DE2311676B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Weg-Spannungsumsetzer mit einer Lichtquelle, die ein Strahlenbündel zu einer aus zwei Fotodioden gebildeten Differential-Fotodiode lenkt, der eine gegenüber der Differential-Fotodiode bewegliche Schlitzblende derart vorgeordnet ist, daß die zur Differential-Fotodiode gelangende Lichtmenge stellungsunabhängig konstant ist, sowie mit einem ein Stellungssignal liefernden Differenzverstärker mit zwei Eingängen, deren jedem das Ausgangssignal einer der Fotodioden zugeführt ist.

Ein solcher berührungslos arbeitender Weg-Spannungswandler ist beschrieben in »Technische Mitteilungen Halbleiter« der Firma Siemens Nr. B 114/ 1062, auf der Seite 11. Die für die dort beschriebene Weg-Spannungswandlung verwendete Differential-Fotodiode besteht aus zwei Einzeldioden, die durch einen extrem geringen Abstand voneinander getrennt sind, so daß sehr genaue Positionsbestimmungen möglich sind. Über die Differential-Fotodiode wird eine Schlitzblende mit einem Spalt geführt, dessen Broite größer als die Breite des Trennstegs zwischen den beiden Einzeldioden ist und vorzugsweise mindestens den doppelten Wert des geforderten Meßwegs beträgt. Die Differential-Fotodiode gibt dann ein Differenzsignal ab, das bei konstanter Beleuchtungsstärke der beleuchteten Flächendifferenz proportional ist. Wegen der weitgehenden Übereinstimmung der beiden Einzeldioden ist die Genauigkeit des Signals relativ groß, wobei der Unterschied der Fotoströme der beiden Dioden in einer elektronischen Schaltung, nämlich einem Differential-Operationsverstärker, gemessen wird. Die Differenz der Fotoströme ist ein

ίο Maß für die Verschiebung der Blende. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist jedoch, daß die Differenz der Fotoströme nicht nur von der Blendenverschiebung, sondern auch von der Beleuchtung abhängt, so daß Beleuchtungsschwankungen, Streulicht, Alterun-

ls gen der Lichtquelle u. dgl. direkt in das Meßergebnis eingehen. Auch bei einer versuchten Stabilisierung der Speisespannung der Lichtquelle, die beispielsweise eine Glühlampe oder eine Lumineszenzdiode sein kann, gehen Alterung und Temperaturgang nach wie vor in die Meßgenauigkeit ein, dazu wirkt sich dann noch störend der Temperaturgang der beiden Dioden selbst und der nichtlineare Zusammenhang zwischen Diodenspannung und Beleuchtung sowie der Dunkelstrom der Dioden aus, der ebenfalls noch temperaturabhängig ist.

Es ist auch eine fotoelektrische Umsetzerschaltung bekannt, die analog eine einfallende Helligkeitsintensität auswertet und bei der zwei mit ihren jeweiligen Anschlüssen zusammengeschaltete, antiparallele Diodsn Verwendung finden, die auf einen nachgeschalteten Verstärker arbeiten, der sie im Kurzschluß betreibt (DE-AS 1957161). Durch diese Schaltung wird erreicht, daß Schwankungen der Umgebungstemperatur den Differenzstrom nur wenig beeinflussen. Andererseits ergibt sich auch bei dieser Schaltung der Nachteil, daß die Analoganzeige von der Beleuchtungsstärke der Differentialdioden sowie von anderen Einflüssen abhängt, beispielsweise von der Alterung der Dioden.

