DE1562324C - Fotoelektrische Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit einem Fotoelement zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das dem Logarithmus eines auf das Fotoelement einfallenden Lichtstromes proportional ist.

In vielen technischen Einrichtungen soll die relative Änderung eines Lichtstromes gemessen werden. Dies ist z. B. bei elektronisch arbeitenden Garnreinigern der Fall, wo die Querschnittsänderung eines Garnfadens, der zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Element durchläuft, eine Änderung des auf das lichtempfindliche Element auftreffenden Lichtstromes hervorruft. Die relative Änderung des Lichtstromes ist dabei der Änderung des Fadenquerschnittes, also dem Fehler im Faden, proportional.

Andere Einrichtungen, bei denen die relative Änderung eines Lichtstromes gemessen wird, um eine Steuerung, Regelung oder Zählung zu bewirken, sind z. B. automatische Türöffner, Flüssigkeitspegel-Überwachungsgeräte oder Warenzählautomaten an Fließbändern.

Der Signalstrom (Fotostrom) eines lichtelektrischen Elements ändert sich während des Betriebes durch Alterung des Elementes selbst oder durch Änderung des auf das Element auffallenden Lichtstromes infolge Verschmutzung oder Alterung der Lichtquelle. Um trotzdem bei gleichen relativen Änderungen des Lichtstromes ein gleich großes Signal zu erhalten, sind Regelschaltungen bekannt, die den Mittelwert des Signalstromes durch automatische Regelung der Lichtstärke der Lichtquelle konstant halten. Andere bekannte Einrichtungen erreichen dasselbe Ziel dadurch, daß die Verstärkung eines dem Signalstrom nachgeschalteten Signalvcrstärkers so geregelt wird, daß der Mittelwert des Ausgangssignals konstant, bleibt. Diese Schaltungsanordnungen sind aufwendig und dennoch nicht voll zufriedenstellend.

In weiteren bekannten Schaltungsanordnungen (vgl. zum Beispiel die deutschen Patentschriften 845 416 und 921 089) wird ein dem Logarithmus des Lichtstromes entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Infolgedessen ergeben dann gleiche relative Lichtstromänderungen gleiche absolute Signaländerungen.

Zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das dem Logarithmus des Lichtstromes entspricht, sind verschiedene Schaltungsmöglichkeiten bekannt. Bisher wurde dafür einerseits eine Fotozelle, also ein . passiver fotoelektrischer Wandler, verwendet und andererseits diese Fotozelle mit einem logarithmischen Element in Serie geschaltet, da die Fotozelle Spannungsschwankungen in einem relativ breiten Bereich zuläßt (vgl. zum Beispiel die USA.-Patenschrift 2 804 574 und ähnlich die USA.-Patentschrift 2 406 716).

Es sind auch logarithmische Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen der Signalstrom (Fotpstrom), z. B. einer Fotozelle, zunächst verstärkt und dann einem logarithmischen Element zugeführt wird. Eine logarithmische Schaltungsanordnung ist ihrer Natur nach aber nur sinnvoll, wenn der Strom im Arbeitsbereich um Zehnerpotenzen schwankt. Außerdem wird dann auch ein Verstärker benötigt, der im gewünschten Arbeitsbereich des Signalstromes linear arbeitet. Derartige Verstärker sind aber nicht nur sehr kostspielig, sondern sie nehmen auch zusätzlichen Raum in Anspruch, der oft nicht zur Ver fügung steht. Der Aufwand derartiger Schaltungsanordnungen wird also in der Regel so hoch, daß er wirtschaftlich nicht mehr vertretbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei geringem Aufwand an Schaltmitteln ein elektrisches Signal erzeugt, das in einem breiten Bereich dem Logarithmus des auf das Fotoelement einfallenden Lichtstromes proportional ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung aus einem einzigen Transistor mit Kollektorwiderstand, einem Fotoelement und einer Diode mit einer logarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie besteht, daß das Fotoelement zwischen Emitter und Basis des Transistors in der Basisleitung und die Diode in einer den Kollektor mit der Basis des Transistors verbindenden Leitung liegt, wobei das Fotoelement so gepolt ist, daß es den Transistor zu sperren sucht, und die Diode bezüglich der Betriebsspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet ist, und daß schließlich das erzeugte elektrische Signal zwischen Kollektor und Emitter des Transistors abnehmbar ist.

Diese Schaltungsanordnung, bei der also von einem aktiven fotoelektrischen Wandler Gebrauch gemacht wird, weist nicht nur die Vorzüge der üblichen bekannten Fotozellenschaltung auf, sondern es werden darüber hinaus entscheidende Vorteile hinsichtlich des Aufbaus und Betriebs erzielt. Sowohl die geringe Anzahl als auch die Art der verwendeten. Schaltelemente ergeben eine höhere Sicherheit. Außerdem wirkt sich die erfindungsgemäße Verwendung des logarithmischen Elements dadurch vorteilhaft aus, daß sich die Ströme im Basis- und im Kollektorkreis ebenfalls nur mit dem Logarithmus des einfallenden Lichtstromes ändern. Die Schaltelemente können also für einen relativ kleinen Arbeitsbereich und damit sehr preisgünstig ausgelegt werden.

