CH676752A5

CH676752A5 -

Info

Publication number: CH676752A5
Application number: CH1150/88A
Authority: CH
Inventors: Gabor Szabo; Burgert Marta Szabone
Original assignee: Dunacoop Kereskedel Idegenforg
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1991-02-28
Also published as: JPS63304121A; GB8808286D0; HUT49218A; DE3811830C2; US4902884A; DD271564A1; HU200507B; GB2203834A; GB2203834B; DE3811830A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Durchführung von Differentiaimessungen der Lichtintensität gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ermöglicht die Anzahl der notwendigen Schaltelemente zu vermindern, Parameteränderungen unter Einwirkung von Temperaturänderungen auszugleichen und die Alterung der fotoelektrischen Schaltelemente zu verzögern.

Die bekannten Schaltungsanordnungen zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierten Messungen, zum Beispiel die Anlagen zur Messung von kleinen Verschiebungen sind kompliziert und beinhalten eine hohe Anzahl von aktiven und passiven Schaltelementen. Eine verhältnismässig einfache Schaltungsanordnung ist insbesondere in einem Katalog der Firma RCA (Vereinigte Staaten von Amerika), ausgegeben im Jahre 1986 (Heft 1-86) auf der Seite 368. zu sehen (siehe die Fig. 92CM-30 009). Diese Schaltungsanordnung bedarf jedoch paarweise ausgewählter Widerstände, was die Herstellung kompliziert macht. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass eine Änderung der Parameter der optoelektrischen Elemente unter Einwirkung der Temperatur und infolge Alterung nicht, oder nur durch die Verwendung von weiteren Schaltelementen ausgeglichen werden kann. Die wichtigen Parameter sind der Kurzschlussstrom der Fotodiode sowie ihre Leerlaufspannung usw. Das wichtigste Problem dabei liegt darin, dass die Parameter der Fotodioden eine ziemlich hohe Streuung aufweisen, welche sogar 10% überschreiten kann, insbesondere bei der Einwirkung von grösseren Temperaturunterschieden. Deswegen war es immer erforderlich, die fotoelektrischen Elemente paarweise auszuwählen, insbesondere unter Berücksichtigung der Steilheit ihrer Charakteristika und der durch die Temperatur bedingten Parameteränderungen.

Die bekannten SGhaltungsanordnungen, welche zwei Fotodioden beinhalten, verwirklichen das Grundprinzip der Differentiaimessung. Diese Anlagen dienen zur Bestimmung von kleinen Verschiebungen, zum Erfassen von Veränderungen, welche die relative Änderung der auf die Fotodiode fallenden Lichtintensität bewirken. Die Messung beruht auf der Tatsache, dass der Kurzschlussstrom der Fotodioden so zu regeln ist, dass die Summe der Kurzschlussströme unverändert bleibt, während die einzelnen Kurzschlussströme proportional zur Veränderung der Intensität des einfallenden Lichtes veränderlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierten Messungen dient, wie zum Beispiel zum Messen von Verschiebungen, oder die Sortierung von Fotodioden. Die Schaltanordnung enthält nur verhältnismässig wenig Schaltelemente und ist fähig, ohne zusätzliche von aussen vorzunehmende Schritte die Folgen der Alterungsprozesse sowie der Veränderung der Temperatur auszugleichen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Fotodioden in einer Brückenschaltung angeordnet werden sollen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, welche die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 enthält.

Das Rückkopplungsglied ist in einer vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 3 ausgebildet.

Die oben angeführte Ausführung kann in speziellen Fällen verwendet werden, jedoch ist es bei allen Verwendungen zweckmässig, eine solche Ausführung zu wählen, bei welcher das Rückkopplungsglied gemäss Anspruch 2 lediglich aus dem Ausgleichwiderstand besteht. Der Stromgenerator ist dabei über die Kontaktstelle unmittelbar mit dem Kopplungspunkt der ersten und zweiten Fotodiode verbunden. Dabei stehen im wesentlichen zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

1. Zur Realisierung von Messungen, bei welchen der Nullpunkt der Messungen dem Fehlen eines Ausgangssignals entspricht, ist es zweckmässig, dass das Verhältnis R1/R2 der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands im Verhältnis I1/I2 der im Ruhezustand gemessenen Kurzschlussströme der ersten und zweiten Fotodiode entspricht.