Bei einer digital arbeitenden Schaltung zur Erfassung mechanischer Verschiebungen auf fotoelektrischem Wege sind mehrere Fotodioden vorgesehen, die beim Verschieben eines Rastergitters zwischen einer Lichtquelle und den Dioden nacheinander abwechselnd Hell-Dunkel-Signale liefern, die in einer digitalen Auswerteschaltung dann zur Bestimmung der Stellung des Rastergitters gegenüber den Fotodioden verwendet wird (BE-PS 789538). Die von diesen Dioden erzeugten Spannungssignale werden einer

so Diodensummenschaltung mit parallel geschalteten Dioden zugeführt, wobei das Ausgangssignal dieser Summenschaltung zur Regelung der Lichtquelle verwendet wird. Aufgrund der Verwendung einer Summenschaltung mit parallel geschalteten Dioden und aufgrund der Verwendung eines verschieblichen Rastergitters wird der Regelschaltung für die Lichtquelle insgesamt eine Gleichspannung mit einem sehr hohen Wechselspannungsanteil zugeführt, wobei dessen Amplitude und Frequenz unter anderem von der Ver-Schiebegeschwindigkeit des Rastergitters abhängt. Bei dieser Schaltung ist damit keine exakte Konstanthaltung der Beleuchtungsstärke möglich. Bei einer digitalen Auswerteschaltung, wie sie in dieser Druckschrift beschrieben ist, ist dies auch nicht notwendig, denn hier genügt es, die Beleuchtungsstärke in Grenzen konstant zu halten. Bei dieser Schaltung ändert sich die auf alle Dioden gemeinsam auffallende Lichtmenge beim Verschieben des Rastergitters, da je nach

3 4

Stellung desselben mehr oder weniger Dioden abge- todiode, wobei je nach Stellung der Schlitzblende 3

deckt werden. Im Gegensatz dazu besteht bei der Um- die beiden Fotodioden 2a und Ib unterschiedliche

setzerschaltung der oben beschriebenen Art ein ande- Ausgangsfotoströme aufweisen, die zur Angabe der

res Problem. Bei dieser Schaltung, bei der ein Spalt Position der Schlitzblende 3 ausgewertet werden,

über zwei unmittelbar angrenzende Differentialdi- 5 Wie Fig. 2 zeigt, sind die Fotodioden 2e und 2b

öden verschoben wird, bleibt die Gesamtbeleuch- mit ihren Kathoden verbunden und an Masse gelegt,

tungsstärke des vom Spalt freigegebenen Feldes bei ihre Anoden liegen an den Eingängen jeweils eines

jeder Stellung des Spaltes konstant, d. h. auf die bei- Operationsverstärkers 3a bzw. 3b an, wobei die Ope-

den Differentialdioden fällt insgesamt immer genau rationsverstärker als ideal bzw. nahezu ideal voraus-

die gleiche Lichtmenge. Wenn sich hier die Licht- ίο gesetzt sind, d. h. daß ihr Eingangsstrom iea bzw. ieb

stärke der Lichtquelle ändert, ergeben sich aufgrund gegenüber dem Ausgangsstrom der Fotodioden ver-

des Analogmeßverfahrens Abweichungen. nachlässigbar klein ist, so daß dieser Fotostrom ipa

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bzw. ipb etwa dem durch die Rückführungswiderausgehend vorn eingangs beschriebenen Weg-Span- stände 4e bzw. Ab fließenden Strom iga bzw. igb nungsumsetzer einen Weg-Spannungsumsetzer zu 15 gleich ist. Aufgrund des extrem hohen Verstärkungsschaffen, bei welchem eine Ausgangsmeßspannung faktors der Operationsverstärker (im praktischen Fall erzielbar ist, die ausschließlich von der Bewegung der größer als 20000Ofach) ist die Eingangsspannung der Schlitzblende abhängig ist, so daß auf Beleuchtungs- Operationsverstärker gegenüber der Ausgangsspanänderungen, Alterungen, Tempera*urgänge und nung ebenfalls vernachlässigbar, bzw. beträgt im Nichtlinearität sowie Dunkelstrom der Dioden 20 praktischen Fall bei einer Ausgangsspannung von zurückzuführende Beeinflussungen ausgeschaltet etwa 10 V nur 0,05 mV. Dies bedeutet, daß die Disind. öden 2a und 2b durch die gegengekoppelten Opera-

