DE1283714B - Device for converting modulated light by photoelectric components with simultaneous exposure to interference light - Google Patents
Device for converting modulated light by photoelectric components with simultaneous exposure to interference lightInfo
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Description
Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente bei gleichzeitiger Störlichteinwirkung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente mit pn-übergängen bei gleichzeitiger intensiver Störlichteinwirkung.Device for converting modulated light by photoelectric Components with simultaneous exposure to stray light The invention relates to a device for converting modulated light through photoelectric components with pn junctions with simultaneous intense exposure to stray light.
Die Vorrichtung, der eingangs näher bezeichneten Gattung dient zum Empfang von Lichtsignalen, wobei die zur Umwandlung der Lichtenergie verwendeten elektronischen Schaltungen fotoelektronische Bauelemente mit pn-übergängen, beispielsweise Silizium-Fotoelemente oder Germanium-Fotodioden, enthalten. Die Vorrichtung hat den Zweck, die fotoelektrische Umwandlung verhältnismäßig schwacher Empfangssignale zu verbessern, wenn gleichzeitig intensive Störstrahlungen, z. B. Sonnenlicht, auf die fotoelektrischen Wandler fällt.The device, of the type specified at the outset, is used for Reception of light signals, the ones used to convert the light energy electronic circuits photoelectronic components with pn junctions, for example Silicon photo elements or germanium photo diodes included. The device has the purpose of the photoelectric conversion of relatively weak received signals to improve if at the same time intense interference radiation, z. B. sunlight on the photoelectric converter falls.
In bekannten Schaltungen werden fotoelektrische Wandler der genannten Art als Fotoelemente ohne Fremdspannung oder als Fotodioden mit einer Vorspannung in Sperrichtung verwendet. Die Vorspannung wird in diesen Schaltungen über einen Vorwiderstand von einer Spannungsquelle erzeugt und ändert sich entsprechend dem Ohmschen Gesetz mit dem Strom. Fällt Licht mit für diese Wandler wirksamen Spektralanteilen auf den Bereich des pn-Übergangs, so entstehen Ladungsträger in einer zu den absorbierten Photonen proportionalen Anzahl. Durch das innere Feld im Bereich des pn-übergangs werden die Ladungsträger entsprechend ihrer Polarität getrennt und erzeugen zwischen den äußeren Anschlüssen eine Spannung. Diese ist jedoch nicht proportional der Anzahl der in der Zeiteinheit erzeugten Ladungsträger und damit der Beleuchtungsstärke, da mit der Konzentration der Ladungsträger die Zahl der Rekombinationen stark anwächst. Die rekombinierten Ladungsträger tragen aber zu der durch Umwandlung gewonnenen elektrischen Energie nicht bei. Während bei Fotoelementen die durch Änderung der wirksamen Lichtleistung hervorgerufene Spannungsänderung ausgenutzt wird, ist es bei vorgespannten Fotodioden im wesentlichen die der Lichtleistung proportionale Änderung des Sättigungsstromes. Beide Betriebsarten haben jedoch den Nachteil, daß sich verhältnismäßig schwache Lichtsignale bei gleichzeitiger Beleuchtung der fotoelektrischen Wandler mit intensivem Störlicht nicht mehr mit ausreichendem Wirkungsgrad umwandeln lassen. Fotoelemente ohne Vorspannung weisen diesen Nachteil bereits bei kleineren Beleuchtungsstärken auf als vorgespannte Fotodioden.In known circuits, photoelectric converters of the aforementioned Art as photo elements without external voltage or as photo diodes with a bias used in reverse direction. The bias is in these circuits via a Series resistance generated by a voltage source and changes accordingly Ohm's law with the current. If light falls with spectral components that are effective for these converters on the area of the pn junction, charge carriers arise in one of the absorbed Photons proportional number. Through the inner field in the area of the pn junction the charge carriers are separated according to their polarity and generate between the external connections a voltage. However, this is not proportional to the number the charge carriers generated in the unit of time and thus the illuminance, because the number of recombinations increases sharply with the concentration of the charge carriers. The recombined charge carriers, however, contribute to the one obtained by conversion electrical energy is not included. While with photo elements the change of the The voltage change caused by effective light output is exploited in the case of pre-stressed photodiodes, essentially that which is proportional to the light output Change of the saturation current. However, both modes of operation have the disadvantage that relatively weak light signals with simultaneous illumination of the photoelectric No longer convert converters with intense stray light with sufficient efficiency permit. Photo elements without bias have this disadvantage even with smaller ones Illuminance levels as biased photodiodes.
