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Vorrichtung zur optischen Abtastung von
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Markierungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen
Abtastung von Markierungen mit einem die zu erfassenden Markierungen beleuchtenden
Lichtsenderund einem das von den Markierungen reflektierte Licht erfassenden Lichtempfänger,
dessen Widerstand sich in Abhängigkeit vom auftreffenden Licht ändert.
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Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise a-ls Lichtstifte ausgebildet,
wie man sie an den Kassen in Kaufhäusern antreffen kann, um die auf modernen Warenpackungen
aufgedruckten Strichmarkierungen lesen und den Informationsinhalt dieser Markierungen
in Datenverarbeitungseinrichtungen eingeben zu können.
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Als Lichtsender kommt eine Glühlampe oder eine Licht emittierende
Diode (LED) in Frage, während als Lichtempfänger ein Phototransistor oder eine Photodiode
verwendet werden kann. Üblicherweise ist der Lichtempfänger an einer Konstantspannungsquelle
angeschlossen und in Reihe mit einem Widerstand angeordnet, an
dem
die durch den Strom durch den Lichtempfänger erzeugte Spannung zur Weiterverarbeitung
abgegriffen wird. Wird ein derart aufgebauter Lichtstift über eine Reihe von Markierungsstrichen
hinwegbewegt, so ändert sich die am Widerstand abgeg-iffene Spannung entsprechend
dem unterschiedlichen Reflektionsvermögen der Striche bzw. Balken und der Zwischenräume
zwischen den Strichen bzw. Balken. Soll nun unter den verschiedensten Betriebsbedingungen
das Balkensignal und das Zwischenraumsignal entschlüsselt werden, so muss eine Referenzspannung
erzeugt werden, die im Verlauf des aus der am Widerstand abgegriffenen Spannung
gebildeten Signals den Übergang vom Balkensignal zum Zwischenraumsignal und umgekehrt
markiert. Bei den bekannten Vorrichtungen werden-vielfältige Schwellspannungsmethoden
angewendet. Es wurden Schaltungen entwickelt, bei denen der Signalverlauf differenziert
wird mit dem Zweck, das Balken- und das Zwischenraumsignal zu unterscheiden. In
diesem Zusammenhang wird auf die DE-OS 25 53 077 Verwiesen.
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Die bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass zum Betrieb Operationsverstärker
benötigt werden, die mit Spannungen unterschiedlicher Polarität arbeiten, dass Differenzierglieder
und Spitzendetektoren verwendet werden, deren bekannte Ungenauigkeit das Messergebnis
verfälscht und dass der Stromverbrauch und damit der Leistungsbedarf meistens sehr
hoch ist, so dass ein mobiler, batteriebetriebener Einsatz nur unter Einschränkungen
möglich ist.
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Mit der Erfindung soll hier Abhilfe geschaffen werden.
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Es soll eine Vorrichtung der eingangs angesprochenen Art derart ausgebildet
werden, dass sie einen geringen Stromverbrauch hat, und genaue Messergebnisse liefert
und nur mit einer Versorgungsquelle für alle Bauteile betrieben wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Lichtempfänger
an einer Konstantstromquelle angeschlossen ist, die für den Lichtempfänger einen
solchen Strom liefert, dass sich eine Sätigungsspannung am Eingang des Lichtempfängers
aufaufbauen kann.
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Ist der Strom durch den Lichtempfänger, der ein Phototransistor sein
kann (bei einer Photodiode liegen analoge Verhältnisse vor), derart dass sich am
Lichtempfänger eine Sättigungsspannung aufbaut, dann hängt die am Photoransistor
anstehende jeweilige Spannung nur von der Stärke der Beleuchtung des Phototransistors
ab. Diese Spannung ändert sich selbstverständlich, wenn der Strom sich ändert. Die
untere Grenze für den Strom ist diejenige, ab der er nicht mehr - abgesehen von
einem sog. Dunkelstrom - durch den Phototransistor fliesst, während die obere Grenze
des Stromes dadurch bestimmt ist, dass die von der Konstantstromquelle vorgegebene
Spannung überschritten wird derart, dass die Konstantstromquelle'nicht mehr als
Konstantstromquelle sondern als Konstantspannungsquelle arbeitet Der Vorteil in
der Verwendung einer Konstantstromquelle anstelle einer Konstantspannungsquelle
ist darin zu.
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sehen, dass die Kennlinie: Sättigungsspannung/Beleuchtungsstärke ausgehend
von einer kleinen Beleuchtungsstärke von einer hohen Spannung steil nach unten mit
zunehmender Beleuchtungsstärke abfällt und dann allmählich gegen hohe Beleuchtungsstärken
abflacht, so dass gerade im kritischen Bereich, in dem Balken und
Zwischenräume
aneinander angrenzen, eine kleine Anderung der Beleuchtungsstärke eine grosse Spannungsänderung
zur Folge hat, während bei einer Konstantspannungsquelle die Kennlinie: Strom durch
den Lichtempfänger/Beleuchtungsstärke vom Ursprung ausgehend langsam ansteigt und
eine verhältnissmässig grosse Änderung der Beleuchtungsstärke nur eine verhältnismässig
kleine Anderung im Strom hervorruft. Aufgrund der Verwendung einer Konstantstromquelle
kann also das Gerät wesentlich genauer arbeiten.
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Aber auch der Stromverbrauch lässt sich aufgrund der Verwendung einer
Konstantstromquelle im Vergleich zur Verwendung einer Xonstantspannungsquelle erheblich
senken. Aufgrund der ungünstigen Kennlinie bei Verwendung einer Konstantspannungsquelle
kann man, wenn man eine einigermassen hinreichende Genauigkeit erzielen will, nicht
den Absolutwert des Stromes auswerten, sondern muss die Änderung des Stromes in
Abhängigkeit von der Zeit auswerten, was zur Folge hat, dass Operationsverstärker
verwendet werden müssen, die mit einer positiven und einer negativen Spannunq betrieben
werden, und muss ganz allgemein ein grosser Schaltungsaufwand betrieben werden.
Demgegenüber können bei Verwendung einer Konstantstromquelle gemäss der Erfindung
besonders stromsparende Operationsverstärker verwendet werden, die mit nur einer
Spannung betrieben werden, und kann der Schaltungsaufwand überhaupt kleiner gehalten
werden.
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Zweckmässigerweise ist nun der Lichtempfänger als einer von vier Widerständen
in einer Messbrücke angeordnet und wird das Ausgangssignal aus der Differenz der
Spannung zwischen dem Lichtempfänger und dem anderen Widerstand in dem einen Brückenzweig
und der
Spannung zwischen den beiden Widerständen in dem anderen
Brückenzweig gebildet. Der Vorteil der Messbrücke zusammen mit der Konstantstromquelle
ist darin zu sehen, dass die Schaltung digitale Eigenschaften entwickelt. Ein Balken
von z.B. 0,1 mm Breite hat bspw. eine Stromänderung von 1 pA zur Folge, während
ein Balken von 2 mm Breite eine Stromänderung von 1,5'jiA zur Folge hat. Die Unterschiede
bei den Stromänderungen in den Zwischenräumen liegen im gleichen Grössenordnungsbereich.
Es treten somit zwischen einem schmalen Balken und einem breiten Balken sowie zwischen
einem kleinen Zwischenraum und einem grossen Zwischenraum keine grossen Unterschiede
mehr auf. Trotzdem sind die Zwischenräume und die Balken wegen der grossen Steilheit
der Kennlinie klar voneinander abgrenzbar. Beim Stand der Technik kann sich demgegenüber
das Verhältnis der Spannungen bei Erfassung eines dünnen Balkens und bei Erfassung
eines dicken Balkens in der Grössenordnung von 1 : 20 bewegen, was hinsichtlich
der Auswertung wesentlicher schwieriger zu handhaben ist als ein Verhältnis, das
um eine Zehnerpotenz und mehr kleiner ist.