2. Falls ein Ausgangssignal schon im Ruhezustand der Schaltungsanordnung mit von Null unterschiedlichem Wert zu erzeugen ist, sollen die Verhältnisse R1/R2 und I1/I2 unterschiedliche Werte aufnehmen.

Die Lichtquelle ist zweckmässig eine lichtemittîe-rende Diode und falls die Ausgangsleistung des dritten Operationsverstärkers zum Antrieb der Lichtquelle nicht ausreichend wäre, ist ein Leistungsverstärker zwischen dem dritten Operationsverstärker und der optischen Lichtquelle einzufügen.

Die Erfindung wird weiter anhand von beispielsweise dargestellten Ausführungen, mit Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die allgemeine Ausführung der erfindungs-gemässen Schaltungsanordnung und

Fig. 2 die spezifische Ausführung der erfin-dungsgemässen Schaltungsanordnung.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung (Fig. 1) ist durch einen Eingang 5 an eine Speiseeinheit angeschlossen, welche eine Referenzspannung Uo sichert. Am Eingang 5 ist ein Stromgenerator, insbesondere ein Referenzwiderstand Rs angeordnet. Der Ausgang des Stromgenerators ist einer Brückenschaltung zugeführt, und zwar einem Kopplungspunkt K einer ersten Fotodiode Di und einer zweiten Fotodiode D2, welche mit ihren gleichnamigen Polen, d.h. mit den Anoden oder den Kathoden dem Kopplungspunkt K zugeschaltet sind. Die Brückenschaltung enthält vier Zweige, worin in den verbleibenden zwei Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Fotodiode Di, D2 ein erster und ein

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zweiter Brückenwiderstand Ri, R2 angeordnet sind. Der erste Brückenwiderstand Ri, welcher mit der ersten Fotodiode Dt verbunden ist, ist mit einem Operationsverstärker 1 überbrückt, wobei der Ausgang des letzteren dem gemeinsamen Punkt G des ersten und zweiten Brückenwiderstands Ri, R2 zugeschaltet ist. Der gemeinsame Punkt H der zweiten Fotodiode Dz und des zweiten Brückenwiderstands Ra ist durch einen zweiten Operationsverstärker 2 einem Ausgang 6 der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zugeführt, wobei der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2 dem Ausgang 6 zugeschaltet ist, und durch ein Rückkopplungsglied, im einfachsten Falle durch einen Ausgleichwiderstand Rk dem Eingang rückgeführt ist.

Dem der Brückenschaltung zugeführten Ausgang des Stromgenerators ist über eine Kontaktstelle KS ein dritter Operationsverstärker 3 zugeschaltet, welcher zweckmässig über einen Leistungsverstärker 4 mit einer optischen Lichtquelle S, vorteilhaft einer lichtemittierenden Diode verbunden ist.

Das Rückkopplungsglied besteht nach Fig. 1 lediglich aus dem Ausgleichwiderstand Rk, und in der Ausführung nach Fig. 2 aus dem Ausgleichwiderstand, dem ersten Operationsverstärker 1 und dem zweiten Brückenwiderstand Ra, wobei der letztere in diesem Fall gleichen Widerstandswert mit dem ersten Brückenwiderstand Ri aufweist

Das Wesen der Erfindung liegt in der Verwendung der Brückenschaltung, welche, wie erwähnt, vier Zweige aufweist, worin die erste und die zweite Fotodiode Di, D2 sowie der erste und der zweite Brückenwiderstand Ri, R2 angeordnet sind.

Der gemeinsame Punkt des Stromgenerators und des dritten Operationsverstärkers 3, die Kontaktstelle KS, ist mit dem Kopplungspunkt K der Fotodioden Di, D2 unmittelbar (Fig. 1) oder durch die erste Fotodiode Dt (Fig. 2) verbunden.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung arbeitet auf folgende Weise:

In allen normalen Betriebszuständen sichert der Stromgenerator (der Referenzwiderstand Rs) einen ständigen Stromwert h + I2, welcher der Summe der Kurzschlussströme der ersten und der zweiten Fotodiode Di, D2 gleich ist.

Vor den Messungen sollen die Kurzschlussströme h und I2 gemessen werden, und zwar im Ruhezustand der Anlage, wozu die erfindungsgemasse Schaltungsanordnung Verwendung findet. Sollten die Kurzschlussströme Ii = I2 sein, so ist es zweckmässig, die Anordnung nach Fig. 2 einzusetzen, wobei die Werte Ri und R2 ebenfalls gleich gross sein sollten. (Dies kann manchmal Probleme verursachen, insbesondere wenn die Alterung der Widerstände nicht die gleichen Wertveränderungen zur Folge hat).

Im aligemeinen sind die Werte Ii und la ungleich. Dann ist die Anordnung nach Fig. 1 zu verwenden, wobei im Falle R1/R2 = I1/I2 dem Grundzustand der Nullwert des Ausgangssignals gehört. Sollte ein vom Null unterschiedlicher Wert dem Ausgangssignal im Grundzustand zugeschrieben werden, so ist ein von I1/I2 unterschiedlicher Wert für das Verhältnis R1/R2 der Widerstandswerte ausgewählt worden.

Die erste und die zweite Fotodiode Di, D2 sind miteinander entweder über ihre Anoden (mit der Stromrichtung nach den Fig. 1 und 2) oder über ihre Kathode (mit der gegensinnigen Stromflussrichtung) verbunden.

Die Messungen beruhen auf der Tatsache, dass die Veränderung der Intensität des auf die Fotodioden Di, D2 einfallenden Lichtes eine Änderung des Pegels des Ausgangssignals der Schaltungsanordnung (am Ausgang 6) verursacht. Dieses Signal kann als ein Spannungssignal weiterverarbeitet werden.

Die Einfachheit der Schaltung nach Fig. 2 wirkt u.U. durch die Tatsache nachteilig, dass das Ausgangssignal mit dem Fehler der Auswahl der Brückenwiderstände R-i, Ra belastet ist, und dieser Fehler kann im Laufe der Alterung der Schaltelemente sich vergrössern

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 leistet der zweite Operationsverstärker 2 ein Ausgangssignal am Ausgang 6 mit dem Wert wobei Alk die Änderung des Stroms des Ausgleichwiderstands Rk und Alt die Änderung des Kurzschlussstromes der ersten Fotodiode Di bedeutet. Wie erwähnt ist Ii der Kurzschlussstrom der ersten Fotodiode Di unter Einwirkung des Lichtes der Lichtquelle S, und I2 der Kurzschlussstrom der zweiten Fotodiode D2 bei gleichen Bedingungen.

Zur Sicherung des ständigen Wertes der Summe Ii + (2 ist der Eingang des dritten Operationsverstärkers mit einem sehr niedrigen Strompegel von Pikoamper Grössenordnung gespeist, und am Ausgang treibt er durch den Leistungsverstärker 4 oder unmittelbar die optische Lichtquelle S an. Das Licht der optischen Lichtquelle S wird auf entsprechende Weise der ersten und der zweiten Fotodiode Di und Da zugeführt. Zum Beispiel wird zwischen der optischen Lichtquelle S und den Fotodioden Di, D2 ein Sperrelement vorgesehen, welches bei einer zu messenden Verschiebung sichert, dass die erste und die zweite Fotodiode Di und D2 veränderliche Mengen des Lichtes erhalten.

Bei den meisten Schaltungsanordnungen liegt das Verhältnis der veränderlichen Werte im Bereich von 1 bis 2...5. Daraus resultiert ein hoher Pegel des zu messenden Ausgangssignals, Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, wobei die unterschiedlichen Stromwerte zu unterdrücken sind. Das ist auch ein wichtiges Merkmal der Erfindung, wobei die zurzeit als Fehlerfaktor betrachtete Bedingung zur Verwirklichung der Messung verwendet wird.

Die Verwendung des dritten Operationsverstärkers 3 sichert, dass die optische Lichtquelle S, welche im allgemeinen eine lichtemittierende Diode ist, immer Licht mit Intensität ausstrahlt, welche der Än-

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derung der Parameter der an der Empfangsseite angeordneten zwei Fotodioden Dt, Da folgt.

in einer praktischen Verwirklichung der Erfindung wurden integrierte Schaltungen CA 3130 (hergestellt von der Firma RCA) als Operationsverstärker verwendet.

