CN103874282A - 生成发光辐射的方法以及辐射源的发光二极管的电路布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测线性纺织材料的生成发光辐射的方法，在其中发光辐射源是发光二极管(1)。在生成发光辐射的过程期间，发光二极管(1)的温度对于该光辐射的强度的影响被消除，因此维持其恒定强度。本发明还涉及发光二极管(1)的电路布置。

Description

生成发光辐射的方法以及辐射源的发光二极管的电路布置
技术领域
本发明涉及一种在光学传感器中生成发光辐射的方法，特别地用于监测线性纺织材料的存在和／或质量，在其中发光辐射源是发光二极管(LED)。
本发明还涉及光学传感器中的辐射源的发光二极管的电路布置，特别地用于监测线性纺织材料的存在和／或质量。
背景技术
已知的辐射源利用发光二极管用于生成可见光谱中的光辐射以及不可见光谱中的光辐射，并被用于各种类型的传感器，例如被用在纺织机器中。但是，这些辐射源的辐射光能量通常依赖于周围温度，或者还依赖于它们自己的发光芯片的温度。作为通用规则，随着发光二极管的增长的温度，PN结上的电压在正向上减少，其导致辐射光能量对辐射源温度的依赖，也就是在使用的温度范围内在实践中其几乎线性。
补偿这种现象是可能的，例如通过已知但复杂的方法，所述方法使用温度或光传感器及发光二极管电流调节器，如例如在CN102158083中所描述的那样。
另一种已知可能的解决方案是基于使用具有定义的内部电阻的恒定电流源用于为发光二极管供给电流，由此在加热发光二极管期间，PN结上的电压减少，并且因此电流增加，其具有补偿的效果，如例如在JPS63236387中所描述的那样。
从具有定义的内部传导性(conductibility)的恒定电流源供给发光二极管类似地有效。
然而，这两种方法在使用的源的内部电阻或传导性中都有大的功率损耗，其在实践中意味着：相比于实现发光二极管的需要的发光能量所必需的，电压源须输送基本上更高的电压，或者电流源须输送基本上更高的电流。
本发明的目的在于：提出一种用于生成发光辐射的方法和一种具有发光二极管的辐射源，在其中辐射发光能量将不依赖于周围温度或发光二极管本身的温度。
发明内容
本发明的目标通过根据本发明的一种生成发光辐射的方法来实现，其原理在于：在生成发光辐射的过程期间，流经发光二极管的供给电流的量根据发光二极管上的热依赖电压的量而改变，通过这种方式意味着发光二极管的发光辐射强度被调节，并且发光二极管的温度对于该发光辐射强度的影响被消除，由此发光辐射强度随着发光二极管的增长的温度而减少、增加或保持恒定。
优点是通过很简单的方法来实现发光辐射强度的热不依赖性，当发光二极管的电压本身出于补偿的目的被利用时，就好像发光二极管本身是用于记录温度的传感器一样，而因此不需要附加的传感器和调节器。不同于在背景技术中那样，相对于实现所需的发光辐射强度所必需的，不存在高相当多的电流或电压的需要，不存在因补偿引起的能量损耗，并因此不存在把发光二极管的电源的尺度关于性能标得不必要地高的需要。
发光二极管的供给电流的量的发展由电阻常量的值的改变来确定，其通过各自的电路布置中的电阻值的改变来实现。
发光二极管的供给电流的量的发展根据包括辐射传感器的整个光学系统的要求来选择。
这个解决方案的优点在于这样的事实：以这种方式，可能的是，以合适的方式来补偿或设置具有根据本发明的辐射源以及具有用在给定光学系统中的该辐射的任何传感器的整个光学系统的热行为。
此外，如果发光二极管的供给电流的量的改变根据针对辐射的传感器的热补偿的要求被预设置，那么它是有利的。
借助于发光二极管的定义的热依赖性的传感器补偿理论上是系统的补偿。
本发明的目标还已经由根据本发明的辐射源来实现，其原理在于：发光二极管的阳极连接到运算放大器的出口，并且发光二极管的阴极通过串联电阻连接到供给的负极，由此与发光二极管并联对齐的是第一电阻以及第二电阻，所述第一电阻连接在发光二极管的阳极和运算放大器的负入口之间，所述第二电阻连接在运算放大器的负入口和发光二极管的阴极之间，并且其中运算放大器的正入口连接到电压用于定义辐射源的工作点。
这种方法的优点尤其在于：在不需任何附加的能量消耗的情况下的电路布置的简单性，发光二极管本身被采用为传感器，由此另一个优点是：仅补偿辐射源和／或还补偿整个光学系统的可能性。具有发光二极管的电路布置理论上以与还具有更多串联连接的发光二极管和／或还在间歇辐射模式下的电路布置相同的方式工作。