Um den Bereich der für die Umwandlung schwacher Lichtsignale noch unschädlichen Beleuchtungsstärke des Störlichts zu erweitern, ist in bekannten Schaltungen parallel zum Fotoelement gelegentlich eine Spule oder ein Parallel-Schwingkreis geschaltet. Diese Schaltungsart verringert den informationslosen Anteil der Spannung durch Abbau des konstanten Anteils der Ladungsträgerkonzentration, so daß nur ein kleinerer Teil der vom Signallicht erzeugten Träger durch Rekombination verlorengeht. Die Wirksamkeit derartiger Schaltungen hängt wesentlich von der Güte des Kurzschlusses für Gleichstrom, d. h. vom Wirkwiderstand des parallelgeschalteten Zweiges ab.In order to expand the range of the illuminance of the stray light, which is still harmless for the conversion of weak light signals, a coil or a parallel resonant circuit is occasionally connected in parallel to the photo element in known circuits. This type of circuit reduces the information-free portion of the voltage by reducing the constant portion of the charge carrier concentration, so that only a smaller part of the carriers generated by the signal light is lost through recombination. The effectiveness of such circuits depends essentially on the quality of the short circuit for direct current, i. H. on the effective resistance of the branch connected in parallel.
Bei der vorgespannten Fotodiode macht sich eine erhöhte Trägerrekombination erst bemerkbar, wenn mit zunehmender Leichtleistung der Strom und damit die Spannung an den Außenwiderständen derart anwächst, daß die an den Wandlerklemmen entsprechend absinkende Vorspannung von der fotoelektrisch erzeugten Spannung in ihrer Polarität umgekehrt wird. In diesem Fall kann der Strom seinen Sättigungswert nicht mehr erreichen und kann sich dann wegen der erhöhten Rekombination auch nicht mehr proportional der Signallichtleistung ändern.In the case of the biased photodiode, there is an increased carrier recombination only noticeable when, with increasing light output, the current and thus the voltage at the external resistances increases in such a way that that at the converter terminals decreasing bias of the photoelectrically generated voltage in its polarity is reversed. In this case the current can no longer reach its saturation value and then, because of the increased recombination, it can no longer be proportional change the signal light output.
Zweck der Erfindung ist es, den Empfang schwacher Lichtsignale auch dann zu ermöglichen, wenn intensives Störlicht, z. B. Sonnenlicht auf die fotoelektrischen Wandler fällt und mit den beschriebenen, als bekannt vorausgesetzten Schaltungen kein Signal mehr erkannt werden kann.The purpose of the invention is to also receive weak light signals then to enable when intense interfering light, z. B. Sunlight on the photoelectric Converter falls and with the described, assumed to be known circuits no more signal can be recognized.
Nach den angegebenen Ursachen für die Mängel der bekannten Schaltungen liegt der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, die vom einfallenden Licht im Bereich der pn-Übergänge entstehenden Ladungsträger auch bei Anfall großer Trägermengen so schnell für den äußeren Strom nutzbar zu machen, daß nur ein unwesentlicher Teil durch Rekombination verlorengeht.According to the reasons given for the defects of the known circuits the invention is therefore based on the object of the incident light in the area of the pn junctions generated charge carriers even when large amounts of carriers occur to make it usable for the external current so quickly that only a insignificant part is lost through recombination.
