DE2109735B2 - Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das sich linear mit dem Loga nthmus der Intensität des auf einen Fotowiderstand auftreffenden Lichts ändert - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein An-

60 schluß des Fotowiderstands mit dem Invertiereingang eines Operationsverstärkers verbunden ist. daß der

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Ausgang des Operationsverstärkers mit der logarith-Erzeugung eines Signals, das sich linear mit dem mierenden Umsetzeinrichtung zusammengeschaltet ist Logarithmus der Intensität des auf einen Fotowider- und daß zwischen dem Invertiereingang und dem stand auftreffenden Lichts ändert. 65 Ausgang des Operationsverstärkers eine Rückkopp-

Wenn eine Lichtmessung mit Hilfe eines Foto- lungsimpedanz vorgesehen ist.

Widerstands zur Messung sehr kleiner Lichtabsorp- Durch den erfindungsgemäßen rückgekoppelten

tionen oder sehr kleiner Lichtabsorptionsunterschiede Operationsverstärker zwischen dem Fotowiderstand

und der logarithmierenden Umsetzeinrichtung läßt sich das Potential an dem einen Ende des Fotowiderstands instandhalten, wodurch Instabilitäten kompensiert oder verhindert werden. Auf diese Weise läßt sich auch das Rauschen vermindern und die Ansprechgeschwindigkeit erhöhen. Mit dem erfindungsgemäßen rückgekoppelten Operationsverstärker läßt sich der Meßbereich der Schaltungsanordnung einstellen, ohne daß damit die Neigung zur Instabilität wächst. Die Stabilität ist insbesondere deshalb verbessert, weil der Operationsverstärker eine nahezu ideale Kompensation für alle Änderungen der an dem Fotowiderstand auftretenden Spannungsänderungen vorsieht. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltung, daß durch andere zweckmäßige Schaltungselemente der Anwendungsbereich vergrößert wird. Beispielsweise lassen sich Bereicheinstellpotentiometer vorsehen, die zwar die belastende Impedanz für den Fotowiderstanu erhöhen, wobei jedoch die dadurch entstehende Neigung zur Instabilität durch den Operationsverstärker auskompensiert wird.

Die Neigung zu Instabilitäten durch Spannungsänderungen läßt sich zusätzlich dadurch verbessern, daß ein zweiter Fotowiderstand mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Es kompensieren sich nämlich dann die Spannungsänderungen an dem einen Fotowiderstand mit den Spannungsänderungen an dem zweiten Fotowiderstand.

Eine noch bessere Kompensation von Instabilitäten mit einem günstigeren Signal- Rausch-Verhältnis und einer kürzeren Ansprechzeit läßt sich dadurch erreichen, daß die erfindungsgemäße Schaltung nach Art einer Brückenschaltung ausgeführt ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine zweite logarithmierende Umsetzeinrichtung zwischen den zweiten Fotowiderstand und den Pol einer Spannungsquelle geschaltet ist.

Ausfühningsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. In den Zeichnungen sind in den verschiedenen Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 und 2 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung und

