DE2259036A1

DE2259036A1 - PHOTOELECTRIC POTENTIOMETER

Info

Publication number: DE2259036A1
Application number: DE19722259036
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Hahn; Dieter Ramesohl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1974-05-30
Also published as: DE2259036B2; DE2259036C3

Description

Photoelektrisches Potentiometer Die Erfindung bezieht sich auf ein photoelektrisches Potentiometer mit lichtempfindlichen Halbleitern, die von einem abblendbaren Lichtstrom beeinflußt werden.Photoelectric potentiometer The invention relates to a photoelectric potentiometer with photosensitive semiconductors, which is controlled by a Dimmable luminous flux can be influenced.

Dreh- und Schiebewiderstände mit Schleifkontakten in Potentiometer- oder Spannungsteilerschaltung sind verschleiß anfällig und insbesondere im Betrieb bei niedrigen Spannungen auch störanfällig. Man ist bestrebt, kontaktlos arbeitende Versionen herauszubringen. 8 Es sind bereits sogenannte Feldplattenpotentiometerbekanntgeworden, bei denen magnetfeld abhängige Widerstände in Plattenform - sogen. Feldplatten - in einem Magnetfeld gedreht werden,bzw. bei denen umgekehrt das Magnetfeld, z.B. durch drehbare Eisenteile, variiert wird. Die Feldplatten gelangen nacheinander in das volle Magnetfeld, wobei sich ein entsprechendes Spannungsteilerverhältnis einstellt. Die einstellbaren Widerstandswerte liegen zwischen 10 und 95%. Derartige Feldplattenpotentiometer sind auf Linearität abgestellt. Ihre magnetfeldführenden Teile sind sehr genau gefertigt und dementsprechend teuer. Für bestimmte Anwendungsgebiete ist eine derartige strenge Linearität unnötig; dennnoch möchte man auf kontaktlose Potentiometer nicht verzichten.Rotary and sliding resistors with sliding contacts in potentiometer or voltage divider circuits are prone to wear and tear and especially during operation also susceptible to failure at low voltages. One strives to be contactless Bring out versions. 8th So-called field plate potentiometers have already become known, in which magnetic field-dependent resistances in plate form - so-called. Field plates - be rotated in a magnetic field, or. in which, conversely, the magnetic field, e.g. by rotating iron parts. The field plates arrive one after the other in the full magnetic field, with a corresponding voltage divider ratio adjusts. The adjustable resistance values are between 10 and 95%. Such Field plate potentiometers are geared towards linearity. Your magnetic field Parts are manufactured very precisely and are accordingly expensive. For certain areas of application such strict linearity is unnecessary; because you still want contactless Potentiometer does not do without.

Es sind auch photoelektrische Anordnungen für Signalspannungen bekanntgeworden, bei denen eine Widerstandsänderung durch variable Belichtung eines sogen. Photowiderstandes ausgenutzt wird. Die Belichtungssteuerung erfolgt verschiedenartig; meist durch einbringbare Keile, Blenden, Masken oder Filter?; ggf.Photoelectric arrangements for signal voltages have also become known, in which a change in resistance due to variable exposure of a so-called. Photoresistor is exploited. The exposure control takes place in different ways; mostly through insertable wedges, diaphragms, masks or filters ?; possibly.

auch durch Xnderung der Lichtquellenspannunq (DT-PS 1 093 883).also by changing the light source voltage (DT-PS 1 093 883).

Für bestimmte Anwendungsgebiete, z.B. als Sollwertgeber, sind derartige photoelektrische Widerstände nicht geeignet, da über die Toleranz der Elemente keine Reproduzierbarkeit der Werte erzielbar ist.For certain areas of application, e.g. as a setpoint generator, such Photoelectric resistors are not suitable, as there is no tolerance of the elements Reproducibility of the values is achievable.

Die Erfindung bezweckt diese Nachteile auszuschalten.The invention aims to eliminate these disadvantages.

