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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Messen geringer Beleuchtungsstärken mit einem mindestens eine als Kurzschlussstromquelle geschaltete Photodiode-und gegebenenfalls mindestens einen parallelen Kondensator-am Eingang aufweisenden Licht-Wechselspannungswandler, dessen Ausgangssignal einer
Anzeige- und/oder Steuereinrichtung zuführbar ist.
Zum Messen der Beleuchtung, beispielsweise in Kameras, ist die Verwendung von Photowiderständen sehr verbreitet. Photowiderstände haben aber ein ungünstiges Zeitverhalten bei geringen Beleuchtungsstärken, d. h. sie sprechen sehr langsam an. Die Verwendung von Photodioden als Spannungsquelle wieder hat zwar den Vorteil, dass die Schaltung integrierbar ist, es ergibt sich jedoch ein Temperaturgang des Ausgangssignals und eine geringe
Signalverstärkung, so dass entsprechende Schaltungsmassnahmen, insbesondere die Anordnung von Verstärkern, notwendig sind. Ausserdem ist eine Messung von Gleichlicht wegen des Spannungsunterschiedes an den beiden
Eingängen des Abfrageverstärkers nicht möglich. Nun ist es zwar möglich, Photodioden als Stromquelle im
Kurzschlussbetrieb zu verwenden, wobei sich jedoch etwa die gleichen bereits besprochenen Nachteile ergeben.
Allgemein ist bei geringen Beleuchtungsstärken ein Mangel an Empfindlichkeit festzustellen.
Durch die Erfindung sollen die beschriebenen Nachteile vermieden werden, und dies gelingt dadurch, dass zum Umwandeln des zu messenden Lichtes in Spannungsimpulse entsprechender Frequenz der Photodiode in an sich bekannter Weise ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet ist, zwischen dessen Ausgang und Eingang ein Ventil mit der gleichen Durchlassrichtung wie die Photodiode-gesehen vom Eingang des Schmitt-Triggers aus-vorgesehen ist, dessen Reststrom im Sperrzustand geringer als der Photostrom bei geringster vorkommender Beleuchtung ist. Auf diese Weise erhält man eine überaus empfindliche Schaltungsanordnung, mit der auch kleinste
Beleuchtungsstärken messbar sind. Darüberhinaus ist auch die Messung von Gleichlicht möglich, der
Abfrageverstärker beeinflusst die Messung nicht, und es kann das Ausgangssignal ohne weitere Verstärkung verwendet werden.
Der Photostrom durch die Photodiode entspricht dabei etwa dem Kurzschlussstrom, auch wenn der Spannungsabfall an der Photodiode klein gegen die Leerlaufspannung bei gleicher Beleuchtungsstärke ist. Mit andern Worten arbeitet die Photodiode praktisch noch im Kurzschlussbetrieb, wenn auch an ihr eine
Spannung von einigen 10 mV aufgebaut wird. Auf diese Weise können Beleuchtungsstärken von etwa 0, 001 lux noch mit einer Genauigkeit von ! : 10% gemessen werden.
Normaldioden haben einen verhältnismässig hohen Reststrom, so dass es schwierig ist, ein Ventil zu erhalten, das den gestellten Ansprüchen genügt. Im Rahmen der Erfindung ist deshalb das Ventil von einem Transistor in Basisschaltung gebildet. Ein weiteres Problem liegt darin, dass der Eingangsstrom des Schmitt-Triggers klein gegen den Photostrom sein muss. Deshalb ist gemäss einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung dem Schmitt-Trigger der niederohmige Ausgang eines Impedanzwandlers z. B. mit Feldeffekttransistoren oder Feldeffekttransistoren mit isolierter Torelektrode aufweisendem Eingang, vorgeschaltet. Es ist bekannt, dass sich für diese Zwecke Feldeffekttransistoren od. dgl. besonders eignen, doch lässt sich auch die Erfindung mit herkömmlichen Transistoren verwirklichen.