F i g. 3 eine Schaltung einer anderen Ausführungsform der Erfindung zur Messung der Differenz der Lichtabsorption in zwei optischen Fällen.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Schaltung zur Messung der Intensität von Licht dargestellt, das durch eine optische Durchflußzelle (nicht dargestellt) hindurch geht, durch die eine Flüssigkeit fließt, deren Lichtabsorption gemessen werden soll. Die optische Durchflußzelle befindet sich in dem Weg eines Lichtstrahls, der von einer Lichtquelle (nicht dargestellt), beispielsweise von einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe ausgeht, und dieser Lichtstrahl geht ferner durch einen Filter hindurch und trifft dann auf einen Fotowiderstand 13 auf.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Schaltungen 1 bilden einen Lastwiderstand für den Fotowiderstand, der sehr klein, verglichen mit dem Widerstand des Fotowiderstands, ist, wodurch der Rauschpegel kleiner, die Stabilität großer und die Ansprechgeschwindigkeit ebenfalls größer wird. In F i g. 1 ist dei Invertiereingang eines Operationsverstärkers 19 mit einem Ende des Fotowiderstands 13 verbunden, und das andere Ende des Fotowiderstands ist mit der negativen Anschlußklemme 15 verbunden. Ein Widerstand 20 ist zwischen den Eingang und den Ausgang des Verstärkers geschaltet. Wegen der durch die Kombination aus dem Operationsverstärker 19 und dem Widerstand 20 gegebenen Gegenkopplung ist eine elektrische Impedanz für den Fotowiderstand sehr klein und die Eingangsspannung des Verstärkers ist immer nahezu Null. Der Operationsverstärker hat entsprechend der Definition genügend innere Ver-Stärkung, so daß die ihm zugeführte Eingangsspannnung nahezu Null sein muß, damit seine Ausgangsspannung innerhalb annehmbarer Grenzwerte bleibt. Die Spannung an dem Fotowiderstand wird sich deshalb nicht mit Änderungen des Widerstands Jes Fotowiderstands beträchtlich ändern. Ein Widerstand 21 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers mit einer Diode 16 und mit einer Ausgangsanschlußklemme, wobei der Widerstand des Widerstands 21 viel größer ist als der wirksame Widerstand der

Diode, so daß der durch die Diode fließende Strom nahezu proportional zur Ausgangsspannung des Verstärkers ist. In F i g. 2 ist eine ähnliche Schaltung dargestellt, bei der die für den Fotowiderstand erscheinende Impedanz durch die Gegenkopplungswirkung eines Operationsverstärkers 19 mit Hilfe eines Gegenkopplungswiderstands 20 sehr gering ist. wobei die Spannung, die da/u verwendet wird, die Gegenkopplung über den Widerstand 20 zu bilden, gleich dem Spannungsabfall an einem Widerstand 24 ist. der als Folge eines durch eine Diode 14 fließenden Stroms entsteht. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 24 ist direkt proportional zu dem Strom, der durch den Fotowiderstand fließt. Der durch die Diode fließende Strom ist etwa proportional zur Intensität des auf den Fotowiderstand auftreffenden Lichts und deshalb ist die Spannung an den Ausgangsanschlußklemmen 17 und 25 etwa proportional zu dem 1 ogarithmus der Intensität des Lichts, das auf den Fotowiderstand auftrifFt.

In den Schaltungen nach den F i g. 1 und 2 beträgt die Spannungsänderung an der Diode, die für den logarithmierenden Umsetzungsvorgang verwendet wird, für eine zehn-zu-eins-Änderung des Stroms, der durch die Diode fließt, etwa 70 Millivolt. Die Spaiinungsänderungsempfindlichkeit erhöht sich mit steigender Temperatur der Diode. Es ist jedoch noch nachteiliger, daß sich die Spannung an der Diode bei konstantem Strom durch die Diode beträchtlich mit der Temperatur ändert. Die Änderung ist eine Abnahme von etwa 2 Millivolt bei einem Anstieg der Temperatur um 1 Grad Celsius. Folglich muß bei einer brauchbaren Ausführungsform eine Temperaturkompensation vorgesehen sein, damit eine genaue Messung vorgenommen werden kann. Wenn keine Temperaturkompensation vorhanden ist, dann addieren sich die Temperaturschwankungen zu dem vorhandenen Rauschpegel und der Instabilität der Schaltung.

Bei der Schaltung nach Fig.? ist die Schaltung nach den F i g. 1 und 2 so verwendet, daß sie für Temperaturänderungen kompensiert ist. Fotowiderstände 13 und 27 sind mit einer negativen Anschlußklemme 15 über eine Abweich- oder Null-Einstellschaltung verbunden, die Widerstände 21, 26 und 29 aufweist. Mit dem Fotowiderstand 20 sind Dioden 30 und 31 und mit dem Fotowiderstand 28 Dioden 32 und 33 verbunden. Diese Dioden bilden eine sehr genaue elektrische Anpassung an die beiden oben

erwähnten Temperatureffekte und sie bilden auch eine durch den sich vermindernden Wert der Spannung genaue Anpassung für die Empfindlichkeit bei der von 2 |iV bei einer Temperaturänderung von 1°C logarithmierenden Umwandlung von Strom in Span- beeinflußt, weil die Temperaturänderungen an den nung. Es können zwei oder mehr Dioden in Reihe mit Dioden 30 und 31 beinahe die gleichen Spannungsjedcm der Fotowiderstände geschaltet sein, damit die 5 änderungen wie die Dioden 32 und 33 hervorrufen. Empfindlichkeit bei der logarithmierenden Umwand- Diese beiden Änderungen werden durch den Verstärlung erhöht wird. Wenn beispielsweise eine Diode ker34 voneinander abgezogen, wodurch eine Diffe- J eine Spannungsänderung von 7OuV bei einer zehn- renz von beinahe Null verbleibt. Da die Empfindlich- :| zu-eins-Änderung des durchfließenden Stroms er- keil der logarithmierenden Umkehrung, die von den , zeujt, dann werden durch zwei in Reihe geschaltete io Dioden hervorgerufen wird, sich mit der Temperatur Dio· en bei einer zehn-zu-eins-Änderung des Stroms ändert, mindert der temperaturabhängige Widerstand 14()fiV als Spannungsänderung erzeugt. Zweckmäßi- 38, der beispielsweise ein Thermistor sein kann, die gerweise wird eine integrierte Diodenanordnung für Verstärkung der gegengekoppeltcn Verstärkerschaldie dargestellten Dioden verwendet, da integrierte tung bei höheren Temperaturen derart, daß die geDioden gute Anpassungseigenschaften aufweisen. Der 15 samte Lichtabsorptionsempfindlichkeit der Schaltung Invertiereingang eines Operationsverstärkers 19 ist bei Temperaturänderungen konstant ist. Der Bezugsmit der Verbindung zwischen dem Fotowiderstand 13 fotowiderstand 27 ist im Ende eines Bezugslichtpfads und der Diode 32 verbunden und der Nicht-Inverticr- angeordnet, der durch eine Licht absorbierende eingang des Operationsverstärkers 19 ist mit der Ver- optische Bezugszelle hindurchgeht, wohingegen der bindungsstelle zwischen dem Fotowiderstand 27 und 20 Meßfotowiderstand 19 sich am Ende eines zu mesder Diode 30 verbunden. Der Ausgang des Verstär- senden Lichtpfads befindet, der durch eine optische kers ist mit einer Ausgangsanschlußklemme und auch Durchfiußzelle hindurchgeht, die die zu messende mit einer einstellbaren Rückkopplungsschaltung ver- Flüssigkeit führt. Die beiden Fotowiderstände sind bunden, die feste Widerstände 36 und 37, einen tem- vorzugsweise hinsichtlich ihrer Lichtempfindlichkeit, peraturabhängigen Widerstand 38 mit negativen Tem- 25 der Farbansprechempfindlichkeit, dem Temperaturperaturkoeffizienten. einen einstellbaren Eichwider- koeffizienten des Widerstands aneinander angepaßt, stand 39, feste Widerstände 40 und 41 und einen damit die beste Schaltungsarbeitsweise in bezug auf Bereichsumschalter 42 aufweist. Die beiden Foto- Genauigkeit, Stabilität und Rauschpegel erreicht widerstände und die beiden Diodenpaare sind so wird. Dei Fotowiderstand 27 kann auch durch einen geschaltet, daß sie eine Brückenschaltung bilden. 30 festen Widerstand ersetzt sein, wobei dann der Foto-Wenn man einmal annimmt, daß die Fotowiderstände widerstand 19 nur dazu verwendet wird, die absolute 13 und 27 die Bezugs- und Meßzweige der Brücke Lichtabsorption an Stelle der Differenzabsorption zu bilden, dann hängt der Grad der Gegenkopplung, der messen.