Aufgabe ist es, ein photo'elektrisches Potentiometer einfacher Bauweise zu schaffen, das preises ist und mit dem als Sollwertgeber abhängig von einer weg- oder winkeiproportionalen Verstellung definierte Stufengleichspannungen abgegeben werden können.The task is a photo'electric potentiometer of simple construction to create that is price and with which, as a setpoint generator, is dependent on a path or angle-proportional adjustment output defined step voltages can be.

Die Aufgabe wird für ein photoelektrisches Potentiometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Reihe parallelgeschalteter, einzeln abblendbarer Photodioden oder -transistoren Verwendung findet, die jeweils bei einer definierten, unterhalb der maximal erzielbaren Lichtstärke in den Schaltbetrieb übergehen und daß der von dem Abblendungsgrad abhängige Summenstrom von einem nachgeschalteten Operationsverstärker in reproduzierbare Stufenspannungenumsetzbar ist.For a photoelectric potentiometer, the task is as described at the beginning mentioned type solved in that a number of parallel-connected, individually dimmable Photodiodes or transistors are used, each of which is used in a defined, switch to switching mode below the maximum achievable light intensity and that the total current, which is dependent on the degree of glare, comes from a downstream Operational amplifier can be converted into reproducible step voltages.

Dazu steht in zweckmäßiger Ausbildung jeder Photodiode bzw.For this purpose, each photodiode resp.

jedem Phototransistor der Reihe eine ihn steuernde Lichtquelle gegenüber und zwischen den Reihen von Photohalbleitern und Lichtquellen sind relativ zu diesen bewegbare Abblendungsmittei für völlige Freigabe bis zur absoluten Abblendung des Lichtstroms vorgesehen. Solche Anordnungen von Lichtquellen und Photohalbleitern können sowohl in linearen Reihen, auch axial auf dem Umfang von Hohlzylindern verteilt, als auch radial oder kreisförmig erfolgen. Je nachdem, wie abgeblendet wird (Verstellbewegung), wird man Schiebe- oder Drehpotentiometer unterscheiden.each phototransistor of the series is opposite a light source controlling it and between the rows of photo semiconductors and light sources are relative to them Movable dimming means for complete release up to the absolute dimming of the Luminous flux provided. Such arrangements of light sources and photo semiconductors can be distributed both in linear rows and axially on the circumference of hollow cylinders, as well as radial or circular. Depending on how dimmed will (Adjustment movement), a distinction will be made between sliding and rotary potentiometers.

Anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im nachstehenden ndher erläutert.The invention is illustrated by means of a schematic exemplary embodiment explained below.

Es zeigen: Fig. 1: Schaltung eines photoelektrischen Potentiometers; Fig. 2: Verlauf abgegebener Spannungen in Abhängigkeitvon Weg- oder Winkelverstellungen.They show: FIG. 1: circuit of a photoelectric potentiometer; FIG. Fig. 2: Course of the voltages emitted as a function of path or angle adjustments.

Fig. 1 zeigt eine Reihe separat gespeister Lichtquellen 1,2,3,4, deren Lichtstrom von einer Blende 5 gegenüber empfdngerseitig zugeordneten Phototransistoren 6,7,8,9 stufen- bzw.Fig. 1 shows a number of separately fed light sources 1,2,3,4, their Luminous flux from a diaphragm 5 opposite phototransistors assigned to the receiver side 6,7,8,9 step or

paarweise abceblendet werden konnen. Anstelle von Phototransistoren können gegebenenfalls auch Photodioden Anwendungfinden; Phototransistoren sind jedoch empfindlicher.Jeweils eine Lichtquelle als Photonensender und ein Phototransistor als Lichtempfänger gehören als Paar zusammen (z.B. 1-6, 2-7, usw.).can be masked in pairs. Instead of phototransistors photodiodes can also be used if necessary; However, phototransistors are More sensitive, each with a light source as a photon transmitter and a phototransistor as light receivers belong together as a pair (e.g. 1-6, 2-7, etc.).

