DE2109735C3 - Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das sich linear mit dem Loga¬ - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das sich linear mit dem Logarithmus der Intensität des auf einen Fotowiderstand auftreffenden Lichts ändert, bei der eine logarithmierende Umsetzeinrichtung geringer Impedanz in Reihe mit dem Fotowiderstand an eine Spannungsquelle geschaltet ist.

Wenn eine Lichtmessung mit Hilfe eines Fotowiderstands zur Messung sehr kleiner Lichtabsorptionen oder sehr kleiner Lichtabsorptionsunterschiede vorgenommen wird, dann ist die Meßempfindlichkeit zum einen durch die Stabilität des Fotowiderstands und zum anderen durch den elektrischen Rauschpegel begrenzt Es ist bereits nach der englischen Patentschrift 11 91 719 eine Schaltung der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der als logarithmierende Umsetzeinrichtung eine logarithmierende Diode verwendet wird. Die Speisespannung, die an die Reihenschaltung aus Fotowiderstand und logarithmierender Diode gelegt

ίο wird, ist dabei so gewählt, daß der Einfluß einer Spannungsänderung an dem Fotowiderstand möglichst vernachlässigbar ist Da die in Reihe mit dem Fotowiderstand liegende Diode jedoch eine gewisse Impedanz aufweist, werden die Spannungsänderungen

ι an dem Fotowiderstand nicht vollständig kompensiert. Insbesondere ergeben sich Nachteile daraus, daß Änderungen des Widerstands des Fotowiderstands selbst bei geringer Impedanz der verwendeten logarithmierenden Diode und einer relativ großen Spannung an

der Diode und dem Fotowiderstand zu Änderungen der Spannung an dem Fotowiderstand führen. Diese Spannungsänderungen können weitere zeitlich verzögerte Änderungen des Widerstands des Fotowiderstands hervorrufen, was wiederum zu weiteren Ände- rangen der Spannung an dem Fotowiderstand führt. Diese wiederholten Änderungen führen zu der obenerwähnten Verminderung der Stabilität der Schaltung, was wiederum ein erhöhtes Rauschen und eine geringere Ansprechgeschwindigkeit zur Folge hat.

JO Nach der deutschen Auslegungsschrift 12 39 117 und der Patentschrift 35 744 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin sind andererseits Belichtungsmesser mit einem Fotowiderstand und einem nicht linearen Widerstand, insbesondere einer Diode, be-

J5 kannt, bei denen zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des nicht linearen Widerstands Kompensationswiderstandsnetzwerke vorgesehen sind. Diese Widerstandsnetzwerke rufen unter Umständen dadurch Instabilitäten hervor, daß sie groEc Änderungen in der Spannungsaufteilung zwischen den Widerstandsnetzwerken und dem Fotowiderstand bewirken, wenn sich der Widerstand des Fotowiderstands ändert.

Durch diese bekannten Kompensationswiderstandsnetzwerke lassen sich andererseits die die Meßdaten verfälschenden Temperatureinflüsse ausschalten. Allerdings ist dazu am Meßwerk eine Bimetalleinrichtung angeordnet, die eine Nullpunktverschiebung zur Kompensation der durch den Heißleiterwiderstand gegebenen Verschiebung des Meßwerks vorsieht.

Ausgehend von einer Schaltung der eingangs erwähnten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Instabilitäten, die durch Änderungen der Spannung an dem Fotowiderstand auftreten, zu vermindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Anschluß des Fotowiderstands mit dem Invertiereingang eines Operationsverstärkers verbunden ist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers mit der logarithmierenden Umsetzeinrichtung zusammengeschaltet ist und daß zwischen dem Invertiereingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers eine Rückkopplungsimpedanz vorgesehen ist.

Durch den erfindungsgemäßen rückgekoppelten Operationsverstärker zwischen dem Fotowiderstand und der logarithmierenden Umsetzeinrichtung läßt sich das Potential an dem einen Ende des Fotowiderstands konstant halten, wodurch Instabilitäten kompensiert oder verhindert werden. Auf diese Weise läßt sich auch

das Rauschen vermindern und die Ansprechgeschwindigkeit erhöhen. Mit dem erfindungsgemäQen 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 Fotowiderstand erhöhen, wobei jedoch die dadurch entstehende Neigung zur Instabilität durch den Operationsverstärker auskompensiert wird.