此外，如果辐射的传感器包括线性光学传感器CMOS，那么它是有利的，因为通过根据本发明的方法和／或电路布置，具有传感器CMOS的光学系统自然地有助于热补偿。
附图说明
根据本发明的装置的实施例的示例被示意性地在附图中示出，其中图1示出具有发光二极管的辐射源的主要电路布置，图2是纱线的传感器中具有发光二极管的辐射源的布置，图3是针对发光二极管的恒定辐射强度的恒定电流下的电压Ud和电流Id对于温度的依赖性的图，图4是针对减少的发光二极管辐射强度的恒定电流下电压Ud和电流Id对温度的依赖性的图，而图5是包括具有发光二极管的辐射源和光学传感器CMOS的系统的热补偿的图。
具体实施方式
如图1中所示的具有发光二极管的辐射源的电路布置的实施例的示例表示了发明的原理。发光二极管1的阳极连接到运算放大器2的出口21并且发光二极管1的阴极经由串联电阻器R3连接到电源的负极。第一电阻器R1和第二电阻器R2并联连接到发光二极管1。第一电阻器R1连接在发光二极管1的阳极和运算放大器2的负入口之间。第二电阻器R2连接在发光二极管1的阴极和运算放大器2的负入口之间。运算放大器2的正入口连接到可调电压Ui用于设置辐身源的工作点。
为了给发光二极管1供给电力，使用电流源，由此其量也由被供电的发光二极管的PN结上的热依赖电压Ud来确定——入口要求除外。在根据本发明的电路布置中，那么可能的是，以这种方式简单地设置热依赖电压Ud对于发光二极管1的影响程度，所述这种方式是由发光二极管1辐射的最终得到的发光能量将根据温度减少、增加，或者将在一定程度上不依赖于温度，而没有电流或电压的实质的增加，这对所需的辐射发光能量是必不可少的。
根据再生放大器(regenerative amplifer)的通用原理可得
Ui=Ur+UdR2／(R1+R2)，
其中，认为Ur=Id.R3，
其中，
Ui是入口电压，
Ud是发光二极管上的热依赖电压，并且
Id是从运算放大器出口流出的电流，
其在修改后：
Id=Ui／R3-Ud.R2／R3(R1+R2)，
为了清楚的缘故，其可被改写为：
Id=a.Ui-b.Ud，
其中
a和b是电阻常量，
由此，
a=1／R3，b=R2／R3(R1+R2)。
假设省略经由R1和R2的电流，Id可被认为是流经发光二极管1的电流，并且根据上面等式Id=a.Ui-b.Ud，可推出流经发光二极管1的电流Id包含由入口电压Ui根据辐射发光能量确定的不依赖于热的恒定值a.Ui，以及依赖于发光二极管1上的热依赖电压的分量-b.Ud。一般地，然后适用的是，根据热依赖电压Ud的减少(由于温度的影响)，流经发光二极管1的电流Id增加，电路布置因此具有补偿性质。通过选择电阻常量a、b，针对发光二极管1的特定热特性，实现一种情形是可能的，所述情形是当随着发光二极管1的温度的升高，其辐射发光能量减少、增加，或者使用函数的局部极值在一定线性度范围内不依赖于该温度。
假如我们从先前提到的等式开始
Id=a.Ui-b.Ud，
其中，选择的电阻常量a、b具有传导性的物理量纲，已知发光二极管1上电压Ud理论上随温度减小，将可能的是将其表示为：
Ud=Ud0-c.Δt，
其中Ud0是空闲条件温度下的发光二极管1的电压，c是温度影响的常量值(具有量纲[mV/℃])，且Δt指示温度的改变。
如果我们在基本的公式中替换这些值，我们得到：
Id=a.Ui-b.(Ud0-c.Δt)，
经过修改后我们获得
Id=a.Ui-b.Ud0+b.c.Δt，
这是直线等式，表示在特定电路布置中流经二极管1的电流Id随着温度而增加，如果二极管1的电压随着温度而减少，并且其确实减少，因为其是发光二极管1的特性。
并且因为发光二极管1的发光输出可被认为与电输入(也就是Ud.Id)正相关，所以根据二极管1的电压Ud的减少(由于温度)，必需的是，增加经过二极管的电流Id，以致维持相同的输出，这可通过本专利申请中公开的电路布置来实现。
如根据图3是显而易见的那样，发光二极管1的电压Ud随着温度而减少——虚线，其由发光二极管1的材料确定，其中实际值对应于红色发光二极管。点划线指示了(当然以不同单位)电流Id必须如何随着温度而增长，使得由实线指示的发光二极管1的辐射强度INT将是常量，即不依赖于温度。显然，实践中存在与该简化的线性的稍微偏离。
图4示出了这样的状态，即当通过选择电阻常量a、b，相比于电流Id，电流Id1的发展被设置成不会关于温度如此急剧地上升，这被需要用于维持发光二极管1的恒定辐射强度，如图3中所示。具有较低急剧性的电流Id1的发展由双点划线指示。电流Id1随着温度增长少于发光二极管1的电压Ud的减少，并且结果发光二极管1的辐射强度INT随着增长的温度而减少(由实线指示)。