Man hat zwar schon eine Diode mit logarithmischer Strom-Spannungs-Kennlinie in den Gegenkopplungsweg eines Gleichstromverstärkers eingeschaltet, der vorzugsweise zur Verstärkung des Ausgangsgleichstromes einer Ionisationskammer dient (vgl. die deutsche Auslegeschrift 1 150 118). Dieser Verstärker ist jedoch nicht nur anders aufgebaut, sondern eignet sich — nicht zuletzt wegen des dort erforderlichen hohen Aufwandes an Schaltelementen — nicht zur Lösung der hier vorliegenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nachstehend in zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem npn-Transistor, und

Fig. 2 eine zu Fig. 1 inverse Schaltungsanordnung mit einem pnp-Transistor.

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 weist einen ersten Stromkreis auf, in welchem die einen Kollektorwiderstand 2 aufweisende Emitter-Kollektor-Strecke eines npn-Transistors 1 an eine Gleichspan nungsquelle 3 angeschlossen ist. Ein zweiter Stromkreis enthält als Stromquelle ein Fotoelement 4, welches in der Basisleitung des Transistors 1 unmittelbar zwischen Basis und Emitter des Transistors angeordnet ist. Das Fotoelement 4, eine ohne Hilfsspannung betriebene Fotodiode, ist so gepolt, daß es den Transistor zu sperren sucht. Unmittelbar zwischen Basis und Kollektor des Transistors 1 ist eine

in bezug auf die Spannungsquelle 3 in Sperrichtung geschaltete Diode 5 mit einer logarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie geschaltet. Durch das logarithmische Element 5 fließt ein kleiner Strom i_t der Transistorbasis zu, so daß letztere positiv und der Transistor leitend wird. Nun kann auch das Fotoelement 4 einen Strom i_p durch den Transistor schicken, so daß in der Basisleitung zur Basis des Transistors der Differenzstrom i_t—i_p fließt. Der Differenzstrom /,—i„ stabilisiert sich auf einen sehr kleinen Wert, wobei das logarithmische Element 5 als Gegenkopplungswiderstand wirkt. Wenn wegen einer Zunahme des (von einer nicht dargestellten Lichtquelle) auf das Fotoelement 4 einfallenden Lichtstromes der Strom i_p zunimmt, wird nämlich der Differenzstrom i_t—i_p kleiner, was die Leitfähigkeit des Transistors herabsetzt und so der Zunahme des Stromes /„ entgegenwirkt. Der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand 2 wird wegen der Abnahme des Kollektor-Emitter-Stromes kleiner, die Kollektor-Emitter-Spannung, die als Ausgangsspannung dient, wird ensprechend größer und ebenso auch der Strom /_;. Wegen der logarithmischen Charakteristik der in Sperrichtung geschalteten Diode 5 ergibt sich dabei eine logarithmische Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Stärke des Lichtstromes. Die Ausgangsspannung ist an den Klemmen 6 und 7 abnehmbar. Die sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung — wie sie im vorstehenden beschrieben wurde — ergebende Betriebsweise erscheint zunächst nicht praktikabel, da das Fotoelement mit einer zu seiner Leerlaufspannung umgekehrt gepolten Spannung beaufschlagt wird.. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß das Fotoelement einwandfrei einen dem Lichtstrom proportionalen Signalstrom liefert. Es wird noch hervorgehoben, daß bei Fehlen des Transistors 1 kein Strom durch das logarithmische Element 5 fließen würde, ein wirksamer Stromkreis 3, 2, 5, 4 dann also nicht bestünde. Der Transistor 1 sorgt nämlich dafür, daß zunächst ein Strom durch das Fotoelement 4 fließt und daß der Strom durch das logarithmische Element 5 nahezu auf die gleiche Größe eingeregelt wird wie der Strom, den das Fotoelement 4 abgibt.

Fig. 2 zeigt die zur Fig. 1 inverse Schaltung mit einem pnp-Transistor I₀. Die Funktionsweise ist prinzipiell dieselbe wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben. Lediglich die Batteriespannung, das Fotoelement und das logarithmische Element sind umgekehrt wie in

ίο der Schaltung gemäß Fig. 1 gepolt. Entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 versehen, tragen jedoch zur Unterscheidung den Index a.

Die beschriebenen Schaltungen sind praktisch erprobt. Es hat sich ergeben, daß sie über einen Bereich des Fotoelementstromes von mehreren Größenordnungen einwandfrei und zufriedenstellend arbeiten und von Streuungen der Kenndaten des Transistors weitgehend unabhängig sind.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung mit einem Fotoelement zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das dem Logarithmus eines auf das Fotoelement einfallenden Lichtstromes proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem einzigen Transistor mit Kollektorwiderstarid, einem Fotoelement und einer Diode mit einer Iogarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie besteht, daß das Fotoelement zwischen Emitter und Basis des Transistors in der Basisstellung und die Diode in einer den Kollektor mit der Basis des Transistors verbindenden Leitung liegt, wobei das Fotoelement so gepolt ist, daß es den Transistor zu sperren sucht, und die Diode bezüglich der Betriebsspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet ist, und daß schließlich das erzeugte elektrische Signal zwischen Kollektor und Emitter des Transistors abnehmbar ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen