DE2920891A1

DE2920891A1 - Optisches potentiometer

Info

Publication number: DE2920891A1
Application number: DE19792920891
Authority: DE
Inventors: Eugene T Swensen
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1979-11-29
Also published as: US4284885A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Potentiometer nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Veränderliche Widerstände werden in großem Umfang benutzt, um beispielsweise in elektrischen Schaltkreisen bestimmte Einstellungen vorzunehmen und Sollwerte vorzugeben. Beispielsweise werden veränderliche Widerstände bei der Steuerung von Motorgeschwindigkeiten und der Lichtintensität, für Abgleich- und Kompensationszwecke in elektrischen Geräten und für die Sollwerteinstellung in elektrischen Regelschaltkreisen benutzt. Derartige veränderliche Widerstände umfassen im allgemeinen ein festes Widerstandselement und einen verschiebbaren Abgriff, der sich in mechanischem Kontakt mit dem Festwiderstand befindet und über den Widerstand schleift, um eine variable Ausgangsspannung vorzugeben, die zwischen den Spannungen liegt, an die der Widerstand angeschlossen ist.

In derartigen Einrichtungen muß ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Abgriff und dem festen Widerstand aufrechterhalten werden, um eine Verminderung der durch den Abgriff gelieferten Ausgangsspannung zu verhindern. Die sich aus der Bewegung des Abgriffes ergebende Reibung des Abgriffarmes auf dem festen Widerstand führt zu einer Abnutzung der Kontaktstelle zwischen dem Abgriffarm und dem festen Widerstand, so daß die Kontaktstelle geschwächt wird, was schließlich zu einer Schaltkreisunterbrechung führen kann. Darüber hinaus hat diese Abnutzung und jegliche Oxydation hinsichtlich der Kontaktstelle zur Folge, daß ein unerwünschter elektrischer Rauschpegel erzeugt werden kann.

Um diese Probleme bei einem direkten elektrischen Kontakt zwischen dem Abgriffarm und dem festen Widerstand zu vermeiden c wurde im Stand der Technik auf optische Potentiometer zurückgegriffen. Bekannte optische Potentiometer kopieren jedoch die gleiche Betriebscharakteristik der Potentiometer vom

909848/0829

2820891

Widerstandstyp, und diese sind daher mit den gleichen Unzulänglichkeiten behaftet. Insbesondere verändert sich bei Potentiometern vom Widerstandstyp der Widerstand zwischen dem Abgriffarm und den beiden Enden des Potentiometers, wenn der Abgriffarm über den festen Widerstand wandert, obgleich der Gesamtwiderstand fest bleibt. In gleicher Weise werden bei bekannten optischen Potentiometern die Widerstände der Photozellen gleichzeitig und umgekehrt verändert, wenn die Steuerscheibe in irgendeine Richtung bewegt wird. Derartige Einrichtungen können für viele Anwendungsfälle zweckmäßig sein, aber es gibt Anwendungsfälle, in denen es wünschenswert ist, daß nur eine Photozelle zum gleichen Zeitpunkt Licht empfängt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Potentiometer der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine von der üblichen Charakteristik abweichende Charakteristik erzielt wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in,, den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Gehäuses mit Steuerhandgriff, das das erfindungsgemäße optische Potentiometer aufnimmt;

Fig. 2 eine seitliche Ansicht des Gehäuses gemäß Fig. 1;

Fig. 3 den Steuerhandgriff, der mit der Scheibe verbunden ist, welche die Fenster mit veränderlicher Lichtdurchlässigkeit trägt;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Unterteil des Gehäuses gemäß den Figuren 1 und 2;

Fig. 5 die Scheibe, in der die Fenster mit veränderlicher LichtcUirchlä:5sigkeit angeordnet sind;

9 09848/0829

Fig. 6 die Zuordnung zwischen den Fenstern, den Lichtquellen und den Lichtempfangseinrichtungen;

Fig. 7 die zwischen der Lichtquelle und einer der Lichtempfangseinrichtungen angeordnete Scheibe;

Fig. 8 den Schaltkreis zur Bildung eines Differential-Ausgangssignales auf Grund der Erregung der Lichtempfangseinrichtungen ;

Fig. 9 das Ausgangssignal des Schaltkreises gemäß Fig. bei einer Bewegung des Steuerhandgriffes; und

Fig.10 das Ausgangssignal des Schaltkreises gemäß Fig. bei einer Bewegung des Steuerhandgriffes für eine andere Abstufung der Fenstertransparenz.