Bei der Lösung der Aufgabe wird von der bekannten Feststellung Gebrauch gemacht, daß sich der Sättigungsstrom oder der nahezu gleich große Kurzschlußstrom eines fotoelektrischen Wandlers der in Betracht kommenden Art auch bei großen Werten proportional der für den Wandler wirksamen Lichtleistung verhält. Bei Strömen in dieser Größe tritt also der verstärkte Anstieg der Ladungsträgerkonzentration und der damit verbundene unerwünschte Rekombinationseffekt nicht auf.In solving the problem, use is made of the known statement made that the saturation current or the almost equally large short-circuit current a photoelectric converter of the type under consideration even with large values behaves proportionally to the light output effective for the converter. With currents in the increased increase in the charge carrier concentration occurs with this size the associated undesirable recombination effect does not arise.
Das äußere Kennzeichen für den Kurzschlußstrom ist das Verschwinden der Klemmenspannung am Wandler, für Ströme bis zu dem etwas größeren Sättigungswert eine in Sperrichtung liegende Klemmenspannung, die wegen der auftretenden Verlustwärme möglichst klein sein sollte.The external characteristic of the short-circuit current is its disappearance the terminal voltage at the converter, for currents up to the slightly higher saturation value a terminal voltage lying in the reverse direction, which is due to the heat loss that occurs should be as small as possible.
Erfindungsgemäß werden daher die zum Empfang schwacher Lichtsignale bei großer Störlichtleistung dienenden Schaltungen derart ausgelegt, daß die durch das einfallende Licht erzeugte Klemmenspannung der fotoelektronischen Bauelemente oder ihr zeitlicher Mittelwert durch eine von dieser Klemmenspannung gesteuerte Fremdspannungsquelle selbsttätig zumindest annäherungsweise auf Null oder Werte entgegengesetzter Polarität geregelt wird.According to the invention, therefore, those for receiving weak light signals with large stray light serving circuits designed in such a way that the through the incident light generates the terminal voltage of the photoelectronic components or its mean value over time by a voltage controlled by this terminal External voltage source automatically at least approximately to zero or values opposite polarity is regulated.
Der wesentliche Unterschied gegenüber den bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß die Klemmenspannung an den fotoelektrischen Wandler unabhängig vom Strom selbsttätig auf bestimmte Werte eingeregelt wird und sich daher auch bei starker Beleuchtung der der wirksamen Lichtleistung proportionale Kurzschluß- bzw. Sättigungsstrom einstellen kann.The main difference compared to the known devices is that the terminal voltage on the photoelectric converter is independent is automatically regulated by the electricity to certain values and therefore also with strong lighting, the short-circuit or short circuit proportional to the effective light output Can adjust saturation current.
Je nach Trägheit der Regelung läßt sich die zu verstärkende Signalleistung entweder unmittelbar am fotoelektrischen Wandler oder an einem im Regelkreis liegenden Festwiderstand abnehmen.The signal power to be amplified can be adjusted depending on the inertia of the regulation either directly on the photoelectric converter or on one in the control loop Decrease the fixed resistance.
Die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Verstärker für die Klemmenspannung des fotoclektrischen Wandlers, einer Gleichspannungsquelle und einigen Schaltelementen, die, von der verstärkten Klemmenspannung gesteuert, mit Hilfe der Gleichspannungsquell,e den Strom durch den Wandler bis zu seinem Kurzschluß- oder Sättigungswert erhöhen.The circuit arrangement of the device according to the invention exists essentially from an amplifier for the terminal voltage of the photo-electric Converter, a DC voltage source and some switching elements that, from the amplified terminal voltage controlled, with the help of the DC voltage source, e the Increase the current through the converter to its short-circuit or saturation value.
Eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sieht einen aus fotoelektrischem Wandler, Gleichspannungsquelle, Festwiderstand und Fotowiderstand gebildeten Schaltkreis vor, dessen Strom durch einen von der Klemmenspannung des Wandlers abhängigen Strahler fotoelektrisch gesteuert wird.Another circuit arrangement according to the invention looks a photoelectric converter, DC voltage source, fixed resistor and photoresistor formed circuit, whose current flows through one of the terminal voltage of the Converter-dependent radiator is controlled photoelectrically.