Die Neigung zu Instabilitäten durch Spannungsänderungen läßt sich zusätzlich dadurch verringern, 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 mindestens eine zweite logarithmierende Umsetzeinrichtung zwischen den zweiten fotowiderstand und den Pol einer Spannungsquelle geschaltet ist.

Ausführungsformen 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

Fig. I und 2 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung und

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

In den Fig. 1 und 2 ist eine Schaltung zur Messung der Intensität von Licht dargestellt, das durch eine optische Durchflußzelle (nicht dargestellt) hindurchgeht, durch die eine Flüssigkeit fließt, deren Lichl absorption 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 Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen bilden einen Lastwiderstand für den Fotowiderstand, der sehr klein, verglichen mit dem Widerstand des Fotowiderstands, ist, wodurch der Rauschpegel kleirer, die Stabilität größer und dlie Ansprechgeschwindigkeit ebenfalls größer wird. In F i g. 1 ist der Invertiereingang eines Operationsverstärkers 19 mit einem Ende des Fotowiderstands 13 verbunden, und das andere Ende des Fotowiderstands ist mit der negativen Anschlußklemme 15 einer Spannungsquelle 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 die elektrische Impedanz für den Fotowiderstand sehr klein und die Eingangsspaniung des Verstärkers ist immer nahezu Null. Der Operationsverstärker hat entsprechend der Definition genügend innere Verstärkung, so daß die ihm zugeführte Eingangsspannung nahezu Null sein muß, damit seine Ausgangsspannung innerhalb annehmbarer Grenzwerte bleibt Die Spannung an dem

Fotowiderstand wird sich deshalb nicht mit Änderungen des Widerstands des Fotowiderstands beträchtlich ändern. Ein Widerstand 21 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers mit einer Diode 14 und mit einer Ausgangsanschlußklemme, wobei der Widerstand des

ίο 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 Fotowider stand erscheinende Impedanz durch die Gegenkopp lungswirkung eines Operationsverstärkers 19 mit Hilfe eines Gegenkopplungswiderstands 20 sehr gering ist, wobei die Spannung, die dazu verwendet wird, die Gegenkopplung über den Widerstand 20 zu bilden, gleich dem Spannungsabfall an einf.y Widei-stand 24 ist, der ais Foige eines durch eine Diod" 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 Logarithmus der Intensität des Lic ,its, 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 Spannungsänderungsempfindlichkeit erhöht sich mit steigender Temperatur der Diode. Es ist jedoch noch nachteilig, 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 vorgenom- men 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 F i g. 3 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 einer Spannungsquelle über eine Abweichoder Null-Einstellschaltung verbunden, die Widerstände 21,26 und 29 aufweist. Mit dem Fotowiderstand 27 sind Dioden 30 und 31 und mit dem Fotowiderstand 13 Dioden 32 und 33 verbunden. Diese Dioden sind bezüglich der beiden obenerwähnten Temperatureffekte sowie der Empfindlichkeit bei der logarithmierenden Umwandlang von Strom in Spannung sehr genau aneinander angepaßt. Es können zwei odir mehr Dioden in Reihe mit jedem der Fotowiderstand? geschaltet sein, damit die Empfindlichkeit bei der logarithmierenden Umwandlung erhöht wird. Wenn beispielsweise eine Diode eine Spannungsänderung von 70 μν bei einer zehn-zu-eins-Änderung des durchfließenden Stroms erzeugt, dann werden durch zwei in Reihe geschaltete Dioden bei einer zehn-zu-eins-Ände-

rung des Stroms 140 μ V als Spannungsänderung erzeugt. Zweckmäßigerweise wird eine integrierte Diodenanordnung für die dargestellten Dioden verwendet, da integrierte Dioden gute Anpassungseigenschaften aufweisen. Der Invertiereingang eines Operationsverstärkers 19 ist mit der Verbindung zwischen dem Fotowiderstand 13 und der Diode 3:2 verbunden und der Nicht-Invertiereingang des Operationsverstärkers 19 ist mit der Verbindungsstelle zwischen dem Fotowiderstand 27 und der Diode 30 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers ist mit einer Ausgangsanschlußklemme und auch mit einer einstellbaren Rückkopplungsschaltung verbunden, die feste Widerstände 36 und 37, einen temperaturabhängigen Widerstand 38 mit negativen Temperaturkoeffizienten, einen einstellbaren Eichwiderstand 39, feste Widerstände 40 und 41 und einen Bereichsumschalter 42 aufweist. Die beiden Fotowiderstände und die beiden Diodenpaare sind so geschaltet.