Die Steuereinheit 10 umfaßt eine dreiteilige Anordnung, welche aus einem Handgriff 11 für eine Bedienungsperson, einem Gehäuse

12 für den optischen Teil und einem Gehäuse 13 für den elektronischen Teil besteht. Der Handgriff 11 ist schwenkbar mit dem Gehäuse 12 in einer geeigneten Weise, wie in Fig. 3 dargestellt, verbunden, wobei sich eine Welle 14 in das Gehäuse 12 zwecks Drehbewegung der Scheibe 15 erstreckt. Die Scheibe 15 kann hierbei beispielsweise mit der Welle 14 durch einen Gewindebolzen 16 verbunden sein. An dem Gehäuse 12 sind Anschläge 17 und 17' angeformt, um die Rotationsbewegung des Handgriffes in jeder Richtung zu begrenzen. Das Gehäuse 12 kann mit dem Gehäuse 13 durch Schrauben 18 verbunden sein, und das Gehäuse

13 besitzt Flanschteile 22, wobei über Bohrungen in diesen Flanschteilen die Steuereinrichtung 10 mit irgendeiner anderen Anordnung verbunden werden kann.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 8 kann auf einer gedruckten Schaltungsplatine angeordnet sein und in das Gehäuse 13 eingesetzt werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Insbesondere kann die gedruckte Schaltungsplatine 23 in dem unteren Teil 13 des Gehäuses durch Abstandsstücke 24 gelagert sein, durch welche die Schaltungsplatine 23 elektrisch von der Kante 25 des Gehäuses 13 isoliert wird. Die gedruckte Schaltungsplatine 23 wird somit stationär in dem Gehäuse 13 gehalten, während die Scheibe 15 durch den Handgriff 11 in Bezug auf die gedruckte Schaltungsplatine 23 gedreht wird.

909848/0829

Die Zuordnung zwischen gedruckter Schaltungsplatine 23 und Scheibe 15 ist am besten aus Fig. 7 ersichtlich= Die Lichtquelle umfaßt zwei Glühlampen, die auch durch Licht emitierende Dioden ersetzt werden können. Die Glühlampen werden von einer Platine 31 getragen, wobei das Licht über entsprechende Löcher 32 in der Platine 31 hindurchtreten kann. Eine Glühlampe 31 ist in Fig. 7 dargestellt, welche einem Loch 32 in der Platine 31 zugeordnet ist. Die andere Glühlampe 34 besitzt ein entsprechendes Loch 32 in der Platine 31. Die Platine 31 wird durch ein Abstandsstück 35 im Abstand von der gedruckten Schaltungsplatine 23 gehalten. Die gedruckte Schaltungsplatine 23 trägt beide Lichtempfangseinrichtungen 36 und 37, die aus Phototransistoren bestehen können. Nur einer der Phototransistoren 36 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei dieser von der gedruckten Schaltungsplatine 23 getragen wird und das Licht über ein Loch 38 in der Platine 23 zugeführt erhält. Dem Phototransistor 3 7 ist ein entsprechendes Loch in der gedruckten Schaltungsplatine 23 für die Zuführung von Licht von einer entsprechenden Lichtquelle 34 zugeordnet. Die Scheibe wird zwischen der gedruckten Schaltungsplatine 23 und der Platine 31 gedreht, um den Lichtbetrag zu steuern, der auf die Phototransistoren 36 und 37 von den zugeordneten Lichtquellen 33 und 34 auftrifft.

Die Scheibe 15 ist in näheren Einzelheiten in Fig. 5 dargestellt und umfaßt ein erstes Fenster 41 und ein zweites Fenster 4 2 für die Steuerung des durch die Lichtquellen 33 und 34 gelieferten Lichtbetrages, der von den entsprechenden Phototransistoren 36 und 37 aufgenommen wird. Gemäß Fig. 5 ist das dem Fenster 4 2 benachbarte Ende 43 des Fensters 41 weniger lichtdurchlässig als das andere Ende 44. Das heißt, das Fenster 31 wird mit Annäherung an das Ende 44 zunehmend transparenter. Der Gradient der Transparenz kann eingestellt werden, um jedes gewünschte Ergebnis, wie beispielsweise eine Sinus- oder Kosinusfunktion zu erzielen. Der Gradient kann

909848/0829

ebenfalls linear verlaufen. In gleicher Weise ist das dem Ende 43 des Fensters 41 gegenüberliegende Ende 4 5 des Fensters 42 lichtundurchlässiger als das Ende 46, wobei die Transparenz des Fensters von dem Ende 45 zu dem Ende 46 zunimmt.

