dessen Spannung abhängig ist. Sind die Triggerschwellen c3 und c2 des Schmitt-Triggers
17 aus der Mitte der Versorgungsspannung - Potentialdifferenz zwischen dem Pluspotential
C4 und dem Minuspotential c1 - verschoben, so wird entweder die Aufladezeit oder
die Entladezeit des Integrationskondensators 16 verlängert. Bei einer stark nach
oben verschobenen oberen Triggerschwelle C3, beispielsweise temperaturabhängig,
kann es vorkommen, daß wegen des Spannungsteilers aus dem Einspeisewiderstand 28,
der Koppel- bzw.
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Entkoppeldiode 29 und dem Entladewiderstand 30 die obere Triggerschwelle
C3 nicht mehr erreicht wird, so daß der Schmitt-Trigger 27 und damit die Reflexionslichtschranke
insgesamt nicht mehr anspricht. Um die Funktionsfähigkeit der bekannten, hier beschriebenen
Reflexionslichtschranke zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, als Schmitt-Trigger
17 selektierte C-MOS-Schmitt-Trigger zu verwenden.
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die Reflexionslichtschranke,
von der die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Lage
der Triggerschwellen des Schmitt-Triggers für die Funktionsfähigkeit der Reflexionslichtschranke
nicht mehr kritisch ist.
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Die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke, bei der die zuvor hergeleitete
und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen dem Laden des Integrationskondensators
dienenden steuerbaren aktiven Ladestromkreis und einen dem Entladen des Integrationskondensators
dienenden steuerbaren Entladestromkreis aufweist.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der weiter oben in
Verbindung mit der bekannten Reflexionslichtschranke aufgezeigte Nachteil dadurch
eliminiert werden kann, daß das Laden des Integrationskondensators nicht durch die
Steuerimpulse des Impulsgenerators, sondern durch die Versorgungsspannung erfolgt,
nämlich mit Hilfe des erfindungsgemäß vorgesehenen aktiven Ladestromkreises. Bei
der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke erreicht also der Integrationskondensator
beim Laden praktisch die Versorgungsspannung, - so daß die Ladespannung des Integrationskondensators
stets die obere Triggerschwelle des Schmitt-Triggers erreicht, und zwar auch dann,
wenn die Triggerschwellen des Schmitt-Triggers aus der Mitte der Versorgungsspannung
verschoben sind bzw. die obere Triggerschwelle des Schmitt-Triggers erheblich nach
oben verschoben ist.
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Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung
zu realisieren sowie auszugestalten und weiterzubilden, was im folgenden nur beispielhaft
erläutert werden soll; es zeigt Fig. 5 den Lichtschrankensender, den Lichtschrankenempfänger
und einen Teil der Auswerteschaltung einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke
und Fig. 6 eine grafische Darstellung zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise
der Reflexionslichtschranke nach Fig. 5.
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Die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke ist zunächst so aufgebaut,
wie die weiter oben in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 erläuterte bekannte Reflexionslichtschranke,
- soweit sie im folgenden nicht anders beschrieben ist.
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Wie die Fig. 5 zeigt, weist bei der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke
die Auswerteschaltung 4 einen dem Laden des Integrationskondensators 16 dienenden
steuerbaren aktiven Ladestromkreis 31 und einen dem Entladen des Integrationskondensators
16 dienenden steuerbaren Entladestromkreis 32 auf.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Ladestromkreis 31 einen
Ladetransistor 33, einen Ladewiderstand 34 und einen an die Versorgungsspannung
angeschlossenen Spannungsteiler 35 auf und sind der Emitter 36 des Ladetransistors
33 über den Ladewiderstand 34 an den Pluspol 37 der Versorgungsspannung, die Basis
38 des Ladetransistors 33 an den Spannungsteilerabgriff 39 des Spannungsteilers
35 und der Integrationskondensator 16 an den Kollektor 40 des Ladetransistors 33
angeschlossen. Der Entladestromkreis 32 weist einen Entladetransistor 41 und einen
Entladewiderstand 42 auf, wobei der Emitter 43 des Entladetransistors 41 über den
Entladewiderstand 42 an den Minuspol 44 der Versorgungsspannung und der Integrationskondensator
16 an den Kollektor 45 des Entladetransistors 41 angeschlossen sind. Die Emitter-Kollektor-Strecke
des
Ladetransistors 33 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Entladetransistors 41 sind
in Reihe geschaltet.