Um aber die erforderlichen Werte für den Eingangsstrom leichter zu erreichen, ist es gemäss einer bevorzugten Ausbildungsform zweckmässig, dass die gemeinsamen Emitter zweier Transistoren des Impedanzwandlers an einer zwischen Null und Minus schaltenden Schalteinrichtung liegen. Legt man nämlich den Emitter des Eingangstransistors an die Spannung 0, so kann kein Eingangsstrom fliessen, weil der Spannungsunterschied zwischen der Basis-Emitter-Strecke annähernd 0 beträgt. Für kurze Zeit wird durch Herstellen der richtigen Spannungsverhältnisse der Impedanzwandler aktiviert. Man erhält dann eine effektive Reduzierung des Eingangsstromes durch das Taktverhältnis.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen in vereinfachter Darstellung, wogegen die Fig. 4A, 4B ein Schaltschema im Detail zeigen.
Gemäss Fig. l liegt am Eingang eines Sehmitt-Triggers-l-eine Photodiode-PD-. Durch den Photostrom lädt sich diese Photodiode--PD--auf, was im Ersatzschaltbild der Aufladung eines hiezu parallelen Kondensators--Cl--gleichkommt. Überschreitet nun die am Kondensator-Cl--aufgebaute
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negativen Schwellspannung kippt dann der Schmitt-Trigger--l--wieder zurück. Die Umladezeit wird verhältnismässig kurz sein, dagegen die Aufladezeit, di. die Impulspause, während der am Ausgang des Schmitt-Triggers ein positives Signal liegt, wesentlich länger. Die Aufladezeit ist dabei der Beleuchtungsstärke direkt proportional.
Aus Fig. 1 ist das am Eingang des Sehmitt-Triggers--l--auftretende Sägezahnsignal --Sl-- und das am Ausgang liegende Rechtecksignal--S2--ersichtlich.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind Teile gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Der Schmitt-Trigger--l--ist dabei als Differenzverstärker --2-- mit einem Rückkopplungswiderstand - dargestellt. Ebenso wie in Fig. 1 ist der die Kapazität der Photodiode-PD-symbolisierende Kondensator--Cl--dargestellt. Die Kapazität der Photodiode--PD--, an der ja nur geringe Spannung
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Da am Kollektor des Transistors --T1-- gegenüber seiner Basis nur eine geringe Spannung steht, fliesst durch den gesperrten Transistor --T1-- praktisch kein Reststrom. Die Widerstände--R3, R4--haben dabei die
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volle Spannungshub erreicht wird und damit nachfolgende Schaltkreise sicher angesteuert werden können.
Wie sich bei Betrachtung des dargestellten Schaltbeispiels ergibt, kann eine Spannungsabweichung an den beiden Eingängen des Verstärkers-2-das Messergebnis nicht beeinflussen.
Eine weitere Ausführung ist Fig. 3 zu entnehmen. Um den Eingangsstrom des Schmitt-Triggers-l-- klein gegen den Photostrom zu halten, ist zwischen Photodiode--PD-und den Schmitt-Trigger--l--ein
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--4-- vorgesehen.Impedanzwandler --4-- durch eine zwischen Null und Minus schaltende Schalteinrichtung --5-- getaktet wird. Dem Bereich der messbaren Beleuchtungsstärke sind nach unten und oben Grenzen gesetzt. Nach unten nämlich durch den Eingangsstrom, nach oben hingegen durch die von der Abfrageimpulsfolge festgesetzte schnellste Ausgangsimpulsfolge. Setzt man aber zwischen Abfrageimpulsfolge und Ausgangsimpulsfolge ein festes Verhältnis, so kann der Messbereich nach unten und oben beträchtlich erweitert werden.
