-
Photoelektrische Einrichtung zum Erzeugen eines einer
-
Nutzlichtänderung entsprechenden elektrischen Ausgangssignales Die
vorliegende Erfindung betrifft eine photoelektrische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Bei gewissen plasmaphysikalischen Experimenten werden kleine ne Kügelchen
aus gefrorenem Wasserstoff mittels eines fokussierten Laserstrahls hoher Leistung
beschossen Nan läßt dabei die Teilchen durch eine Lichtschranke, welche eine Lichtquelle
zum Erzeugen eines Lichtbundels und eine photoelektrische Einrichtung, die auf ntensitätsänderungen
des Lichtbündels anspricht, und einen photoelektrischen Wandler enthält, in den
Strahlengang des Lasers fallen. Der Laser wird durch das um eine geeignete Zeitspanne
verzögerte Ausgangssignal der photo elektrischen Einrichtung ausgelöst
In
der Praxis werden an die photoelektrische Einrichtung de Lichtschranke, die das
Teilchen beim Durchgang durch dar Lichtbündel erfaßt, sehr große Anforderungen gestellt.
D@ das Teilchen sehr klein ist, erhält man nur eine sehr kleine Helligkeitsänderung
am photoelektrischen Wandler, die noch das durch die unregelmäßige Gestalt der TeileheF
unterschiedlich ist. Ferner wird sehr viel Licht von dni; metallischen Wänden des
Vakuumgefäßes, in dem das Experiment durchgeführt wird, zum photoelektrischen Wandler
reflektiert. Dies bedeutet, daß die Helligkeitsänderung nicht nur absolut gesehen
klein ist sondern einen auch relativ kleinen Nutzlichtanteil des auf den photoelektrischen
Wandler fallenden Lichtsignales darstellt.
-
on der photoelektrischen Einrichtung wird also einerseits gefordert,
daß sie relativ kleine Helligkeitsänderungen definierte, vorzugsweise proportionale
elektrische Signale umwandeln soll und daß sie andererseits Lichtsignale vertragen
muß , deren sich ändernder Nutzlichtanteil sehr klein im Vergleich zu einem konstanten
oder sich im Vergleich zum Nutzlichtanteil nur langsam ändernden Störlicht anteil
sind. Anders ausgedrückt muß die photoelektrische in richtung einen sehr großen
Dynamikbereich aufweisen und ihre Empfindlichkeit darf durch den hohen Störlichtanteil
nicht beeintr chtigt werden z . durch Sattigungserscheinungen.
-
Photoelektrische Wandler, wie hochwertige Photodioden, die einen ausreichenden
Dynamikbereich aufweisen, stehen zur Verfügung, bei den elektronischen Schaltungsanordnungen
zur Verarbeitung der Diodensignale @reten jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf,
wenn ein großer Dynamikbereich gefordert wird
Es gibt im Prinzip
zwei Typen von Schaltungsanordnungen für die Verarbeitung der Diodensignaleo Bei
der einen Schaltungsanordnung ist die Photodiode in Reihe mit einem Arbeitswiderstand
zwischen die Klemmen einer Betriebsspannungsquelle geschaltet. Am Arbeitswiderstand
fällt eine dem Photostrom der Diode entsprechende Ausgangsspannung ab.
-
Am anderen Schaltungstyp ist die Photodiode zwischen die eine Klemme
einer Betriebsspannungsquelle und eine invertierende Eingangsklemme eines Differenzverstärkers
geschaltet, dessen nicht invertierende Eingangsklemme mit der anderen Klemme der
Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist
mit einer Ausgangsklemme und über einen Gegenkopplungswiderstand mit der Verbindung
zwischen der Photodiode und der invertierenden Eingangsklemme verbunden. Die Ausgangsspannung
ist proportional dem Gegenköpplungswiderstand.
-
Offensichtlich muß der Widerstandswert des Arbeits- bzw.
-
Gegenkopplungswiderstandes möglichst groß gemacht werden, wenn für
kleine Photoströme relativ große Ausgangssignale erzeugt werden sollen. Dies führt
jedoch bei hohen Licht intensitäten und damit hohen Photoströmen zu hohen Span nungsabfällen
an dem Widerstand der Schaltungsanordnung, die jedoch ihrerseits durch die zulässigen
Spannungen der Photodiode bzw. am Verstärker begrenzt sind. Der Widerstandswert
wird daher bei starkem Störlichtanteil im Lichtsignal auf entsprechend kleine Werte
beschränkt1 was entsprechend kleine Nutzsignale entsprechend den änderungen des
Nutzlichtanteiles des Lichtsignals zur Folge hat.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend dle Aufgabe zugrunde,
eine photoelektrische Einrichtung anzugeben,
die auch bei hoher
Intensität eines im Lichtsignal enthaltenden sich allenfalls nur relativ langsam
ändernden Störlichtanteil eine hohe Empfindlichkeit für im Vergleich zum Störl ichtanteil
wesentlich höherfrequenten Intensitätsänderungen des Nutzlichtanteils liefert.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete
photoele]ctrische Einrichtung gelöst.