In einer Variante der letztgenannten Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß der fotoelektrische Wandler in die Emitterleitung eines Transistors geschaltet, dessen Basisspannung durch die verstärkte Klemmenspannung des Wandlers bestimmt wird.In a variant of the last-mentioned circuit arrangement is according to the invention the photoelectric converter is connected to the emitter line of a transistor, whose base voltage is determined by the increased terminal voltage of the converter will.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei sich die im Text angeführten Ziffern auf die entsprechend gekennzeichneten Stellen in den F i g. 1 bis 3 beziehen, die prinzipielle Schaltungsanordnungen mit elektronischer oder fotoelektronischer Regelung zeigen. - Regelt beispielsweise eine trägheitsarme Regeleinrichtun- 11 die am Fotoelement 3 auftretende, von Signallicht 1 und Störlicht 2 herrührende Klemmenspannung 9 auf nahezu Null (F i g. 1), so entsteht durch den hierfür erforderlichen Strom I am Widerstand 8 eine dem Strom proportionale Spannung, die sowohl den vom Störlicht wie auch vom Signallicht herrührenden Anteil enthält. Durch Selektion mit Hilfe des Kondensators 12 kann der Sianallichtanteil herausgesiebt und dem Verstärker 4 zugeführt werden.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments, the numbers cited in the text referring to the correspondingly marked positions in FIGS. 1 to 3 refer to the basic circuit arrangements with electronic or photo-electronic control. - Controls for example, a low-inertia Regeleinrichtun- 11 occurring at the photo element 3, signal light 1 and stray light 2 originating terminal voltage 9 (g F i. 1) to almost zero, so a proportional voltage is produced by the requisite current I at the resistor 8 which contains both the stray light and the signal light. By selection with the aid of the capacitor 12, the sianal light component can be filtered out and fed to the amplifier 4.
Das Signallicht 1 (F i g. 2) und das intensive Störlicht 2 treffen auf den fotoelektrischen Wandler 3 der für die Anwendbarkeit der Erfindung vorausgesetzten Art. Es tritt eine Klemmenspannung auf, die die Leistungsabgabe des Verstärkers 4 an den an seinem Ausgang liegenden Strahler 5 (Lampe, Lumineszenzdicke od. ä.) steuert. Der Strahler 5 beleuchtet den Fotowiderstand 6, der den von der Batterie 7 gelieferten Strom so aussteuert, daß am Wandler 3 nur eine kleine Restspannung bleibt.The signal light 1 (F i g. 2) and the intense disturbance light 2 meeting 3 of the prerequisite for the applicability of the invention type on the photoelectric converter. It occurs to a terminal voltage, the power output of the amplifier 4 to the lying at its output radiator 5 (Lamp, luminescence thickness or the like) controls. The radiator 5 illuminates the photoresistor 6, which controls the current supplied by the battery 7 in such a way that only a small residual voltage remains on the converter 3.
Die Signalspannung U, liegt je nach der Trägheit der Regelung am Widerstand 8, am Wandler 3 oder an den Klemmen 9. The signal voltage U, is applied to resistor 8, converter 3 or terminals 9 , depending on the inertia of the regulation.
Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 fallen das Signallicht 1 und das intensive Störlicht 2 auf den in der Emitterleitun- des Transistors 10 liegenden fotoelektrischen Wandler 3. Dessen Klemmenspannung wird über den Verstärker 4 auf die Basis des Transistors geleitet, vergrößert damit den Strom durch den Wandler und verkleinert dessen Klemmenspannung bis auf einen kleinen Restwert. Das Signal U, läßt sich am Widerstand 8 abgreifen.In the embodiment according to FIG. 3 , the signal light 1 and the intense interfering light 2 fall on the photoelectric converter 3 located in the emitter line of the transistor 10. Its terminal voltage is passed through the amplifier 4 to the base of the transistor, increasing the current through the converter and reducing its terminal voltage to to a small residual value. The signal U can be tapped at resistor 8.
Claims (3)
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|---|---|---|---|
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |