DE19537098A1 - Meßschaltung zur Erfassung der Intensität kleiner Lichtsignale - Google Patents

Meßschaltung zur Erfassung der Intensität kleiner Lichtsignale

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DE19537098A1
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Franz Dr Bigge
Juergen Dipl Ing Hall
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HALL JUERGEN DIPL ING FH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

Die vorliegende Meßschaltung dient dazu, die Lichtstärke sehr schwacher Lichtquellen elektrisch zu messen, wobei Fehler durch die Temperaturabhängigkeit des Kurzschlußstromes der Fotodioden und die temperaturabhängige Drift der Offsetspannung der Operationsverstärker weitgehend kompensiert werden.
Die Schaltung kann im Bereich der Biotechnologie Anwendung finden, wo mit Hilfe von Enzymen auf die Stoffwechselaktivität von Zellen in Fermentern geschlossen werden kann.
Ferner kann durch Messung der Intensität des von Leuchtbakterien ausgesendeten Lichts auf die Toxizität von Wasserinhaltsstoffen geschlossen werden. Die Leuchtbakterien geben im Falle guter Wasserqualität Licht im grün/gelben Bereich des sichtbaren Lichtspektrums mit einer Strahlungsleistung in der Größenordnung weniger pW ab. Befinden sich die Bakterien unter Streß, z. B. weil ein toxischer Stoff vorhanden ist, nimmt die Strahlungsleistung unter Umständen bis auf null ab. Durch Messung der Lichtintensität ist es also möglich, frühzeitig Probleme zu erkennen und in einem automatisierten System entgegenzusteuern. Nähere Einzelheiten hierzu finden sich in der Literatur, z. B. /1/ und /2/.
Zur Lichtmessung werden in der vorliegenden Meßschaltung nach Fig. 1 Silizium- Fotodioden (D₁), (D₂) verwendet. Der Kurzschlußstrom (Ik) einer solchen Fotodiode hängt ab vom lichtabhängigen Fotostrom (Ip) und vom temperaturabhängigen Sättigungsstrom Is(ϑ) (Gl. 1):
Ik = Is(ϑ) + Ip (Gl.1)
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Einfluß der Temperatur auf den Kurzschlußstrom der Diode (nach /3/):
Die praktische Anwendung im Bereich der Biotechnologie bei den oben erwähnten geringen Lichtmengen zeigte genau diese starke Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung (U₁) eines einkanaligen Lichtdetektors mit Strom-Spannungs- Wandler wie mit (OV 1) in Fig. 1.
Der Strom-Spannungs-Wandler selbst ist aus der Literatur lange bekannt, z. B. /4/, und nicht Gegenstand der Anmeldung.
Setzt man eine zweite gleichartige Fotodiode mit gleich dimensioniertem Strom- Spannungs-Wandler (D₂ und OV 2 in Abb. 1) ein und koppelt die beiden Fotodioden thermisch wie in Fig. 2 bzw. Fig. 3 skizziert, dann ist die Ausgangsspannung (U₂) von (OV 2) genauso temperaturabhängig wie (U₁) von (OV 1).
Mit Rg1 = Rg2 = Rg und Is1 = Is2 = Is(ϑ) gilt dann für die Differenz Ua = U₁-U₂:
Ug1 = Ip1 · Rg + Is(ϑ) · Rg (2)
U₂ = Ip2 · Rg + Is(ϑ) · Rg (3)
Ua = U₁-U₂ = Ip1 · Rg+Is(ϑ) · Rg-Ip2 · Rg-Is(ϑ) · Rg = (Ip1-Ip2)R g (4)
Die Ausgangsspannung (Ua) ist also nicht mehr vom temperaturabhängigen Sättigungsstrom Is(ϑ) der Fotodioden abhängig, sondern nur noch vom lichtabhängigen Fotostrom (Ip).
Ähnliche Überlegungen gelten für die temperaturabhängige Drift des Offsets der beiden Strom-Spannungs-Wandler (OV 1) und (OV 2). Werden hier zwei gleiche Operationsverstärker, (d. h. aus einer Charge eines Halbleiterherstellers) eingesetzt und achtet darauf, daß sie gleichen Temperaturen ausgesetzt sind, kompensiert sich bei der Differenzbildung der temperaturabhängige Anteil des Offsets (Uo1(ϑ), Uo2(ϑ)) der Operationsverstärker.
Ua1 = U₁ + Uo1(ϑ) (5)
Ua2 = U₂ + Uo2(ϑ) (6)
Ua = Ua1-Ua2 = (U₁ + Uo1(ϑ)) - (U₂ + Uo2(ϑ)) (7)
Mit Uo1(ϑ) = Uo2(ϑ) wird die Ausgangsspannung temperaturunabhängig:
Ua = U₁-U₂ (8)
Lediglich der statische Offset der Operationsverstärker muß zusätzlich kompensiert werden, wozu jedoch nur eine Einstellmöglichkeit am Differenzverstärker (OV 3) notwendig ist.
Literatur
/1/ Dr. A. Reimann: Patentanmeldung, Aktenzeichen 19521181.2
/2/ Dr. A. Reimann: Patentanmeldung, Aktenzeichen 195 30 144.7
/3/ Optoelektronische Bauelemente. Herausgeber: VALVO, Unternehmens­ bereich Bauelemente der Philips GmbH, Hamburg
/4/ Tietze/Schenk: Halbleiterschaltungstechnik Springer Verlag 1988