durch den Meßzweig der Brücke gegeben ist. von der Bei der Schaltung nach F i g. 3 können die Schal-Einstellung des Bereichsumschalters 42 und von der 35 tungen nach F i g. 1 oder F i g. 2 verwendet werden. Einstellung des Eichwiderstands 39 ab. Der Wider- Um die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 3 zu stand, der in die Meßschaltung durch den Bereichs- erreichen, muß jedoch mehr als ein Operationsverumschalter 42 eingeschaltet wird, ist klein im Ver- stärker verwendet werden, jedoch ist eine solche gleich zu dem wirksamen Widerstand der Dioden Anordnung in bestimmten Fällen sogar erwünscht. 32 und 33. Wie man sieht, weisen die festen Kontakte 40 Beispielsweise kann die gesamte in Fig. 1 dardes Bereichsumschalters 42 Markierungen auf. die gestellte Schaltung an Stelle des Bezugsfotowiderder Lichtabsorption in einem vollen Bereich oder stands 27 und der Dioden 30 und 31 in F i g. 3 gesetzt einem optischen dichten Bereich und eine Absorption werden, wobei dann der Nichtinvertiereingang des von 0.02 bis zu einer Absorption von 2,00 für eine Verstärkers 19 nach Fig. 3 mit der Ausgangs-Ausgangsspannung bei vollem Skalenausschlag an 45 anschlußklemme 17 nach F i g. 1 verbunden wird, der. Ausgangsanschlußklemmen 16 und 35 entspre- Eine zweite Schaltung, die der Schaltung nach F i g. 1 dien. Die Gegenkopplung in dem M:ßzweig der entspricht, wird an Stelle des Meßfotowiderstands 13 Brückenschaltung ist hundertmal so groß, wenn der und der Dioden 32 und 33 in Fig. 3 vorgesehen, wo-Schalter 42 auf die Stellung 2,00 eingestellt ist. als bei dann der Invertiereingang des Operationsverstärwenn er sich in der Stellung 0.02 befindet. Deshalb 50 kers 19 mit der entsprechenden Ausgangsanschlußist eine hundertmal so große Änderung bei dem klemme 17 der zweiten Schaltung und wobei dann Logarithmus des Widerstandsverhältnisses der beiden die Anschlußklemme 16 der zweiten Schaltung mit Fotowiderstände notwendig, um eine Ausgangsspan- der Anschlußklemme des Bereichsumschalters 42 vernung von vollem Skalenausschlag zu erzeugen, wenn bunden wird.

der Schalter von der Stellung 0,02 in die Stellung 2.00 55 Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Schaltungen umgeschaltet wird. Der einstellbare Eichwiders'and können zur Anzeige und/oder zum Aufzeichnen der oder ein Einstellwiderstand 39 wird von Hand ein- absoluten Lichtabsorption in einer optischen Zelle gestellt, um die Schaltung zu eichen, so daß eine Aus- verwendet werden. Bei der Schaltang nach der F i g. 1 gangsspannung für vollen Skalenausschlag zwischen wird ein elektrischer Spannungsmesser und/oder ein den Anschlußklemmen 16 und 35 erscheint, die 60 Spannungsaufzeichnungsgerät (nicht dargestellt) an genau dem gewünschten vollen Skalenbereich der die Ausgangsanschlußklemme 16 und 17 der Schal-Lichtabsorption entspricht. Es werden vorzugsweise tung angeschlossen. Bei der Schaltung nach Fig. 2 Präzisionswiderstände verwendet, so daß die Eichung würde das Anzeige- und/oder Aufzeichengerät an die Für Absorption bei genau einer vollen Skala in einem Ausgangsanschlußklemmen 17 und 2S angeschlossen Bereich, der mit Hilfe des Schalters 42 ausgewählt 65 werden. Bei all diesen Anordnungen ist es nur erist. auch für die übrigen Bereiche automatisch und forderlich, daß die Impedanz des Meßgeräts, welches gleich/dt ig eine Eichung darstellt. Die Spannung an zu der Diode parallel geschaltet ist, verglichen mit den Ausganpsamchlußklemmcn 16 und 35 wird nicht dem wirksamen Widerstand der Diode, sehr groß ist.