Als Lichtquellen können sowohl Olüh-oder Glimmlärnpchen als auch stromsparende Leucht- oder LuraLniszenzdioden, z.X. auf GaAs-Basis, Verwendung finden. Die Phototransistorenwerden über einen Spannungsteiler 10 und Vorwiderstände 11 mitSpennung versorgt, wobei die Schaltung nach der Erfindung so getroffen ist, daß ccr jeweilig beleuch'etephototransistor 6,7,8 oder 9 im Bereich der Sättigung, d.h.. als bloßes Schalter arbeitet. Der Phototransistor führt dann stets den vom äußeren Stromkreis, d.h. hier Vorwiderstand li, sestisuraten maximalen Strom und ist von Exemplarstreuungen weitgehend unabhängig.Both oil and glow-in-the-dark light sources, as well as energy-saving ones, can be used as light sources Light or LuraLniscence diodes, e.g. based on GaAs. The phototransistors will Supplied with voltage via a voltage divider 10 and series resistors 11, wherein the circuit according to the invention is made so that ccr each illumin'etephototransistor 6.7.8 or 9 in the range of saturation, i.e. works as a mere switch. The phototransistor then always leads from the external circuit, i.e. here the series resistor li, sestisuraten maximum current and is largely independent of specimen variations.

Die Phototransistoren 6 bis 9 sind parallelgeschaltet. Ihr sich bei Beleuchtung-ergebender Durchlaßstrom wird in Additionsschaltung dem Steuereingang 12 eines Operationsverstärkers 13 zugeführt und in eine entsprechende Ausgangsspannung umgesetzt. Über eine Sperrdiode 14 ist die Ausgangsspannung an einen Transistor 15 in Kollektorschaltung gelegt, der den vor fügbaren Ausgangsstrom des Oparationsverstärkers 13 erhöht.The phototransistors 6 to 9 are connected in parallel. Your with Illumination-resulting forward current is added to the control input in the addition circuit 12 of an operational amplifier 13 and fed into a corresponding output voltage implemented. The output voltage is applied to a transistor via a blocking diode 14 15 placed in the collector circuit, the before available output current of the Oparations amplifier 13 increased.

Vom Emitterausgang des nachgeschalteten -Transistors 15 wird über den Steuereingang 1 des Operationsverstärkers gegengekoppelt. Eine interne Schutzschaltung, bestehend aus einer Zehnerdiode 16 sowie Widerständen 17,18 schützt ergänzend den Transistor 15 vor Zerstörung durch Überspannungen. Die Sperrdiode 14 soll dem Operationsverstärker 13 Schutz vor positiven Überspannungsspitzen aus induktiven oder kapazitiven Einstreuungen geben.und den Transistor vor stark negativen Basis-Emitterspannungen schützen.From the emitter output of the downstream transistor 15 is over the control input 1 of the operational amplifier is fed back. An internal protection circuit, consisting of a Zener diode 16 and resistors 17,18 additionally protects the Transistor 15 from being destroyed by overvoltages. The blocking diode 14 is intended for the operational amplifier 13 Protection against positive overvoltage peaks from inductive or capacitive interference and protect the transistor from strongly negative base-emitter voltages.

Sind sämtlichehototransistoren 6 bis 9 durch die Blende 5 abgedeckt, dann fließt kein Strom zum Operationsverstärker 13 bzw. nur ein sehr kleiner Dunkel- oder Reststrom. Die Ausgangsspannung weicht dann nur unwesentlich von Null ab.If all the hototransistors 6 to 9 are covered by the cover 5, then no current flows to the operational amplifier 13 or only a very small dark or residual current. The output voltage then deviates only insignificantly from zero.