Claims (8)

1. Meßschaltung, bei der ein sehr schwaches Lichtsignal (L₁) bzw. Differenzlichtsignal (L₁-L₂) in eine äquivalente elektrische Spannung umgewandelt wird, wobei insbesondere der Temperatureinfluß auf die Messung kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußströme (Ik1, Ik2) zweier Silizium-Fotodioden (D₁, D₂) mit Hilfe zweier Strom-Spannungswandler (OV 1, OV 2) in analoge Spannungen (U₁, U₂) umgewandelt werden, deren Differenz (Ua = U₁-U₂) mit einem Differenzverstärker (OV 3) gebildet wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (OV 1) und (OV 2) keinen Offsetabgleich benötigen.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Offsetabgleich am Differenzverstärker (OV 3) den Offset von (OV 1) und (OV 2) mitkompensiert.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Operationsverstärker (OV 1) und (OV 2) sowie gleiche Gegenkopplungswiderstände (Rg1) und (Rg2) verwendet werden, wodurch die Temperaturabhängigkeit des Offsets von (OV 1) und (OV 2) automatisch kompensiert wird.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fotodioden (D₁) und (D₂) thermisch gekoppelt sind.
6. Schaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gleicher Fotodioden (D₁) und (D₂) und thermischer Kopplung die Temperatur­ abhängigkeit der Kurzschlußströme der Fotodioden (Ik1) und (Ik2 kompensiert wird.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei völliger Abdunklung einer der beiden thermisch gekoppelten Fotodioden (D₁) oder (D₂) die Ausgangsspannung (Ua) ohne Offset und Temperaturabhängigkeit streng proportional zur Beleuchtungsstärke (L₂) bzw. (L₁) an der nicht abgedunkelten Fotodiode ist.
8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beleuchtung beider Fotodioden (D₁) und (D₂) die Ausgangsspannung (Ua) ohne Offset und Temperaturabhängigkeit streng proportional zur Differenz der Beleuchtungsstärken (L₂) - (L₁) ist.
DE1995137098 1995-10-05 1995-10-05 Meßschaltung zur Erfassung der Intensität kleiner Lichtsignale Withdrawn DE19537098A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2531873A4 (de) * 2010-02-05 2017-01-25 Halliburton Energy Services, Inc. Vorrichtungen, systeme und verfahren für kompensierte optische erkennung

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