Die in der Schaltungsanordnung verwendeten Widerstände können ats Potentiometer ausgebildet sein. Diese Massnahme ist insbesondere bei der Auswahl der Fotodiodenpaare wichtig.

Mit der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wird erreicht, dass der Einfluss der infolge Temperatur und Alterung veränderlichen Parameter der optischen Schaltelemente auf die Genauigkeit der Messergebnisse ausgeglichen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Durchführung von Differentialmessungen der Lichtintensität, welche einen an einer Referenzspannungsquelle angeschlossenen Eingang (5), einen der gemessenen Lichtintensität entsprechende Ausgangssignale leistenden Ausgang (6), eine erste und eine zweite Fotodiode (Dt, Da), die im Wege des durch die Lichtquelle erzeugten Lichtes angeordnet sind sowie einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker (1, 2) enthält, die mit der ersten und zweiten Fotodiode gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe eine aus vier Zweigen bestehende Brückenschaltung aufweist, welche über eine gemeinsame Kontaktstelle (KS) sowohl mit einem dritten Operationsverstärker (3) als auch mit einem an den Eingang (5) angeschlossenen Stromgenerator (Rs) in Verbindung steht, wobei zwei benachbarte Zweige der Brückenschaltung die erste und zweite Fotodiode (Di, Da) enthalten, welche mit ihren gleichnamigen Polen über einen Kopplungspunkt (K) miteinander verbunden sind, welcher Kopplungspunkt (K) an die gemeinsame Kontaktstelle (KS) angeschlossen ist, durch welche die Verbindung vom Stromgenerator (Rs) zum dritten Operationsverstärker (3) führt, der seinerseits mit seinem Ausgang mit der Lichtquelle (S) in Verbindung steht und die Brückenschaltung in ihren weiteren zwei benachbarten Zweigen einen ersten und einen zweiten Brückenwiderstand (Ri, Ra) enthält, wobei der erste Operationsverstärker (1) mit seinem Eingang an der ersten Fotodiode (Dt), mit seinem Ausgang am Ver-bindungspunkt (P) des ersten und des zweiten Brückenwiderstandes (Ri, Ra) angeschlossen ist, während der zweite Operationsverstärker (2) mit seinem Eingang mit der zweiten Fotodiode (D2) und durch seinen Ausgang mit dem Ausgang (6) der Schaltungsanordnung verbunden ist, und dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (2) durch ein einen Ausgleichswiderstand (Rk) enthaltendes Rückkopplungsglied mit seinem Eingang rückgekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungsglied nur aus dem Ausgleichswiderstand (Rk) bsteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungsglied nebst dem in Reihe geschalteten Ausgleichswiderstand (Rk), den ersten Operationsverstärker (1) und den zweiten Brückenwiderstand (Ra) umfasst, wobei der Wert des zweiten Brückenwiderstands (Ra) mit dem Wert des ersten Brückenwiderstands (Ri) übereinstimmt und der Stromgenerator (Rs) über die Kontaktstelle (KS) und den Koppiungspunkt (K) der ersten und zweiten Fotodiode (Di, D2) an die erste Fotodiode (Di) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (Rs) über die Kontaktstelle (KS) mit dem Kopplungspunkt (K) der ersten und zweiten Fotodiode (Di, Da) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Rt/Ra der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands R1, Ra dem Verhältnis (I1/I2) der im Grundzustand gemessenen Kurzschlussströme der ersten und zweiten Fotodiode (Di, Da) entspricht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Rt/Ra der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands (Rt, Ra) sich vom Verhältnis I1/I2 der im Ruhezustand gemessenen Kurzschlussströme der ersten und zweiten Fotodiode (Di, Da) unterscheidet.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des dritten Operationsverstärkers (à) ein Leistungsverstärker (4) angeordnet Ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der optischen Lichtquelle (S) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Lichtquelle (S) eine lichtemittierende Diode vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator einen Referenzwiderstand (Rs) aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Brückenwiderstände (Ri, Ra) und/oder der Ausgleichswiderstand (Rk) und/oder der Referenzwiderstand (Rs) als ein Potentiometer ausgebildet ist.

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