通常，发光二极管1是光学传感装置的一部分，例如其是用于监测线性纺织材料的存在和／或质量的光学传感装置的发光辐射源，所述光学传感装置包括光接收器，所述光接收器例如由线性光学传感器CMOS组成。光学传感装置还具有特定的灵敏度的热依赖性。例如，在线性光学传感器CMOS中，随着增长的温度波动，电流增加，并且因此随着增加的温度，其灵敏度增加，并且所以传感器CMOS指示了随着增加的温度的比实际辐射强度更高的辐射强度。传感器CMOS的灵敏度在图5中由虚线指示。该光学传感装置的系统为了其总的热不依赖性需要发光二极管1生成发光辐射，其强度INT将如本文定义的那样随着温度而减少。使用电阻常量a、b的设置和根据图4依赖于温度的辐射强度INT的发展(其在图5中由实线指示)导致了光学传感装置的整个系统的恒定热依赖性，如在图6中由双实线指示的那样。
图2示出了根据本发明连接在传感器中用于评估纺织机器中的纱线质量的发光二极管1，其中在0V至5V范围内的入口Inp的电压Ui构成用于设置发光二极管1所需辐射发光能量的入口值(在该情况下由流经发光二极管1的在2mA至20mA范围内的电流Id表示)。运算放大器2的第二入口Stb在实际应用中被用于受控的周期性切断发光二极管1的电流。
上述生成发光辐射的方法和执行该方法的辐射源的优点除了其它之外在于这样的事实：由于补偿，其不需要与发光二极管1本身对特定发光辐射强度所需的相比更高的电流或电压。用于馈送电压Ui以设置所需强度的入口不移除任何东西，一般由处理器或另一个元件设置(例如由电位计手动设置)的电压Ui仅表示关于补偿应进行到哪个强度的信息。在该电路布置中，随着Ui的增加，发光辐射的强度增加。
工业适用性
本发明可被用在基于光学原理的传感装置中，所述传感装置利用其自身的具有发光二极管的光源，在其中需要特定的热属性，特别地可以用在用于监测线性纺织材料的存在和／或质量的传感器中，优选的是装备有线性光学传感器CMOS的那些。

Claims (8)

1.一种在光学传感器中生成发光辐射的方法，特别地用于监测线性纺织材料的存在和／或质量，在其中发光辐射源是发光二极管(1)，其特征在于，在生成发光辐射的过程期间，流经发光二极管(1)的供给电流(Id)的量根据发光二极管(1)上的热依赖电压(Ud)的量而改变，通过这种方式意味着发光二极管(1)的发光辐射强度被调节，并且发光二极管(1)的温度对于该发光辐射强度的影响被消除，由此发光辐射强度随着发光二极管(1)的增长的温度而减少、增加或保持恒定。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，发光二极管的供给电流(Id)的量的发展由电阻常量(a、b)的值的改变来设置。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，发光二极管(1)的供给电流(Id)的量的发展根据包括辐射传感器的整个光学系统的要求来确定。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，发光二极管(1)的供给电流(Id)的量的发展根据针对辐射传感器的温度补偿的要求来预定。
5.一种光学传感器中的辐射源的发光二极管(1)的电路布置，特别地用于监测线性纺织材料的存在和／或质量，其特征在于，发光二极管(1)的阳极连接到运算放大器(2)的出口，并且发光二极管(1)的阴极通过串联连接的电阻器(R3)连接到电流供给的负极，由此与发光二极管(1)并联对齐的是第一电阻器(R1)以及第二电阻器(R2)，所述第一电阻器(R1)连接在发光二极管(1)的阳极和运算放大器(2)的负入口之间，所述第二电阻器(R2)连接在运算放大器(2)的负入口和发光二极管(1)的阴极之间，并且其中运算放大器(2)的正入口连接到电压(Ui)用于确定辐射源的工作点。
6.根据权利要求5的电路布置，其特征在于，运算放大器(2)配备有入口(Stb)，用于发光二极管(1)的受控间歇电流。
7.根据权利要求5或6的电路布置，其特征在于，发光二极管(1)包括至少两个串联连接的发光二极管(1)。
8.在用于监测纱线的存在和／或质量的光学传感器中使用根据权利要求1至4中的任一项的方法和／或根据权利要求5至7中的任一项的电路布置，所述光学传感器包括线性光学传感器CMOS。
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