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus tionsverstärker praktisch kurzgeschlossen sind, also von dem eingangs als bekannt bezeichneten Weg- mit kurzgeschlossenem Ausgang arbeiten. Die Aus-Spannungsumsetzer, der gemäß der Erfindung durch 25 gangsspannung des Verstärkers errechnet sich dabei die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: dann zu ip mal den Wert jeweils des Widerstandes

a) zwischen jede Fotodiode und je einen Eingang 4« bzw. 4b im Rückführungskreis der Verstärker, des Differenzverstärkers ist jeweils ein die Foto- Aufgrund dieses von den Operationsverstärkern gediode in Kurzschluß betreibender Verstärker ge- bildeten idealen Kurzschlusses der Dioden fließt kein schaltet, .10 Dunkelstrom und man erreicht eine lineare Abhän-

b) die Ausgänge der beiden Verstärker sind zu einer gigkeit des Kurzschluß-Fotostroms der Dioden 2a und Summenschaltung zusammengefaßt, deren Aus- 2b von der Beleuchtungsstärke.

gangssignal mit einem konstanten Referenzsi- Weiterhin wird über zwei Widerstände 5 und 6 in gnal am Eingang einer Helligkeitssteuerschal- den Ausgängen der Operationsverstärker 3a und 3b tung liegen, weiche die Lichtquelle beaufschlagt. 35 die Summe der Ausgangsspannungen der beiden Es ergibt sich auf diese Weise der Vorteil, daß auf- Operationsverstärker gebildet, da diese beiden Wigrund des idealen Kurzschlusses der Dioden, in wel- derstände mit ihrem einen Anschluß am Schaltungschem diese in die Operationsverstärker arbeiten, kein punkt A zusammengeführt sind. Da die Schlitzblende Dunkelstrom fließen kann, wobei der Kurzschlußfo- unabhängig von ihrer Stellung stets die gleiche Menge tostrom gleichzeitig über mehrere Zehnerpotenzen Ii- 4ii Licht auf die Differential-Fotodiode durchläßt, ist near zu der Beleuchtungsstärke proportional verläuft. diese Summenspannung stets gleich bzw. müßte stets Durch die Summenbildung der Ausgangssignale der gleich sein, wenn nicht andere Einflüsse vorlägen. Die Differential-Fotodiode und im Vergleich mit einer sich am Schaltungspunkt A ergebende Summenspan-Differenzspannung ist es dann noch möglich, zeitliche nung wird mit einem Referenzsignal verglichen, wel-Schwankungen in den Ausgangssignalen, die auf jede 45 ches über den Widerstand 7 ebenfalls an den Schal-Art von Einflüssen zurückzuführen sind, zu eliminie- tungspunk A gelangt und von einer vorgespannten ren. Zenerdiode 8 erzeugt wird. Die Zenerdiode 8 liegt Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge- über einen Vorwiderstand 9 an einer Spannungsgenstand der Unteransprüche und in diesen niederge- quelle V.

legt. so Da der Schaltungspunkt A gleichzeitig den Ein-Im folgenden wird auf Aufbau und Wirkungsweise gangsanschluß eines weiteren Operationsverstärkers eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der 10 darstellt, der über einen Rückführwiderstand 11 Figuren im einzelnen näher eingegangen. Es zeigt nur sehr lose gegengekoppelt ist, ergibt sich, wenn Fig. 1 die Anordnung einer von einer Strahlung man voraussetzt, daß auch der Operationsverstärker beaufschlagten Differential-Fotodiode mit dazwi- 55 10 ein nahezu idealer Operationsverstärker ist, daß sehen angeordneter Schlitzblende, schon bei einer geringfügigen Änderung des Sum-Fig. 2 die Schaltung des fotoelektrischen Weg- mensignals aus den beiden Operationsverstärkern 3a Spannungsumsetzers. und 3b eine merkliche Aussteuerung des Operations-Die in Fig. 1 gezeigte Differential-Fotodiode ist Verstärkers 10 erfolgt, was dazu führt, daß die im Ausdort mit dem Bezugszeichen 1 versehen; sie besteht 60 gangskreis des Operationsverstärkers 10 angeordnete nach der Schaltungsdarstellung der Fig. 2 aus zwei Lichtquelle 12 entsprechend zur Wiederherstellung Einzeldioden 2a und 2b, die um einen minimalen Steg des Gleichgewichtes ausgesteuert wird. Die Wirgetrennt sind. Über der Differential-Fotodiode 1 ist ki'ngsweise wird verständlich, wenn man sich vor Aueine Schlitzblende 3 verschiebbar angeordnet, der von gen hält, daß der Rückführwiderstand 11 sehr groß der Schlitzblende 3 zurückgelegte Weg soll in eine f>5 gewählt ist, so daß bereits ein kleiner Differenzstrom ausschließlich diesem Weg genau proportionale Span- ix — iRef= ig eine beträchtliche Ausgangsspannung nung umgewandelt werden. Durch den Schlitz der erzeugt. Aufgrund der Wirkung der auf der Zener-Schlitzblende fällt Strahlung auf die Differential-Fo- diode 8 basierenden ReferenzschaltunR wird also der