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Die Schaltung nach F i g. 3 wird zusammen mit einer Anzeige- und/oder Aufzeichenvorrichtung, die an die Ausgangsanschlußklemmen 16 und 35 angeschlossen ist, dazu verwendet, die Differenz der Lichtabsorption in zwei optischen Zellen zu messen.

Fotowiderstandszellcn sind natürlich gut bekannt. Die logarithmisdie Spannungsstromkennlinie von Siliziumhalbleiiterdioden ist auch gut bekannt. Wenn jedoch diese Bauelemente, wie in den verschiedenen Ausführungsfoirmen nach der Erfindung verbunden to und betrieben werden, dann ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Diese Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses wird nicht durch die bekannte Theorie vorausgesagt. Die Verbesserung der Ansprechgcschwindigkcit läßt sich auch nicht durch die vorhandene Theorie voraussagen.

Es können natürlich auch andere bekannte Bauelemente als Dioden verwendet werden, durch die logarithmisch umgesetzte Signale von den Fotowiderständen abgeleitet werden, wie beispielsweise die gut bekannte logarithmicrendc Umsctzschallung, bei der ein Transistor in dem Rückkopplungsweg eines Operationsverstärkers verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309549/2W

Claims (7)

vorgenommen wird, dann ist die Meßempfindlichkeit Patentansprüche: zum einen durch die Stabilität des Fotowiderstands und zum anderen durch den elektrischen Rausch-

1. Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das pegel begrenzt.

sich linear mit dem Logarithmus der intensität 5 Es ist bereits nach der englischen Patentschrift des auf einen Fotowiderstand auftreffenden Lichts ! 191719 eine Schaltung der eingangs erwähnten Art ändert, bei der eine logarithmierende Umsetzein- bekannt, bei der als logarithmierende Umsetzeinrichtung gerginger Impedanz in Reihe mit dem richtung eine logarithmierende Diode verwendet wird. Fotowiderstand geschaltet ist, dadurch ge- Die Speisespannung, die an die Reihenschaltung aus kennzeichnet, daß ein Anschluß des Foto- io Fotowiderstand und logarithmierender Diode gelegt Widerstands (13) mit dem Invertiereingang eines wird, ist dabei so gewählt, daß der Einfluß einer Operationsverstärkers (19) verbunden ist, daß der Spannungsänderung an dem Fotowiderstand mög-Ausgang des Operationsverstärkers (19) mit der liehst vernachlässigbar ist. Da die in Reihe mit dem logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14) zusam- Fotowiderstand liegende Diode jedoch eine gewisse mengeschaltet ist und daß zwischen aem Inver- 15 Impedanz aufweist, werden die Spannungsänderuntiereingang und dem Ausgang des Operations- gen an dem Fotowidefstand nicht vollständig komverstärkers (19) eine Rückkopplungsimpedanz pensiert. Insbesondere ergeben sich Nachteile daraus, (20) vorgesehen ist. daß Änderungen des Widerstands des Fotowider-

2. Schaltung nach Anspruch I, dadurch ge- stands selbst bei geringer impedanz der verwendeten kennzeichnet, daß der Ausgang des Operations- 20 logarithmierenden Diode und einer relativ großen Verstärkers mit der logarithmierenden Umsetz- Spannung an der Diode und dem Fotowiderstand zu

• einrichtung (14) über ein AuxgangsirnJcdanz- Änderungen der Spannung an dem Fotowiderstand

element (21, Fig. 1) verbunden ist, dessen führen. Diese Spannungsänderungen können weitere

Impedanz größer ist als die der logarithmierenden Änderungen des Widerstands des Fotowiderstands

Umsetzeinrichtung (14), und daß das Ausgangs- 25 hervorrufen, da der Fotowiderstand e:nen zeitab-

signal von einem Anschluß (17) zwischen dem hängigen Spannungskoeffizienten aufweist, was wie-

Ausgangsimpedanzelement (21) und der logarith- derum zu weiteren Änderungen der Spannung an dem

mierenden Umsetzeinrichtung (14) abnehmbar ist Fotowiderstand führt. Diese wiederholten Anderun-

(I ig. I). gen (uhren zu er oben erwähnten Verminderung der

3. Schaltung nach Ansprueh 2. dadurch ge- 30 Stabilität der Schaltung, was wiederum ein erhöhtes kennzeichnet, daß die logarithmierende Umsetz- Rauschen und eine geringere Ansprechgeschwindigeinrichtung zusammen mit der Rückkopplungs- keit zur Folge hat.

impedanz (20) im Rückkopplungskreis liegt Nach der deutschen Auslegungsschrift 1239 117

(F i g. 2). und der Patentschrift 35 744 des Amtes für Erfin-

4. Schaltung nach Ansprueh 3, dadurch ge- 35 dungs- und Patentwesen in Ost-Berlin sind andererkenn/eichnet, daß der Pol (16) einer Spannungs- seits Belichtungsmesser mit einem Fotowiderstand quelle (15,16) über ein Ausfangsimdedanzelement und einem nicht linearen Widerstand, insbesondere (24) mit der Verbindung zwischen der Rückkopp- einer Diode, bekannt, bei denen zur Kompensation lungsimpedanz und der logarithmierenden Um- der Temperaturabrumgigkeit des nicht linearen Widersetzeinrichtung (14) verbunden ist, daß das Aus- 4° stands Kompensationswiderstandsnetzwerke vorgegangsimpedanzelement (24) eine größere Impedanz sehen sind. Diese Widerstandsnetzwerke rufen unter als die Rückkopplungsimpedanz (23) aufweist. Umständen Instabilitäten hervor, dadurch, daß sie und daß das Ausgangssignal zwischen den An- große Änderungen in der Spannungsaufteilung zwischlüssen (17, 25) der logarithmierenden Umsetz- sehen den Widerstandsnetzwerken und dem Fotoeinrichtung (14) abnehmbar ist (F i g. 2). 45 widerstand aufweisen, wenn sich der Widerstand des

5. Schaltung nach Ansprueh 4, dadurch ge- Futowiderstands ändert.

kennzeichnet, daß ein zweiter Fotowiderstand (27) Durch diese bekannten kompensationswiderstands-

mit dem nicht invertierenden Eingang des Ope- netzwerke lassen sich andererseits die die Meßdaten rationsvcrstärkers (19) verbunden ist (F i g. 3). verfälschenden Temperatureinflüsse ausschalten. Al-

6. Schaltung nach Ansprueh 5, dadurch ge- 50 lerdings ist dazu am Meßwerk eine Bimetalleinrichkennzeichnet, daß mindestens eine zweite loga- tung angeordnet, die eine Nullpunktverschiebung zur rithmierende Umsetzeinrichtung (50) zwischen Kompensation der durch den Heißleiterwiderstand den zweiten Fotowiderstand (27) und den Pol gegebenen Verschiebung des Meßwerks vorsieht.
(16) einer Spannungsquelle geschaltet ist (Fig. 3). Ausgehend von einer Schaltung der eingangs er-

7. Schaltung nach Ansprueh 6, dadurch ge- 55 wähnten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zukennzeichnet, daß die Rückkopplungsimpedanz gründe, die Instabilitäten, die durch Änderungen der (20, 42, 36. 37. 38) veränderbar ist. Spannung an dem Fotowiderstand auftreten, zu vermindern.