Der Abstand zwischen den Fenstern 41 und 4 2 und die Lage eines jeden Photopaares 33-36 und 34-37 im Hinblick auf die zugeordneten Fenster 41 und 42 kann eingestellt werden, um jede gewünschte Verweildauer zwischen den Zeiten zu erhalten, in denen die Phototransistoren 36 und 37 Licht empfangen. Insbesondere wird bei einer Bewegung der Scheibe 15 im Uhrzeigersinn aus ihrer Mittelstellung heraus das Fenster 41 zwischen die Lichtquelle 33 und den Empfänger 36 bewegt, um die Aussteuerung des Phototransistors 3 6 zu steuern. Während dieser Zeit erhält der Phototransistor 37 kein Licht von der Lichtquelle 34 zugeführt. Wenn andererseits die Scheibe 15 im Gegenuhrzeigersinn aus ihrer Mittellage herausbewegt wird, so steuert das Fenster 42 den von dem Phototransistor 37 empfangenen Lichtbetrag während der Phototransistor 36 kein Licht zugeführt erhält. Beispielsweise kann die Beziehung zwischen dem Abstand der Fenster 41 und 4 2 und den zugeordneten optischen Elementen so eingestellt werden, daß ein Verhalten gemäß Fig. 9 erzielt wird. Der Teil A der dargestellten Kurve repräsentiert die Aussteuerung des Phototransistors 36, und der Teil B der Kurve repräsentiert die Aussteuerung des Phototransistors 37. Der Schaltkreis gemäß Fig. 8 liefert das Ansprechverhalten gemäß Fig. 9, und die Verweildauer C, während der weder der Phototransistor 36 noch der Phototransistor 37 ausgesteuert ist, wird durch Auswahl der zuvor erwähnten Abstände bestimmt.

Der Schaltkreis ist in Fig. 8 dargestellt und umfaßt Eingangsklemmen 51 und 52, die an eine geeignete Spannungsquelle, wie beispielsweise die 12-Volt-Batterie eines Fahrzeuges, angeschlossen sind, wobei die Steuereinrichtung 10 bei einem

909848/0829

solchen Fahrzeug benutzt wird. Die Eingangsklemme 51 ist über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 53 und einen Widerstand 54 mit dem einen Anschluß einer Zenerdiode 55 verbunden, deren anderer Anschluß an die Klemme 52 angeschlossen ist. Ein Kondensator 56 ist der Zenerdiode 55 parallelgeschaltet. Die Zenerdiode 55 bildet eine geregelte Spannung auf der Leitung 57, die den optischen Schaltkreis in der dargestellten Weise speist. Parallel zu der Zenerdiode 55 ist ein Serienschaltkreis geschaltet, der ein Potentiometer 58, einen Widerstand 59 und die Kollektor/ Emitterstrecke des Phototransistors 37 aufweist. Ferner ist der Zenerdiode 55 eine Serienschaltung parallelgeschaltet/ die ein Potentiometer 61, einen Widerstand 62 und die Kollektor/ Emitterstrecke des Phototransistors 36 aufweist. Schließlich ist der Zenerdiode 55 ein Widerstand 63. in Reihe zu der Parallelanordnung der Lichtquellen 33 und 34 parallelgeschaltet.

Der Kollektor des Phototransistors 36 ist über einen Widerstand 64 mit dem negativen Eingangsanschluß eines Verstärkers 65 verbunden und ferner über einen Widerstand 66 an den positiven Eingangsanschluß eines Verstärkers 67 angeschlossen. Der Kollektor des Phototransistors 37 ist über einen Widerstand 68 mit dem positiven Eingangsanschluß des Verstärkers 65 verbunden und über einen Widerstand 69 an den negativen Eingangsanschluß des Verstärkers 67 angeschlossen. Ein Kondensator ist zwischen die positiven und negativen Eingangsanschlüsse des Verstärkers 65 geschaltet, und ein Kondensator 72 verbindet die positiven und negativen Eingangsanschlüsse des Verstärkers 67. Zwischen den negativen Eingangsanschluß des Verstärkers und dessen Ausgangsanschluß 73 ist ein Schaltkreis geschaltet, der aus einem Kondensator 75 parallel zu einem Widerstand und parallel zu der Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Temperatur-Kompensationswiderstand 78 besteht. Zwischen den negativen Eingangsanschluß des Verstärkers und dessen Ausgangsanschluß 74 ist die Parallelschaltung eines Kondensators 81 und eines Widerstandes 82 geschaltet.