Summenstrom ix bzw. das Summensignal der Operationsverstärker 3a und 3b dadurch konstant gehalten, daß auch schon bei einer nur sehr geringfügigen Abweichung eine entsprechende Nachregelung der Leuchtleistung der Lichtquelle 12 erfolgt, so daß wieder das alte Summensignal hergestellt wird. Es gelingt auf diese Weise, Alterungserscheinungen bzw. Streulichteinflüsse zu eliminieren, da stets auf einen konstanten Summenstrom der Differential-Fotodiode 1 abgestellt wird, so daß auch diese Einflüsse ebenso wie ein möglicher Temperaturgang der Dioden, ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Diodenspan-

nung und Beleuchtung, der temperaturabhängige Dunkelstrom der Dioden und sonstige denkbaren Einflüsse eliminiert werden.

Die Meßauswertschaltung ist dann im unteren Bereich der Fig. 2 dargestellt; es werden die Einzelausgangssignale der Operationsverstärker 3a und 3b getrennt abgegriffen und über Widerstände 13 und 14 auf einen Differenz-Operationsverstärker 15 geleitet, an dessen Ausgang dann das eigentliche Meßsignal Ua, nunmehr absolut proportional dem Verschiebeweg der Schlitzblende 3, abgenommen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Fotoelektrischer Weg-Spannungsumsetzer mit einer Lichtquelle, die ein Strahlenbündel zu einer aus zwei Fotodioden gebildeten Differential-Fotodiode lenkt, der eine gegenüber der Differential-Fotodiode bewegliche Schlitzblende derart vorgecrdnet ist, daß die zur Differential-Fotodiode gelangende Lichtmenge stellungsunabhängig konstant ist, sowie mit einem ein Stellungssignal liefernden Differenzverstärker mit zwei Eingängen, deren jedem das Ausgangssignal einer der Fotodioden zugeführt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) zwischen jede Fotodiode (2a; 2b) und je einen Eingang des Differenzverstärkers (15) ist jeweils ein die Fotodiode (2a; 2b) in Kurzschluß betreibender Verstärker (3a; 36) geschaltet,

b) die Ausgänge der beiden Verstärker (3a; 3b) sind zu einer Summenschaltung (5,6) zusammengefaßt, deren Ausgangssignal mit einem konstanten Referenzsignal am Eingang einer Helligkeitssteuerschaltung liegen, welche die Lichtquelle (12) beaufschlagt.

2. Weg-Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal ausgehend von einer vorgespannten Zenerdiode (8) über einen Widerstand (7) an den Eingang eines Operationsverstärkers (10) gelangt, an welchem auch das Ausgangssignai der Summenschaltung (5, 6) anliegt, und daß der Ausgang des Operationsverstärkers (10) zur Speisung der Lichtquelle (12) mit dieser verbunden ist.

3. Weg-Spannungsumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (10) über einen hohen Rückführwiderstand (11) lose gegengekoppelt ist.