die gesamte Lichiabsorptionsempfindlichkeit der Schal lung bei Temperaiuränderungen konstant ist. De Bezugsfotowiderstand 27 ist im Ende eines Bezugslicht pfads angeordnet, der durch eine Licht absorbierend! optische Bezugszelle hindurchgeht, wohingegen de Meßfotowiderstand 13 sich am Ende eines zu messen den Lichtpfads befindet, der durch eine optisch« Durchflußzelle hindurchgeht, die die zu messendi Flüssigkeit führt. Die beiden Fotowiderstände sim vorzugsweise hinsichtlich ihrer Lichtempfindlichkeil der Farbansprechempfindlichkeit, dem Temperaturko effizienten des Widerstand· aneinander angepaßt, dami die beste Schaltungsarbeitsweise in bezug auf Genauig keil. Stabilität und Rauschpegel erreicht wird. De Fotowiderstand 27 kann auch durch einen fester Widerstand ersetzt sein, wobei dann der Fotowider stand 13 nur dazu verwendet wird, die absolut« Lichtabsorption an Stelle der Differenzabsorption zi

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annimmt, daß die Fotowiderstände 27 und 13 die :< > Bezugs- und Meßzweige der Brücke bilden, dann hängt der Grad der Gegenkopplung des Meßzweigs der Brücke von der Einstellung des Bereichsumschalters 42 und von der Einstellung des Eichwiderstands 39 ab. Der Widerstand, der in die Meßschaltung durch den >■> Bereichsumschalter 42 eingeschaltet wird, ist klein im Vergleich zu dem wirksamen Widerstand der Dioden 32 und 33. Wie man sieht, weisen die festen Kontakte des Bereichsumschalters 42 Markierungen auf, die der Lichtabsorption bei Vollausschlag oder optischen «> Dichtebereichen einer Absorption von 0,02 bis zu einer Absorption von 2,00 für eine Ausgangsspannung bei vollem Skalenausschlag an den Ausgangsanschlußklemmen 16 und 35 entsprechen. Die Gegenkopplung in dem Meßzweig der Brückenschaltung ist hundertmal so groß, wenn der Schalter 42 auf die Stellung 2,00 eingestellt ist, als wenn er sich in der Stellung 0,02 befindet. Deshalb ist eine hundertmal so große Änderung des Logarithmus des Widerstandsverhältnisses der beiden Fotowiderstände notwendig, um eine Ausgangsspannung von vollem Skalenausschlag zu erzeugen, wenn der Schalter von der Stellung 0.02 in die Stellung 2,00 umgeschaltet wird. Der einstellbare Eichwiderstand 39 wird von Hand eingestellt, um die Schaltung zu eichen, so daß eine Ausgangsspannung für vollen Skalenausschlag zwischen den Anschlußklemmen 16 und 35 erscheint, die genau dem gewünschten vollen Skalenbereich der Lichtabsorption entspricht. Es werden vorzugsweise Präzisionswiderstände verwendet, so daß die Eichung für Absorption bei genau einer vollen Skala in einem Bereich, der mit Hilfe des Schalters 42 ausgewählt ist, auch für die übrigen Bereiche automatisch und gleichzeitig eine Eichung darstellt Die Spannung an den Ausgangsanschhißklemmen 16 und 35 wird nicht durch den sich vermindernden Wert der Spannung von 2 μν bei einer Temperaturänderung von 1°C beeinflußt weil die Temperaturänderungen an den Dioden 30 und 31 beinahe die gleichen Spannungsänderungen wie die Dioden 32 und 33 hervorrufen. Diese beiden Änderungen werden durch den Verstärker 34 voneinander abgezogen, wodurch eine Differenz von beinahe Null verbleibt Da die Empfindlichkeit der logarithmierenden Umkehrung, die von den Dioden hervorgerufen wird, sich mit der Temperatur ändert mindert der temperaturabhängige Widerstand 38, der beispielsweise ein Thermistor sein kann, die Verstärkung der gegengekoppelten Verstärkerschaltung bei höheren Temperaturen derart daß Bei der Schaltung nach Fig. J kennen die Schaltun gen nach F i g. 1 oder F i g. 2 verwendet werden. Um dii Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 3 zu erreichen muß jedoch mehr als ein Operationsverstärker verwen det werden, jedoch ist eine solche Anordnung it bestimmten Fällen sogar erwünscht. Beispielsweisi kdnn die gesamte in F i g. 1 dargestellte Schaltung at Stelle des Bezugsfotowiderstands 27 und der Dioden 3( und 3·. in Fig.3 gesetzt werden, wobei dann dei Nichtinvertiereingang des Verstärkers 19 nach Fig.; mit der Ausgangsanschlußklemme 17 nach F i g. I verbunden wird. Eine zweite Schaltung, die dei Schaltung nach Fig. 1 entspricht, wird an Stelle de: Meßfotowiderstands 13 und der Dioden 32 und 33 ir F i g. 3 vorgesehen, wobei dann der Invertiereingang de; Operationsverstärkers 19 mit der entsprechender Ausgangsanschlußklemme 17 der zweiten Schaltung und wobei dann die Anschlußklemme 16 der zweiter Schaltung mit der Anschlußklemme des Bereichsum Schalters 42 verbunden wird.