-
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die photoelektrische Einrichtung gemäß der Erfindung enthält praktisch
eine Stromsenke, die parallel zum Arbeitswiderstand der Photodiode liegt. Die Stromsenke
hat einen sehr hohen dynamischen Innenwiderstand, dessen Wert in der Praxis wesentlich
höher als z.B. 2 Megohm sein kann, und sie wird so gesteuert, daß genau der überschüssige,
auf den Störlichtanteil zurückgehende Teil des Photostroms des photoelektrischen
Wandlers abgeführt wird, so daß er den Arbeitswiderstand nicht durchfließen muß.
Die Steuerung der Stromsenke erfolgt derart, z.B. über einen Tiefpaß, daß sie den
schnellen Stromänderungen des Nutzlichtanteiles im Lichtsignal nicht folgen kann.
Es werden daher nur der Gleichstromanteil und niederfrequente Anteile des Photostroms
ausgeregelt, die höherfrequenten Signalströme bleiben voll und unverzerrt erhalten.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Einrichtung stellen
eine photoelektrische Einrichtung dar, die den Nutzlichtanteil des Lichtsignals
in ein proportionales
elektrisches Signal umwandelt und die folgenden
wUnschanswerten Eigenschaften hat: Der Dynamikbereich ist gegenüber einer üblichen
bekannten Schaltung um mehrere Zehnerpotenzen, etwa den Faktor 103 vergrößert; die
Empfindlichkeit ist um den gleichen Faktor erhöht; die Einrichtung ist entsprechend
unempfindlich gegen niederfrequentes oder konstantes Störlicht; das Übertragungsverhalten
entspricht einem Bandpaß mit weitgehend frei wählbaren Grenzen. Ohne besonderen
Aufwand sind für das Nutzsignal eine untere Grenzfrequenz von 1 Hz und eine obere
Grenzfrequenz von etwa 1 MHz erreichbar Durch die Ausregelung des Gleichstromanteiles
und niederfrequenter Schwankungen des Photogleichstroms wird die Spannung am photoelektrischen
Wandler nahezu konstant Sie kann daher so gewählt werden, daß die für die jeweilige
Aufgabe kritischen Daten des photoelektrischen Wandlers optimiert werden, z.B. Dunkelstrom,
dynamische Kapazität, Spannungsfestigkeit und dgl.
-
Die photoelektrische Einrichtung gemäß der Erfindung läßt sich selbstverständlich
auch für andere Zwecke als die eingangs erwähnten plasmaphysikalischen Apparaturen
einsetzen, wo ein Nutzlichtanteil zu erfassen ist, der durch gleichbleibendes oder
langsam veränderliches Licht über lagert ist.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist schließlich auch einfach im
Aufbau und ihre Anwendung ist in vielen Fällen besonders wirtschaftlich, da wegen
des sehr großen zulässigen Intensitätsbereiches des zu erfassenden Lichtsignals
oft auf einen besonderen Abgleich der Lichtquellen und dgl. verzichtet werden kann.
-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigt: Fig. 1 eine Prinzipschaltung zur Erläuterung der Erfindung
und Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines praktischen Ausfuhrungsbeispieles einer
photoelektrischen Einrichtung gemäß der Erfindung.
-
Figur 1 zeigt das Grundprinzip des in der photoelektrischen Einrichtung
gemäß der Erfindung enthaltenen Regelkreises.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung enthält einen photoelektrischen
Wandler 10 vorteilhafterweise eine Halbleiter-Photodiodeo die in Reihe mit einem
Arbeitswiderstand 12 zwischen di Klemmen eine Betriebsspannungsquelle UB geschaltet
ist. Der Regelkreis enthält einen Operations-oder Differenzverstärker 14, dessen
Ausgang mit der Verbindung zwischen dem photoelektrischen Wandler 10 und dem Arbeitswiderstand
12 verbunden ist. Diese Verbindung dient gleichzeitig als Ausgangsklemme 14 und
ist über einen Gegenkopplungswiderstand 16 mit eine: invertierenden E«ngangsklemme
(-) des Differenzverstärkers 14 verbunden. Die invertierende Eingangsklemme ist
ferner über eine Kondensator 18 mit der Klemme der Betriebsspannungsquelle verbunden,
n die der Arbeitswiderstand 12 angeschlossen ist ele
im folgenden
als "Masseklemme" bezeichnet werden soll.