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Ein weiterer Vorteil der Messbrücke besteht darin, dass das Messergebnis
in Form einer Differenzspannung vorliegt. Eine solche Differenzspannung lässt sich
sehr einfach an einem Operationsverstärker verstärken.
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Ein weiterer Vorteil der Messbrücke besteht darin,dass
bei
richtiger Dimensionierung der Messbrücke die Differenzspannung nur so gross werden
kann, dass die nachgeschalteten Verstärker in keiner Betriebsart übersteuern, so
dass eine Verfälschung des Messergebnisses durch Übersteuerung ausgeschlossen wird.
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Zweckmässigerweise arbeitet die Messbrücke nach dem Prinzip gleicher
Widerstandspaare Der dem Lichtempfänger entsprechende Widerstand im anderen Brückenzweig
ist vorzugswe-ise ein Potentiometer, mit dem die Messbrücke abgeglichen werden kann.
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Gemäss einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist
ein vom Ausgangssignal der Vorrichtung gesteuerter Schalter vorgesehen, der die
Differenzspannung in einem der beiden Ausgangszustände der Vorrichtung zu einem
Speicher durchschaltet,und wird das Ausgangs signal aus der Differenz zwischen der
Differenzspannung aus der Messbrücke und einer von der Spannung des Speichers zur
Bildung einer Referenzspannung abgeleiteten Spannung gebildet. Im allgemenen erfolgt
die Einspeicherung, wenn ein Zwischenraum zwischen den Balken erfasst wird, also
die Differenzspannung minimal ist, und wird die eingespeicherte Spannung für die
Zeit gehalten, in der ein darauffolgender Balken erfasst wird, bei dem die Differenzspannung
an der Messbrücke grösser wird.
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Auf diese Weise verläuft das Bezugssignal für die Differenzspannung
aus der Messbrücke immer parallel zur Grundlinie der Differenzspannung aus der Messbrücke.
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Wird in weiterer Ausbildung der Erfindung der
Differenz
zwischen der Differenzspannung aus der Messbrücke und der Referenzspannung eine
konstante Spannung aufaddiert, so kann dafür gesorgt werden, dass als Grundlinie
sicher das OV-Potential erreicht wird, d.h., dass beim Erfassen eines Zwischenraums
das Ausgangssignal mit Sicherheit den Wert Null V annimmt, so dass es für eine digitale
Weiterverarbeitung geeignet ist.
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Im Hinblick auf eine digitale Weiterverarbeitung ist es auch zweckmässig,
einen Schmitt-Trigger nachzuschalten, aus dem das Ausgangssignal abgenommen wird.
Der Schmitt-Trigger sorgt für steile Flanken.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, den Strom
durch den Lichtsender in Abhängigkeit von der Referenzspannung zu steuern, die von
der Differenzspannung der Messbrücke abgeleitet wird. Damit wird die Beleuchtungsstärke
des zu des Lichtsenders geregelt, so dass die Differenzspannung der Messbrücke weitgehend
unabhängig vom Anstellwinkel der Vorrichtung zur Ebene, in-der sich die Markierunqen
befinden, ist und Alterungserscheinungen bei Lichtsender und Lichtempfänger ausgeregelt
werden können.
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In diesem Zusammenhang ist es ferner zweckmäßiq, gemäss einer Weiterbildung
der Erfindung die Spannung des Lichtsenders mit einem vorgegebenen Grenzwert zu
vergleichen und bei tiberschreibung des Grenzwertes den'Strom durch den Lichtsender
zu beqrenzen. Auf diese Weise lasse sich eine Zerstörung des Lichtsenders durch
übermässig grossen Strom vermeiden.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden, anhand der beiliegenden Zeichnung erfolgenden Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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In der Zeichnung stellen da: Fig. 1a das Blockschaltbild für den Lichtempfänger
bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäss der Erfindung, Fig. 1b das Blockschaltbild
für den Lichtsender bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäss der Erfindung,
Fig. 2 den Verlauf der Spannung U1 und U2 in Abhängigkeit vom Wert des Widerstandes
RT des Lichtempfängers, Fig. 3a bis 3d Zeitdiagramme der verschiedenen Spannungen
in der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 den Verlauf der Differenzspannung
(UAl) bei verschiedenen Anstellwinkeln.
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Es wird zunächst auf Fig. 1a Bezug genommen, in der eine Messbrücke
gezeigt ist, die zwei gleiche Widerstände R1, R1, ein Potentiometer R3 und einen
Lichtempfänger RT, beispielsweise ein Phototransistor oder eine Photodiode, enthält.
Das eine Ende der Messbrücke ist mit einer Konstantstromquelle 10 verbunden, während
das andere Ende der Messvrticke an o Vok liegt. Die Messbrücke mit der Konstantstromquelle
10 bildet die eigentliche Messschaltung.
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Der Widerstand des Potentiometers R3 der Messbrücke
wird
derart gewählt, dass er dem Mittelwert des Lichtempfängers entspricht. Im Fall des
Phototransistors wird der Widerstand R3 ca. 20 kn bis 40 kQ betragen.
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Der Widerstand R1 sollte ca. 0,1 x R3 betragen.
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Die Konstantstromquelle liefert einen konstanten Strom Iout zur Versorgung
der Messbrücke. Der Strom IoUt muss so dimensioniert werden, dass in jedem Betriebszustand
des Lichtempfängers der Strom IoUt vollständig von derMessbrücke verarbeitet werden
kann. Das heisst, dass auch wenn der Widerstand RT sehr gross wird, weil der Lichtempfänger
kein Licht erhält, die Messbrücke so dimensioniert sein muss, dass der Strom 1out
durch den Zweig R3-R1 vollständig abfliessen kann.
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Im Fall des Phototransistors liegt IoUt bei 5 bis 15 AA, im Fall der
Photodiode bei 1 bis 3 ßA.
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Der Vorteil der Messbrücke zusammen mit. der Konstantstromquelle gegenüber
anderen Schaltungen liegt darin, dass der durch den Lichtempfänger fliessende Strom
von Anfana an begrenzt wird. Diese Bearenzunq hat zur Folge, dass die Messgrösse,also
die Differenz der Spannung U1 zwischen dem Lichtempfänger RT und dem anderen Widerstand
R1 in dem einen Brücken zweig und der Spannung U zwischen den bei-2 den Widerständen
R1 und R3 in dem anderen Brückenzweig, ebenfalls begrenzt ist.Ferner erweist es
sich bei der Messbrücke als vorteilhaft, dass die Spannungen U1 und U2 gegenphasig
arbeiten (s. Fig. 2 und 3a) und somit das Nutzsignal verdoppelt wird.
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Für die einzelnen Grössen der Messbrücke gilt:
Links von der gestrichelten Linie in Fig. 2 lieat der Bereich, in dem der Lichtempfänger
reel reflektiertes Licht erhält, weil der Lichtsender einen Zwischenraum beleuchtet.
Rechts vorn der qestrichelten Linie lieqt der Bereich, in dem der Lichtempfänger
wenig reflektiertes Licht empfängt, weil der Lichtsender einen Markierunqsbalken
beleuchtet. In diesem Bereich kann noch unterschieden werden das Gebiet dünner bzw.
schmaler Balken (Balkenbreite o,05 mm aufwärts) und das Gebiet breiter Balken (1
mm Balkenbreite aufwärts). Die Gebiete sind schraffiert. Der Übergang zwischen beiden
Gebieten ist natürlich fliessend.
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Die Lage der U1 und U2- Kurven zueinander lässt sich weitgehend durch
das Potentiometer 3 bestimmen. Es ist z.B. möglich, beide Kurven so zu verschieben,
dass sich ein Schnittpunkt ergibt.
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In Figur 3a ist der Verlauf der Spannungen U1 und U2 dargestellt
über der Zeitachse. Im oberen Teil der Fig. 3a ist schematisch eingezeichnet ein
Muster bestehend aus drei Balken und vier Zwischenräumen. Aus Fig. - 3a geht deutlich
hervor, dass die Spannungen U1 und U2 gegenphasig arbeiten und dass das Verhältnis
der Spannungsspitzen, gerechnet von der Grundlinie, ca. 1:2 bis 1:3 beträgt.