Würde die Blende 5 sprunghaft von einem zum anderen Phototransistor, dh. ohne Ubergang, gezogen werden können, so würden sich bei stets voller Lichteinwirkung auf den jeweiligen Phototransistor treppenartige Spannungssprünge am Ausgang des photoelektrischen Fotentiorneters ergeben, so wie sie z.B. die gestrichelte Kurve a der Fig. 2 darstellt. In der Praxis ergibt sich im allgemeinen ein allmähliches Freigeben des bzw. der Phototransistoren durch die Blende 5. Das läßt den Anstieg schräg erfolgen mit jeweiligen aus der Restuelligkeit der Übertragungskurve herrührenden Übergangsverläufen zu und von den einzelnen Stufenplateaus (gekreuzte Kurve b).If the aperture 5 were to jump from one to the other phototransistor, ie. can be drawn without transition, so would always be with full exposure to light step-like voltage jumps on the respective phototransistor at the output of the photoelectric Fotentiorneters, such as the dashed curve a of FIG. 2. In practice there is generally a gradual one Releasing the phototransistor (s) through the aperture 5. That leaves the increase take place obliquely with respective ones resulting from the residual quality of the transfer curve Transitions to and from the individual step plateaus (crossed curve b).

Diese verbliebene Restwelligkeit ist exemplar- und temperaturabhängig. Je empfindlicher die Phototransistoren oder je heller die zugeordneten Lichtquellen gewalt werden, desto stei ler verlaufen die Spannungsstufen. Man sieht eine Lichtübersteuerung der Transistoren vor, bei der z.B. die Helligkeit der zugeordneten Lampe höher ist als es für die Aussteuerung des zugehörigen Phototransistors nötig arme, Selbst ein Absenken der Helligkeit auf die Hälfte läßt dann den Phototransistor noch nicht aus seinem Schaltzustand kippen. Es fließt somit stets gleicher Strom. Nähert man sich mit den Licht-bzw. Empfindlichkeitswerten hart der Grenze, an der durch den Phototransistor gerade noch der volle Strom geführt werden kann, dann bekommt man eine annähernd lineare Kurve mit praktisch lückenlosem Anschluß (Fig. 2 Kurven c und d). Eine solche Auswahl sollte aus verschiedenen z.T. schongenannten Gründen jedoch nicht getroffen werden. Vor allem ergeben sich große Exemplarabhängigkeiten und Abgleichnotwendigkeiten,die ein einfaches Auswechseln von Lichtquellen oder Phototransistoren schwierig oder unmöglich machen. Im übrigen sind durch die geforderten Anwendungsgebiete die Genauigkeitsgrenzenoft nicht so eng gezogen. Für Sollwertgeber bei Bahnfahrzeugen sind 2. B. nach den VÖV-Richtliniennur bestimmte Anfangs- und Endpunkte vorgeschrieben, zwischen denen eine nur annähernd lineare Kennlinie zugelassen ist.This remaining ripple depends on the specimen and the temperature. The more sensitive the phototransistors or the brighter the associated light sources violence, the steeper the levels of tension are. You can see a light override of the transistors, in which e.g. the brightness of the assigned lamp is higher than it is necessary for the control of the associated phototransistor poor, self lowering the brightness to half then does not leave the phototransistor tilt out of its switching state. It flows thus always the same Current. If you approach with the light or. Sensitivity values close to the limit, where the full current can just be carried through the phototransistor, then you get an approximately linear curve with a practically seamless connection (Fig. 2 curves c and d). Such a selection should be made from various, in some cases already mentioned Reasons, however, are not taken. Above all, there are large item dependencies and adjustment needs, which require a simple change of light sources or Making phototransistors difficult or impossible. Otherwise are required by the Areas of application the limits of accuracy are often not drawn so tightly. For setpoint generator in the case of rail vehicles, there are only certain initial and Endpoints prescribed, between which an approximately linear characteristic curve is permitted is.

Je mehr Paare an Lichtquellen und Phototransistoren vorgesehen werden, desto linearer kann die Kurve durch eine Vielzahl von Sprüngen gehalten werden. Im allgemeinen dürften für Soilwertgeber von Steuerfahrschaltern sieben bis zehn Stufe,db.The more pairs of light sources and phototransistors are provided, the more linear the curve can be kept by a large number of jumps. In general, there should be seven to ten for solenoid actuators Stage, db.

sieben bis zehn Paare an Lichtquellen und Phototransistoren ausreichend sein.seven to ten pairs of light sources and phototransistors are sufficient be.

Zur Frage der Fehlermöglichkeiten ist noch folgendes zu bemeron: Ist bei den LichtquelLen - die im allgemeinen in Reihe geschaltet sind - bei einer Lampe ein Kurzschluß vorhanden, dann fällt nur diese eine Stufenlampe aus; die anderen leuchten etwas heller. Das bedeutet, daß ein Stufensprung ausfällt und der Endwert der Spannung der Stufenanzahl entsprechend prozentual herabgesetzt ist. Das ist im praktischen Betrieb noch nicht kritisch. Eine Herabsetzung des Zug- oder Bremskraftsollwertes ist zwar bemerkbar, macht das Fahrzeug aber nicht funktionsunfhhig. Anders ist es bei einer Unterbrechung im Lichtquellenstromkreis, wodurch sämtliche In Reihe geschalteten Lampen ausfallen. Die Frage der erzielbaren Sichcrheit eines solchen photoelektrischen Potentiometers hängt somit davon ab, wieviel parallele Kreise man vorsehen will. Im Extremfall, wenn maximal nur eine Lichtquelle ausfallen darf, müssen somit alle Lampen parallelgeschaltet sein.Regarding the question of possible errors, the following should be noted: is in the case of light sources - which are generally connected in series - in the case of a lamp if there is a short circuit, only this one step lamp fails; the others shine a little brighter. This means that there is no increment and the final value the voltage of the number of stages is correspondingly reduced as a percentage. That is not yet critical in practical operation. A reduction in the pulling or braking force setpoint is noticeable, but does not make the vehicle inoperable. It is different in the event of an interruption in the light source circuit, which means that all are connected in series Lamps fail. The question of the attainable safety of such a photoelectric Potentiometer thus depends on how many parallel circles you want to provide. In the extreme case, when a maximum of only one light source may fail, all of them must Lamps must be connected in parallel.

Durch die Erfindung lßt sich ein einfaches, sicher arbeitendes Potentiometer kontaktioser Bauart realisieren, das den Vorzug der Preiswürdigkeit aufweist.The invention enables a simple, safe working potentiometer Realize contactless design, which has the advantage of being affordable.

Claims

P a t e, n t a n s p r ü c h e:

Photoelectric potentiometer with light-sensitive semiconductors, which are influenced by a luminous flux which can be reduced, characterized in that, that a series of parallel-connected, individually adaptable photodiodes or transistors (6-9) is used, each with a defined, below the maximum attainable light intensity go into switching operation and that of the degree of glare dependent total current from a downstream operational amplifier (13) in reproducible Step voltages can be implemented.

2.) Potentiometer according to claim 1, characterized in that each Photodiode or each phototransistor (6,7,8,9) of the series a light source controlling it (1,2,3,4) faces and between the rows of photo semiconductors and light sources relative to these movable shielding means (5) for complete release up to absolute Dimming of the luminous flux are provided.

3.) Potentiometer according to claim 1 or 2, characterized in that that light or luminescent diodes, e.g. based on GaAs, are provided as light sources are.

4.) Potentiometer according to claim 1 or 2, characterized in that the luminous flux of the row light sources path or angle depending on a diaphragm or a filter can be changed.

5.) Potentiometer according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the rows of photo semiconductors are circular, radial or axial are arranged.

6.) Potentiometer according to claim i, characterized in that the Operational amplifier (13) via a blocking diode (14) an amplifying transistor (15) is connected downstream, the output voltage of which can be removed from the emitter in negative feedback is applied to the control input (12) of the operational amplifier.