-
Der nicht invertierende Eingang (+) des DifferenzverstSrkers 14 ist
an einen Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der aus zwei in Reihe miteinander
zwischen die Klemmen der Betriebsspannungsquelle geschalteten Widerstand den 20
und 22 besteht.
-
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermassen: Der
Differenzverstärker 14 arbeitet mit dem Gegenkopplungswiderstand 16 als Spannungsfolger
und hält dadurch seine Ausgangsspannung und damit die Spannung an der Ausgangsklemme
14 auf einem Wert konstant, der im wesentlichen der Spannung am Abgriff des Spannungsteilers
20-22 entspriçht.Der durch die den photoelektrischen Wandler 10 bildende Photodiode
fließende Photostrom wird dabei durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers
kompensiert, soweit er den (durch die Wahl des Widerstandsverhältnisses der Widerstände
20 und 22 einstellbaren) Ruhestrom durch den Arbeitswiderstand 12 übersteigt.
-
Für Intensitätsänderungen eines Nutzlichtanteiles in einem auf den
photoelektrischen Wandler 10 fallenden Lichtsignales 24 soll der Widerstand 12 als
definierter Arbeitswiderstand R1 im Photostromkreis arbeiten, daher muß die als
Kompensationsstromquelle ("Stromsenke") arbeitende, dem Widerstand 12 parallelliegende
Regelschaltung einen Innenwiderstand haben, der groß gegenüber dem Widerstandswert
R1 des Arbeitswiderstands 12 ist.
-
Ferner muß der Eingangswiderstand Re, der an der invertierenden Eingangsklemme
des Differenzverstärkers 14 wirksam ist, ebenfalls groß gegenüber R1 sein.
-
Der dynamische Ausgangswiderstand (Quellwiderstand) Ra am Ausgang
des Differenzverstärkers 14 muß ebenfalls groß im Vergleich zu R1 sein.
-
Um Einschwingvorgange während des Betriebes zu vermeiden, soll der
Kompensationsstrom J2, der vom Verstärkerausgang geliefert wird, stets größer als
0 sein.
-
Die Einrichtung soll ferner eine definierte Verstärkung des Nutzsignalanteils
im Photostrom JF bewirken Die obigen Bedingungen, insbesondere die hinsichtlich
des Eingangswiderstandes und des dynamischen Ausgangswiderstandes des Verstärkers
lassen sich nicht mit einem Standardbauteil, z.B. Operationsverstärker, erfüllen.
Die in Fig.2 dargestellte praktische Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung
enthält daher zwei Verstärker Al und A2, die jeweils eine dieser beiden Forderungen
erfüllen. Der Verstärker A1 kann z.B. ein handelsüblicher Operationsverstärker mit
hohem Eingangswiderstand sein, der also die Bedingung Re» R1 erfüllt. Der zweite
Verstärker A2 kann ein Transistorverstärker mit Stromgegenkopplung sein, der die
Bedingung Ra» R1 erfüllt.
-
In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist Js = JF - JR1, daher kann
Js für kleine Beleuchtungsstärken kleiner als O werden. Um die Bedingung zu erfüllen,
daB de Kompensationsstrom Js immer größer als 0 bleibt, wird der Arbeitswiderstand
parallel zum photoelektrischen Wandler g legt. Dies ändert bekanntlich nichts am
dynamischen Verhalten der Schaltungsanordnung, wenn der Innenwiderstand der Betriebsspannungsquelle
UB klein im Vergleich zu R1 ist.
-
Der Kompensationsstrom wird dann Js = JF + JR1 weil JR1 > 0 ist,
wird auch der Minimalwert von Js größer als 0.
-
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 enthält wieder einen zwischen
die Klemmen einer Betriebsspannungsquelle UB geschalteten Spannungsteiler aus zwei
in Reihe liegenden Widerständen R4 und R5, an dessen Abgriff 26 eine Gleichspannung
auftritt, welche dem invertierenden Eingang des Verstärkers A1 zugeführt wird und
den Sollwert für die Ruhegleichspannung an dem aus einer Photodiode bestehenden
photoelektrischen Wandler 10 bildet. Wählt man vorteilhafterweise R4 = R5, so ist
dies die Hälfte der Versorgungsspannung UB A1 ist ein Operationsverstärker mit FET-Eingang
und einem Eingangswiderstand von ca. 106 Megohm, was groß im Vergleich zu R1 ist,
dessen Wert in der Praxis kleiner oder gleich 1 MOhm gewählt werden wird. Vorteilhafterweise
wird R1 als Potentiometer ausgebildet. Man kann dann die Zeitkonstante des den Wandler
10 enthaltenden Schaltungsteils und damit die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des
Photo diodenstroms beeinflussen.