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Die Spannungen U1 und U2, die im Bereich von 50mV bis 100mV liegen,
werden in nichtinvertierend gehaltenen O»erationsverstSrkern 121 u. 12(z.B. LM 324)
linear verstärkt, wobei gleichzeitig die Impedanz vergrössert wird. Beide Verstärker
haben den gleichen Verstärkungsfaktor, der zweckmässigerweise zwischen V = 10 bis
V = 20 liegt.
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Die Ausgänge der beiden Verstärker 121 und 122 sind mit den Eingängen
eines Differenzverstärkers 14 verbunden, der die Differenzspannung UAl = V (U2 -
U1) V = 10 bis V = 20 abgibt. Der Verstärker 14 ist beissielsweise vom gleichen
Typ wie die Verstärker 12 und 12 . Die Differenzspan 1 2 nunq UAl ist in Fig. 3b,
dargestellt.
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Diese Differenzspannung UAl wird einem SAMPLE-AND-HOLD-Schalter 16
zugeführt. Der Ausgang des SAMPLE-AND-HOLD-Schalters. 16 ist mit einem Kondensator
C und mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 18 verbunden. Gesteuert wird der
SAMPLE-AND-HOLD-Schalter 16 vom Ausgangssignal der Vorrichtung, das in Fig. 3d gezeigt
ist, und zwar derart, dass der SAMPLE-Zustand besteht, in dem die Differenzspannung
UA1 zum Kondensator C und zum Verstärker 18 durchgeschaltet wird, wenn das Ausgangssignal
den Zustand "Zwischenraum" wiedergibt, und dass der HOLD-Zustand besteht, in dem
der Schalter 16 sperrt und am Eingang des Verstärkers 18 die im Kondensator C gespeicherte
Spannung V' REF ansteht, wenn
das Ausgangssignal den Zustand "Balken"
wiedergibt.
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Auf diese Weise wird am Ausgang des Verstärkers 18 eine Referenzspannung
VREF erhalten, die aufgrund der Rückkopplung parallel zur Grundlinie des Verlaufes
der Differenzspannung UA1 bei allen Betriebsbedingungen verläuft, wie dies auch
in Fig. 3b, veranschaulicht ist, wo allerdings anstelle von VREF die Bezugsspannung
V' eingezeichnet ist,die vor- dem nicht REF invertierenden Operationsverstärker
18 mit dem Verstärkungsfaktor V = 2 ansteht.
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Die Differenzspannung UAi wird andererseits einem Differenzverstärker
(z.B. LM 324) zugeführt, an dessen anderem Differenzeingang die Bezugsspannung VREF
gelegt wird. An einen dritten Eingang, den Summiereingang, wird eine konstante Spannung
VK1 angelegt, die dazu dient, den unteren Teil der Differenzspannung UA1 abzuschneiden,
da dieser Teil für die Auswertung nicht nutzbar ist. Ausserdem erreicht man durch
die Einführung von VK1, dass die Ausgangsspannung UA2 aus dem Differenzverstärker
20 sicher das OV-Potential erreicht, wenn ein "Zwischenraum" erfasst wird.
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Folgende Bedingung erfüllt die Schaltung mit dem Differenzverstärker
20: UA2 = V (UAl - 1/2 (VREF + V Da weiter gilt: V = 2 x V REF REF kann man schreiben:
UA2 = V 1 UA1 - VREF - 1/2 VK1)
Die Ausgangs spannung U aus dem
Verstärker ist in A2 Fig. 3c, dargestellt.
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Die Ausgangsspannung UA2 kann nun ohne weiteres für eine digitale
Weiterverarbeitung aufbereitet werden.