Die in den Fig. I und 2 dargestellten Schaltunger können zur Anzeige und/oder zum Aufzeichnen dei absoluten Lichtabsorption in einer optischen Zeil« verwendet werden. Bei der Schaltung nach der Fig. 1 wird ein elektrischer Spannungsmesser und/oder eir Spannungsaufzeichnungsgerät (nicht dargestellt) an dit Ausgangsanschlußklemme 16 und 17 der Schaltung angeschlossen. Bei der Schaltung nach F i g. 2 würde da; Anzeige- und/oder Aufzeichengerät an die Ausgangsan schlußklemmen 17 und 25 angeschlossen werden. Bei al diesen Anordnungen ist es nur erforderlich, daß die Impedanz des Meßgeräts, welches zu der Diode _hf.ralle geschaltet ist, verglichen mit dem wirksamen Widerstand der Diode, sehr groß ist

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

Fotowiderstandszellen sind natürlich gut bekannt Die logarithmische Spannungsstromkennlinie von Siliziumhalbleiterdioden ist auch gut bekannt Wenn jedoch diese Bauelemente, wie in den verschiedenen Ausführungsformen nach der Erfindung verbunden und betrieben werden, dann ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese Verbesserung des Signai-Rausch-Verhäitnisses wird nicht durch die bekannte Theorie vorausgesagt Die Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit 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 logarithmierende Umsetzschaltung, bei der ein Transistor in dem Rückkopplungsweg eines Operationsverstärkers verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   t. Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das sich linear mit dem Logarithmus der Intensität des auf einen Fotowiderstand auftreffenden Lichts ändert, bei der eine logarithmierende Umsetzeinrichtung geringer Impedanz in Reihe mit dem Fotowiderstand an eine Spannungsquelle geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß des Fotowiderstands (13) mit dem Invertiereingang eines Operationsverstärkers (19) verbunden ist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers

   (19) mit der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14, 32, 33) zusammengeschaltet ist und daß zwischen dem Invertiereingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers (19) eine Rückkopplungsimpedanz (20; 36 bis 42) vorgesehen ist
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers mit der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14) über ein Ausgangsimpedanzelement (21) verbunden ist, dessen Impedanz größer ist als die der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14), und daß das Ausgangssignal von einem Anschluß (17) zwischen dem Ausgangsimp?danzelement (21) und der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14) abnehmbar ist
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die logarithmierende Umsetzeinrichtung zusammen mit der Rückkopplungsimpedanz

   (20) im Rückkopplun°skreis Negt.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Po! (!6J der Spannungsqueüe (15, 16) über ein Ausgangsimpedanzelement (24) mit der Verbindung zwischen der Rückkopplungsimpedanz und der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14) verbunden ist, daß das Ausgangsimpedanzelement (24) eine größere Impedanz als die Rückkopplungsimpedanz (20) aufweist, und daß das Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen (17, 25) der logarithmierenden Umsetzeinrichtung (14) abnehmbar ist.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Fotowiderstand (27) mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (19) verbunden ist.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zweite logarithmierende Umsetzeinrichtung (30, 31) zwischen den zweiten Fotowiderstand (27) und den Pol (16) der Spannungsquelle geschaltet ist.
7. 7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsimpedanz (20; 36 bis 42) veränderbar ist.