909848/0829

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung dient der Bildung eines Differential-Ausgangssignales zwischen den Anschlußklemmen 73 und 74. Wenn die Scheibe 15 sich in ihrer Mittelstellung befindet, so daß weder der Phototransistor 36 noch der Phototransistor 37 Licht von den zugeordneten Lichtquellen 33 und 34 empfängt, so ist die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlußklemmen 73 und 74 im wesentlichen gleich Null. Wenn die Scheibe 15 im Uhrzeigersinn bewegt wird, so beginnt das Licht von der Lichtquelle 33 auf dem Phototransistor 36 aufzutreffen, wodurch das Potential an seinem Kollektor herabgemindert wird. Der Verstärker 65 kehrt dieses abfallende Potential in ein anwachsendes Potential an der Anschlußklemme 73 um, während die Anschlußklemme 74 ein abnehmendes Potential von dem Verstärker 67 zugeführt erhält. Dies entspricht dem Abschnitt A der in Fig. 9 dargestellten Kurve. Wenn die Scheibe 15 in der anderen Richtung aus ihrer Mittelstellung herausbewegt wird, so beginnt der Phototransistor 3 7 Licht von der Lichtquelle 34 zu empfangen und gerät in den stromführenden Zustand. Wenn der Phototransistor 37 Strom zu führen beginnt, so wird das Potential an seinem Kollektor heruntergezogen, was zu einem abnehmenden Potential an der Anschlußklemme 73 und zu einem ansteigenden Potential an der Anschlußklemme 74 führt und dem Abschnitt B der in Fig. 9 dargestellten Kurve entspricht. Der stromführende Zustand des Phototransistors 36 führt somit zu einer positiven Ausgangsspannung an den Anschlußklemmen 73 und 74, und der stromführende Zustand des Phototransistors 37 führt zu einer negativen Ausgangsspannung an den Anschlußklemmen 73 und 74. Der Abschnitt C entspricht dem Bewegungsbereich der Scheibe, in welchem keiner der Phototransistoren Licht über die entsprechenden Fenster 41 und 4 2 zugeführt erhält.

909848/0829

Die Fenster 41 und 4 2 können hinsichtlich ihrer Lichtdurchlässigkeit irgendein gewünschtes Profil aufweisen. Wenn die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung benutzt wird, um bestimmte Motoren oder Ventile zu steuern, die vor ihrem Betriebsbeginn einen bestimmten Schwellwertstrom erfordern, so ist ein Lichtdurchlässigkeitsprofil hinsichtlich dieser Fenster wünschenswert, bei dem der Schwellwertstrom für den Motor bzw. das Ventil sehr rasch bei einer Schwenkbewegung des Steuerhandgriffes erreicht wird. Beispielsweise kann ein Ausgangssignalverlauf durch das Fenster vorgegeben werden, wie er in Fig. 10 dargestellt ist. Zur Erzielung dieser Kurve weist das Fenster zunächst einen lichtundurchlässigen Bereich auf, über welchem die Fotozellen 36 und 37 kein Ausgangssignal liefern. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenverlauf A in Fig.10. Das Fenster besitzt sodann daran anschließend einen Bereich, in dem die Lichtdurchlässigkeit sich sehr schnell ändert. Diesem Bereich ist der Kurventeil B in der Kurve gemäß Fig. zugeordnet. Ein weiterer sich anschließender Bereich des Fensters besitzt eine sich allmählich verändernde Lichtdurchlässigkeit, was dem Kurventeil C in der Kurve gemäß Fig. 10 entspricht. Der sich schließlich noch anschließende Bereich des Fensters besitzt wiederum eine sich rasch ändernde Lichtdurchlässigkeit, was dem Kurvenverlauf D in Fig. 10 entspricht. Anschließend ist das Fenster vollständig durchsichtig, so daß jegliche Änderung in dem Ansprechverhalten der Fotozellen beendet wird.