-
Der Ausgang des Verstärkers Al ist mit einer Ausgangsklemme 28 und
über einen Spannungsteiler aus in Reihe liegenden Widerständen R6 und R7 mit der
Masseklemme der Betriebsspannungsquelle UB verbunden. Das am Abgriff des Spannung
teilers R6-R7 auftretende Ausgangssignal wird rd über ein Tiefpaßglied aus einem
Widerstand R8 und einem t<ondensator C1 der Basis des Transistors A2 zugeführt,
dessen Emitter über einen Gegenkopplungswiderstand R3 mit der Masseklemme und dessen
Kollektor über einen Widerstand R2 mit der an den Verstärker Al angeschlossenen
Klemme des photoelektrischen Wandlers 10 gekoppelt ist.
-
Zwischen den Ausgang des Verstärkers A1 und seinen invertierenden
Eingang sind ein Dämpfungsglied aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R10 und
eines Kondensators C2 sowie
ein dem Dämpfungsglied parallelliegender
Gleichstrom Gegenkopplungswiderstand R9 geschaltet. Das Dämpfungeglied R10, C2 sorgt
für Hochfrequenzstabilität. (Rg bestimmt den Verstärkungsgrad des Nutzsignals, s.u.).
-
Das Ausgangssignal des Verstärkers A1 steuert den Transistor A2 über
den Spannungsteiler R6-R7 so an, daß die Spannungsdifferenz an den Eingängen des
Verstärkers A1 ungefähr 0 wird, d.h am photoelektrischen Wandler (Photodiode) 10
stellt sich unabhängIg von JF die durch den Spannungsteiler R4-R5 bestimmte Spannung,
z.B. UB/2 ein.
-
Der Transistor A2 nimmt dabei den Strom JS = JF + JR1 auf.
-
Die Grenzen von Js sind 5 min =UB/2R1, wenn JF = 0 ist, und JS max
#UB/2 (R2 + R3).
-
R2 dient also zur Begrenzung von JF auf den für die Photodiode maximal
zulässigen Wert JF max des Photostroms. Der maimale Wert des Kompensationsstromes
ist also ungefähr gleich dem Maximalwert des shotostroms.
-
Das Tiefpaßglied RS-C1 liegt als Schleifenfilter im Rückführungs-
bzw. Gegenkopplungszweig der Regelschaltung.
-
Für Frequenzen unterhalb des Übergangsbereichs des Filters, also für
Frequenzen. für die der Blindwiderstand des Kondensators Cl wesentlich größer als
der Betrag von R8 ist und für Gleichstrom (Konstantlicht) arbeitet die Schaltung
in der anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise, d.h. der Anteil des Photostroms JF
(Störlichtanteil) der durch konstantes und langsam veränderliches Licht erzeugt
wird, wird kompensiert und liefert praktisch kein Ausgangssignal einer Ausgangsklemme
28.
-
Für Änderungen des Photostroms mit Frequenzen; die ober halb des Übergangsbereiches
des Tiefpaßgliedes liegen, also für die der Blindwiderstand von C1 wesentlich kleiner
als R8 ist, tritt keine Gegenkopplung ein. Solche auf Nutzlichtanteile zurückgehende
höherfrequente Anteile des Photostroms werden nicht kompensiert und erscheinen unverzerrt
und verstärkt an der Ausgangsklemme 28. Die Verstärkung des höherfrequenten Nutzsignales
wird bestimmt durch den Verstärkungsgrad der Verstärkerschaltung, die den Verstärker
Al und die Widerstände R4, R5 und R9 im Gegenkopplungszweig enthält. Für R4 = R5
ist die Verstärkung v =(R4 + 2R9)/R4.
-
Im Übergangsbereich verhält sich die Schaltung ähnlich wie ein Verstärker
mit kapazitiver Kopplung.
-
Der Emitterwiderstand R3 bewirkt durch Stromgegenkopplung eine Verbesserung
der Filterwirkung des Tiefpaßgliedes R8-Cl undvorallem eine Erhöhung des Ausgangswiderstandes
des Transistors A2, so daß die Bedingung Ra # R1 erfüllt ist.
-
Der Spannungsteiler R6-R7 dient zur Anpassung der Gleichspannungspotentiale
der Verstärker Al, A2. Die durch den Spannungsteiler R6-R7 bewirkte Verringerung
der Verstärkung spielt angesichts der großen Verstärkung von Al und A2 in der Regelschleife
keine Rolle.
-
Leerseite