Die untere Grenze der Beleuchtungsstärke wird dann nur noch durch die längste noch verwertbare Ausgangsimpulsfolgezeit bestimmt, bzw. durch den kleinsten realisierbaren Hysteresebereich des Schmitt-Triggers. Einen Schmitt-Trigger mit besonders geringer Hysterese erhält man durch Rückkopplung des Ausgangssignals vom Kollektor des Ausgangstransistors an die Basis des Eingangstransistors über einen Rückkopplungswiderstand. In dem in den Fig. 4A, 4B veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Betriebsweise wie folgt :
Der Fig. 4A ist wieder die Photodiode--PD-, der als Ventil wirkende Transistor --T1-- mit den Widerständen--R3 und R4-zu entnehmen.
Diese Ventilschaltung umgreift in der gezeichneten Anordnung zwei strichpunktiert angedeutete Blöcke, nämlich den Impedanzwandler --4-- und daran anschliessend den Schmitt-Trigger --1--. Durch die dargestellte Anordnung laufen drei Schienen-6, 7, 8--, von denen die Schiene --6-- positive Spannung, die Schiene--8--negative Spannung und die Schiene-7- Nullpotential aufweist.
Am Eingang der Schaltung ist die Photodiode--PD--mit dem einen Eingang des Impedanzwandlers --4-- verbunden. Der andere Eingang des nach Art eines Differenzverstärkers ausgebildeten Impedanzwandlers - ist mit dem Ausgang über den Kollektor eines Ausgangstransistors-T2--gegengekoppelt. Beide Eingänge bestehen aus Darlington-Schaltungen mit je einem Eingangstransistor-T3 bzw. T4--, deren Emitter mit den Basen der nachgeschalteten Transistoren-T5, T6-- verbunden sind. Die Emitter der Transistoren --T5, T6-sind in üblicher Weise zusammengeschaltet, weisen jedoch dazwischen zwei Widerstände --R6, R7-auf, deren Verhältnis verstellbar ist.
Zwischen diesen Widerständen-R6, R7-ist der Klemmpunkt --9-- über einen Widerstand-R8-und einen Transistor --T7-- mit der negative Spannung führenden Schiene --8-- verbunden. Der Zweck dieses Transistors--T7--wird unten noch erläutert. Ebenso wird der Zweck eines mit der Nullpotential aufweisenden Schiene --7-- verbundenen Widerstandes--R9--noch besprochen werden.
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der beiden Transistoren--T5, T6-, der von der Photodiode--PD-gesteuert ist, somit also der Transistor --T5-- an seinem Emitter mit einem RC-Glied versehen, bestehend aus einem Kondensator --C3-- und einem Widerstand--RIO--.
Diese Schaltung liegt andernends am Klemmpunkt --9-- zwischen den beiden Widerständen--R6, R7--. Dieses RC-Glied hat in der dargestellten Schaltung differenzierende Wirkung. Der Zweck dieser Schaltung wird später noch erläutert.
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Klemmpunkt--10--das dargestellte Ausgangssignal-S2- (vgl. auch Fig. l) abnehmbar. Mit dieser Ausgangsklemme --10-- ist ja auch die Ventilschaltung des Transistors --T1-- über den Widerstand - -R3-- verbunden. Parallel zu diesem den Entladestrom des Transistors --T1-- bestimmenden Widerstand --R3- ist aber zum Ausgleich der integrierend wirkenden Basis-Emitter-Kapazität des Transistors--T l-- der differenzierend wirkende Kondensator-C2- (vgl. Fig. 2) geschaltet.
Ferner ist mit der Ausgangsklemme --10-- über einen Widerstand --Rl1-- und eine als Ventil wirkende Diode-deine Steuerleitung
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--11-- gelegt, die in Fig. 4A an einer Verbindungsklemme--12--endet. In gleicher Weise endet die Schiene --6-- an einer Klemme-13-, die Schiene --7-- an einer Klemme --14-- und die Schiene-S-- an einer Klemme--15--. Die Basis des Transistors--T7--wird über eine Verbindungsklemme--16-- gesteuert.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Transistor--T7--ein Schalttransistor ist, der den Impedanzwandler --4-- taktmässig schaltet. Dabei werden die Emitter der Transistoren--T5, T6--über die Klemme --9-- wechselweise über den Transistor --T7-- an negative Spannung gelegt bzw. im abgeschalteten Zustand des Transistors --T7-- über den Widerstand-R9-an Nullpotential.