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Im übrigen gilt für das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke, daß der Kollektor 46 des Steuertransistors
27 über den Einspeisewiderstand 28 an den Impulsgenerator 15, die Basis 47 des Steuertransistors
27 an den Lichtschrankenempfängerausgang 48, der Emitter 49 des Steuertransistors
27 an den Minuspol 44 der Versorgungsspannung und die Basis 50 des Entladetransistors
41 an den Kollektor 46 des Steuertransistors 27 angeschlossen sind und daß ein Ableitwiderstand
51 vorgesehen ist, der einerseits an die Basis 50 des Entladetransistors 41 und
andererseits an den Minuspol 44 der Versorgungsspannung angeschlossen ist.
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Schließlich zeigt die Fig. 5 noch insoweit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke, als ein invertierender Schmitt-Trigger
52 vorgesehen ist und der Schmitt-Trigger-Eingang 53 an dem Verbindungspunkt 22
von Empfangsdiode 20 und Eingangswiderstand 21 und der Schmitt-Trigger-Ausgang 54
über den Ausgangswiderstand 25 an den Lichtschrankenempfängerausgang 48 angeschlossen
sind.
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Die Funktionsweise des zuvor erläuterten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke ist folgende: Auch bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke gilt zunächst,
daß der Impulsgenerator 15 des Lichtschrankensenders 1 Steuerimpulse a erzeugt (siehe
Fig. 6), die einerseits dadurch, daß sie den Sendetransistor 19 durchsteuern, Sendelichtimpulse
erzeugen, andererseits über den Einspeisewiderstand 28 in die Auswerteschaltung
4 eingespeist werden.
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Zunächst wird wieder davon ausgegangen, daß der Lichtschrankenempfänger
3 keine Reflexionslichtimpulse empfängt, der Lichtschrankenempfänger 3 also am Lichtschrankenempfängerausgang
48 Empfängerausgangsimpulse b nicht abgibt (siehe Fig. 6). Folglich ist der Steuertransistor
27 leitend. Während der Ladetransistor 33 stets leitend ist, ist der Entladetransistor
41 nur dann leitend, wenn der Steuertransistor 27 sperrt. Ist also zunächst, wie
zuvor dargelegt, der Steuertransistor 27 leitend, so sperrt der Entladetransistor
41, so daß der vollständig geladene Integrationskondensator 16 nicht entladen wird.
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Ab einem bestimmten Zeitpunkt t1 soll nun der Lichtschrankenempfänger
3 wieder Reflexionslichtimpulse empfangen (siehe Fig. 6), so daß der Lichtschranken
empfänger 3 am Lichtschrankenempfängerausgang 48 Empfängerausgangsimpulse b abgibt
(siehe Fig. 6). Für die Dauer der Empfängerausgangsimpulse b sperrt der Steuertransistor
27, so daß nunmehr der Entladetransistor 41 leitend ist. Der Integrationskondensator
16 entlädt sich, und zwar über die Kollektor-Emitter-Strecke des Entladetransistors
41 und den Entladewiderstand 42. Erreicht die Ladespannung c des Integrationskondensators
16 die untere Triggerschwelle c2, Zeitpunkt t2 (siehe Fig. 6), so schaltet der Schmitt-Trigger
17 um, Anfangsflanke des Triggerimpulses d (siehe Fig. 6).
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Ab einem bestimmten Zeitpunkt t3 soll der Lichtschrankenempfänger
3 wieder keine Reflexionslichtimpulse mehr empfangen, so daß am Lichtschrankenempfänger
48 auch keine Empfängerausgangsimpulse b mehr abgegeben werden (siehe Fig. 6). Der
Steuertransistor 27 wird wieder leitend, so daß der Entladetransistor 41 wieder
sperrt. Der Integrationskondensator 16 beginnt, sich über den Ladewiderstand 34
und die Emitter-Kollektor-Strecke des Ladetransistors 33 zu laden. Erreicht die
Ladespannung c des Integrationskondensators 16 die obere Triggerschwelle C3, Zeitpunkt
t4 (siehe Fig. 6), so schaltet der Schmitt-Trigger 17 wieder um, Endflanke des Triggerimpulses
d (siehe Fig. 6).
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Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß bei dem in Fig. 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke der Ladewiderstand
34 erheblich hochohmiger ist als der Entladewiderstand 42, so daß in der Pausenzeit
zwischen zwei Empfängerausgangsimpulsen b der Integrationskondensator 16 auf eine
Ladespannung c aufgeladen wird, die unterhalb der Ladespannung c vor dem Beginn
des Entladens liegt.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Reflexionslichtschranke wird mit dem invertierenden Schmitt-Trigger 52 der Gleichlichtanteil
des Lichtschrankenempfängers 3 überwacht. Überschreitet das auf den Lichtschrankenempfänger
3 auftreffende Gleichlicht einen bestimmten Wert, z. B. ca. 100 kLux, so schaltet
der invertierende Schmitt-Trigger 52 um, so daß sich der Integrationskondensator
16 entlädt.
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