Das auf diese Weise in seiner Lichtdurchlässigkeit abgestufte Fenster kann auf einer transparenten Scheibe angeordnet werden, die zwischen zwei Hälften der Scheibe 15 so angeordnet wird, daß in den Schlitzen jeder Scheibe die abgestufte Lichtdurchlässigkeit auftritt.

Bestimmte Variationen können vorgenommen werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können die Fenster 41 und 4 2 auf zwei getrennten Scheiben bei einer

909848/0829

Lichtquelle zwischen den Scheiben angeordnet sein. Die Phototransistoren sind in dem Fall auf der Außenseite der Fenster angeordnet. In einer Abwandlung können die Fenster 41 und 42, wie sie in Fig.. 5 dargestellt sind, weiter ausgedehnt werden, um sich mit den beiden Enden zu berühren, wobei ein besonders lichtundurchlässiger Teil das Fenster zwischen den Punkten 43 und 45 ausfüllt, um die Kurvenform gemäß Fig. 9 zu erzielen.

909848/0820 original inspected

Claims

2820831

HONEYWELL INC. . 21. Mai 1979

Honeywell Plaza 1007445 Ge

Minneapolis, Minn., USA

Optisches Potentiometer

Patentansprüche:

/ 1.1 Optisches Potentiometer, gekennzeichnet ^- ^y durch:

Erste und zweite Fenster (41,42) mit veränderlicher Lichtdurchlässigkeit;

Lichtquellen (33,34) zur Lichtzuführung auf einer Seite der Fenster;

eine erste Lichtempfangseinrichtung (36) auf der anderen Seite der Fenster für den Empfang von durch das erste Fenster (41) hindurchtretendem Licht und eine zweite Lichtempfangseinrichtung (37) auf der anderen Seite der Fenster für den Empfang von durch das zweite Fenster (42) hindurchtretendem Licht, wobei die ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen so angeordnet sind, daß zu einem vorgegebenen Zeitpunkt jeweils nur eine Lichtempfangseinrichtung Licht aufnimmt; und

Mittel zum Bewegen (11,14,15,16) der ersten und zweiten Fenster (41,42).

909848/0829
2. Optisches Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen (36,37) und die ersten und zweiten Fenster (41,42) so angeordnet sind, daß eine Verweilzeit (C) zwischen den Zeiten erzeugt wird, in denen die ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen Licht empfangen.
3. Optisches Potentiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Fenster (41,42) ein erstes (43,45) und ein zweites Ende (44,46) aufweist, wobei die Transparenz eines jeden Fensters von dem ersten zu dem zweiten Ende zunimmt.
4. Optisches Potentiometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Fenster (41,42) in einer Scheibe (15) angeordnet sind, die bei ihrer Rotation zunächst einen Lichtdurchtritt durch das erste Ende des ersten bzw. zweiten Fensters gestattet.
5. Optisches Potentiometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Fenster (41,42) entsprechend ,der Kontur der Scheibe (15) gebogen sind und den gleichen Biegungsradius aufweisen.
6. Optisches Potentiometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheibe (15) mit einem Handgriff (11) verbunden ist.
7. Optisches Potentiometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen jeweils aus Phototransistoren (36,37) bestehen.
8. Optisches Potentiometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Phototransistoren (36,37) mit einem Schaltkreis (51-74) verbunden sind, um

909846/0829

ein Differential-Ausgangssignal auf Grund der Speisung des ersten und zweiten Phototransistors zu bilden.
9. Optisches Potentiometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis erste und zweite an die Phototransistoren (36,37) angeschlossene Verstärker (65,67) aufweist, die ein positives Ausgangssignal liefern, wenn der erste Phototransistor (36) Licht empfängt und die ein negatives Ausgangssignal liefern, wenn der zweite Phototransistor (37) Licht empfängt.
10. Optisches Potentiometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine abgestufte Lichtdurchlässigkeit der Fenster (41,42).
11. Optisches Potentiometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten lichtdurchlässigen Fenster (41,42) jeweils einen ersten Teil mit einer sich rasch ändernden Lichtdurchlässigkeit und einen zweiten Teil mit einer sich allmählich ändernden Lichtdurchlässigkeit aufweisen, so daß die ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen (36,37) während des ersten Teiles sich rasch ändernde Ausgangssignale und während des zweiten. Teiles sich allmählich ändernde Ausgangssignale bilden (Fig. 10).

909848/0829