Die Klemmen--12 bis 16--sind in Fig. 4B nochmals dargestellt. Um den Transistor--T7-- (Fig. 4A) taktmässig schalten zu können, ist nämlich mit der Klemme--16--der Ausgang eines astabilen Multivibrators --5-- (vgl. Fig. 3) verbunden. Dieser Multivibrator--5--ist, ebenso wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, vom Ausgang des Schmitt-Triggers --1-- steuerbar. Der Multivibrator --5-- ist in üblicher Weise ausgebildet, wobei die Gegenkopplung des Ausganges vom Kollektor des Ausgangstransistors--T9--auf die Basis jenes der beiden Eingangstransistoren--T10, TU--gelegt, dessen Kollektorausgang an Spannung liegt.
Dies ist also der Eingangstransistor--T10--. Die Gegenkopplung erfolgt hiebei über eine Diode--D3--und einen Widerstand-R12--, der verhältnismässig niederohmig gegenüber einem parallel dazu liegenden Widerstand --R13-- ist. In dieser Schaltung bestimmen die Diode--D3--und der Widerstand--R12--die Dauer des Impulses und der widerstand --R13-- die längste Impulsfolgezeit. Die frequenzbestimmende Kapazität ist durch einen an der Basis des Eingangstransistors--T10--liegenden Kondensator--C4--gegeben.
Zum Steuern der Impulspause liegt weiters an der Basis des Eingangstransistors--T10--des Multivibrators --5-- der Kollektorausgang eines Ausgangstransistors--T12--einer steuerbaren Stromquelle --17--, die mit einem weiteren Transistor--T13--als Differenzstromquelle ausgebildet ist. An der Basis des Transistors --T13-- ist in Darlington-Schaltung ein Transistor--T14--vorgesehen, über dessen Basis das Steuersignal von der Steuerleitung --11-- her zugeführt wird. Auf diese Weise steuert also der Schmitt-Trigger --1-- (Fig.4A) die Differenzstromquelle --17--. Dagegen liegt die Basis des Transistors --T12-- an der Nullpotential-führenden Schiene--7--.
Gegebenenfalls könnte aber auch über die Basis dieses Transistors
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Ausgangsimpulsfolgezeit bestimmt ist und der Hysteresebereich des Schmitt-Triggers--l--verhältnismässig klein gehalten werden kann, ergibt sich zwischen der Abfrageimpulsfolge des Signals--S2--und der Ausgangsimpulsfolge des Signals--S3--ein festes Verhältnis, wobei der Messbereich nach unten und oben beträchtlich erweitert wird.
Der Impedanzwandler --4-- ergibt durch die Gegenkopplung eine hohe Eingangs- bzw. niedrige Ausgangsimpedanz bei einem Verstärkungsfaktor von 1. Infolge der einerseits zwischen dem Ausgang des Impedanzwandlers --4-- und der Nullschiene --7-- geschalteten Widerstand --R15-- und dem zwischen Ausgang und der negativen Spannung führenden Schiene--8--geschalteten Widerstand--R16--ergibt sich am Ausgang trotz Ausschaltung des Impedanzwandlers --4-- über die ihm vorgeschaltete Schalteinrichtung nicht ein Nullsignal sondern ein relativ geringes negatives Signal.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen lichtabhängig gesteuerten Multivibrators lassen sich auch geringste Beleuchtungsstärken messen, wobei die Nachteile bekannter Schaltungen (vgl. z. B. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Nr. l vom September 1966, S. 4 bis 7) vermieden sind.
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