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Hierfür dient ein nachgeschalteter Operationsverstärker 22 (z.B. Um
324) oder ein Spannungskomperator (z.B. CA 3290; nicht gezeigt), wobei es zweckmässig
ist, die Schaltung mit einer Hysterese zu versehen, Aufgrund des Verstärkers 22
mit Schmitt-Trigger erhält man schliesslich ein Ausgangssignal, wie es in Fig. 3d,
dargestellt ist. Dieses Ausgangssignal zeichnet sich dadurch aus, dass es steile
Flanken besitzt (Flankensteilheit 1 - 3 ßsec/VOlt) und dass die Pegel für die digitale
Verarbeitung geeignet sind (z.B. Hiah = vrr - 1,5 V Mj.nimum/Low = 0,5 V Maximum).
(Vcc das ist die Versorgungsspannunq, z.B. der Operationsverstärker.
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In Fia. 4 ist der Verlauf der Differenzspannunq UA1 dargestellt, wenn
man den Anstellwinkel der erfindungsgemässen Vorrichtung, die beispielsweise in
einem Lichtstift untergebracht ist zur Markierungsebene, ändert.
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In Teil a des Spannungsverlaufes wird die Ruhespannung VRa gemessen.
Wird nun der Anstellwinkel des Lichtstifes geändert, dann vergrössert sich z.B.
die Ruhespannung VR bis zum Wert VRc Gleichzeitig ändert sich das Nutzsignal VNa
und nimmt den Wert VNc an. Wird nun die Beleuchtungsstärke des Lichtsenders vergrössert,
indem der Strom 1LED vergrössert wird, so kann trotz geändertem Anstellwinkels des
Lichtstifes VRc zur Deckung mit V Ra und VNc zur Deckung VNa gebracht wer-Nc den
<VRc = VRa und VNc = VNa), so dass dann die Spannung UAl im Bereich b und c wieder
den gestrichelten Verlauf annehmen.
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Die Schaltung, mit der die obenstehende Regelung der Beleuchtungsstärke
vorgenommen werden kann, ist in Fig. 1b, gezeigt.
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Die Schaltung umfasst einen Operationsverstärker 24 ( z.B. LM 324),
der als Spannungskomperator geschaltet ist und an seinen Eingängen die Bezugsspannung
VREF aus-dem Verstärker 18 (Fig. 1a,) sowie eine konstante Spannung VK2 empfängt.
Der Ausgang des Verstärkers 22 ist mit der Basis eines Transistors T verbunden,
der in Reihe mit dem Lichtsender LED liegt, durch den der Strom ILED fliesst. Der
Strom 1LED wird so eingerichtet, dass VREF = VK2, was bedeutet, dass bei Änderung
des Anstellwinkels des Lichtstiftes und damit verursachter Änderung der Bezugsspannung
VREF die Beleuchtungsstärke entsprechend geändert wird, so dass VREF wieder VK2
wird. Der Strom ILED darf nur bis zu einem gewissen Wert vergrössert werden, da
ein beliebig grosser Strom den Lichtsender zerstören würde. Deshalb wird nach einem
Widerstand R die Spannung VLED, wie gezeigt, abgefragt, wobei VLED = +U - R x ILED
Da die Grössen +U und R bekannt sind, kann die Spannung VLED vorausberechnet werden,
die bei ILED max vor dem Lichtsender ansteht.
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Ein JA/NEIN-Schalter 26, der von einem als Spannungskomperator geschalteten
Operationsverstärker (z.B.
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LM 324) gebildet wird, ist vorgesehen, an dem zum einen VLED und zum
anderen ein vorgegebener Grenzwert VK3 gelegt wird. Überschreitet VLED den Grenzwert
V so schaltet der Ausgang des Verstärkers 26 von JA auf
NEIN um
und stellt einen Generator für VK2 so ein, dass der Strom ILED ( ILED wird.
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Im übrigen kann das NEIN-Signal am Ausgang des Verstärkers 26 weiter
ausgewertet werden.
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Da das NEIN-Signal am Ausgang des Verstärkers 26 nur eine kurze Zeitspanne
ansteht, empfiehlt es sich, das NEIN-Signal in einem Flip-Flop zu speichern.
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