DE2354212A1 - Vorrichtung zur umwandlung von lichtstaerke in spannung - Google Patents

Description

O OC / O Λ J

Minolta Camera Kabushiki Kaisha Osaka Kokusai Building,
30, 2-chome, Azuchi-Machi, Higashi-ku, Osaka 541 / Japan ,

Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtstärke in Spannung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umformung von Lichtstärke in Spannung, wobei die Spannung genau umgekehrt proportional zur Lichtstärke ist.

Im allgemeinen ist der Widerstand eines Photowiderstandes (photoleitenden Elements) nicht genau umgekehrt proportional zur Lichtstärke, sondern genügt der folgenden Beziehung:

Rp=K-E~^r (1),

wobei Rp der Widerstand' des Photowiderstands, E die Lichtstärke ist und K undy Konstanten sind. Deshalb erhält man, wenn man einen Strom Ip, der unabhängig von der Spannung zwischen den beiden· Enden des Elementes konstant'ist, fließen läßt, nach dem 0hm^fsehen Gesetz folgende Gleichung,

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worin die Spannung Vp umgekehrt proportional zur Lichtstärke hochy ist: .

Bisher wird "bei verfügbaren Vorrichtungen, die einen Ausgang erfordern, der genau umgekehrt proportional zur Lichtstärke ist, eine Vorrichtung verwendet, die wie in Fig. 1 gezeigt aufgebaut ist, worin logarithmische Umformmittel wie eine Logarithmierschaltung und eine Delogarithmierschaltung enthalten sind.

In der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung ist ein Photowiderstand Rp an 'eine Konstantstromquelle CIS.angeschlossen, so daß ein konstanter Strom durch den Photowiderstand Rp fließt. Die Spannung Vp über beiden Enden des Elementes Rp ist . Λ . . .

Vp=Rp-Ip=K-E^-^Ip, ' .....(2.1), ■

und sie wird in eine Logarithmierschaltung LCC

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gegeben, um den folgenden Ausgang zu erzeugen: log Vp=-f·log E + log K-Ip ...:.(2.2).

Dann wird der oben genannte Ausgang auf eine Verstärkerschaltung MG gegeben, um mit rr verstärkt zu werden und folgenden Ausgang zu erzeugen:

I log Vp=-log E + !.log K-Ip .....(2.3), * - ξ

log VpT-logCK- Ip )jt> E ' .....(2.4).

Der oben genannte Ausgang wird auf eine reziproklogarithmische Umformerschaltung, d.h. auf eine Delogarithmierschaltung LSC gegeben, um folgenden Ausgang zu erzeugen:

1-1-

wobei

V = Vpf (2.6).

4 -

4Q9819/0890

Auf diese Weise ist der Ausgang V¹ der Delogarithmierschaltung LEG genau umgekehrt proportional zur Lichtstärke E.

Die oben angeführte Vorrichtung herkömmlichen Aufbaus hat den Nachteil eines geringen Signalrauschabstandes (S/R), da Rauschfaktoren, die an den Punkten a und b in Fig. 1 Eingang finden, wobei diese Punkte vor der Delogarithmierung durch die Schaltung LEC liegen, in großem Umfange durch die Delogarithmierung verstärkt werden, was -einen niedrigen Signalrauschabstand (S/N) bei der Ausgangsspannung V zur "Folge hat. Bisher war ein sehr komplizierter Schaltungsaufbau notwendig, um diese Rauschverstärkung zu eliminieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei der Umformung der Lichtstärke in Spannung bei gutem Linearitätsverhalten.in der Lage ist, bei einem eehr einfachen S.ohaltungsaufbau einen hohen Signalrauschabstand S/N zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein photoleitendes Element mit einem Widerstand, der proportional zurLichtstärke hoch -y ist,

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ein erstes Steuermittel zur Steuerung des durch das photoleitende Element fließenden Stromes, ein zweites Steuermittel, das als Eingangssignal die Spannung über beiden Anschlüssen des photoleitenden Elements erhält und das als Ausgang ein Signal für das erste Steuermittel derart erzeugt, daß der (durch das photoleitende Element fließende) Strom näherungsweise proportional zur Spannung (über beiden Anschlüssen des photoleitenden Elements) hoch 1-/" ist, sowie einem Mittel zum-Abnehmen der Spannung über den beiden Anschlüssen des ph'o-toleitenden Elements als.Ausgangssignal.

Das zweite Steuermittel kann eine Charakteristik aufweisen zur Erzeugung eines durch b + d*log(X+r) darstellbaren Ausgangssignals für ein Eingangssignal X, wobei b, d und r Konstanten sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält das erste Steuermittel einen Transistor, dessen Kollektor mit dem photoleitenden Element verbunden ist, während das zweite Steuermittel wenigstens

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einen Transistor enthält, an dessen Kollektor wenigstens eine Diode zur logarithmischen Umformung und dazu in Reihe ein veränderlicher Widerstand angeschlossen sind, wobei Basis und Emitter des Transistors im ersi'en Steuermittel an den Anschlüssen der Reihenschaltung der Diode und des Widerstands liegen und Basis und Emitter des Transistors im zweiten Steuermittel an den Anschlüssen der Reihenschaltung des photoleitenden Elements und in Emitter-Kollektor-Verbindung des stromeinstellenden Transistors liegen, der im Ansprechen auf die Einstellung eines Einstellmittels, das mit seiner Basis verbunden ist, den durch das photoleitende Element fließenden Strom einstellt.

Weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden •Beschreibung grundlegender und bevorzugter Aus— führungsbeispiele der Erfindung anhand der annängenden Zeichnung.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung der

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herkömmlichen Vorrichtung zur Umformung von Lichtstärke in Spannung.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das den grundlegenden Aufbau der Vorrichtung gemäß der ■ vorliegenden Erfindung-zeigt.

Fig. 3 ist ein Diagramm,das die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Mittels t2 gemäß Fig. 2 veranschaulicht.

Fig. 4 ist ein Schaltkreisschaubild, das die grundlegende Schaltverbindung in der Vorrichtung zeigt gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist ein Schaltkreisschäubild, das ein effektives Beispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 6 ist ein Schaltkreisschaubild, das eine der Ausführung nach Fig. 5 äquivalente Schaltung darstellt.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der relativen lichtstarke als Eingangsgröße und dem relativen Ausgangsstrom, der durch den Photowiderstand Rp fließt, , ■ darstellt.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist den in Fig, 2 gezeigten grundlegenden Aufbau auf, worin als photoleitendes Element (photoconductive element) ein Photowiderstand Rp und ein erstes Steuermittel (Kreis) ti, welches den Strom durch den Photowiderstand Rp steuert, in Reihe an einer Gleichstromquelle DCS liegen. Die beiden Anschlüsse des Photowiderstands Rp liegen am Eingang eines zweiten Steuermittels (Kreis) t2, der das Steuersignal für das erste Steuermittel ti abgibt.

Das erste Steuermittel ti steuert den Strom Ip des Photowiderstands Rp derart, daß er proportional zu seiner Betriebseingangsspannung Y ist, die vom Ausgang des zweiten Steuermittels t2 abgegeben wird. Das zweite Steuermittel t2 empfängt als Eingangsspannung die Spannung Vp über beiden Enden des Photowiderstands Rp. Die Ausgangsklemmen "Out" (Aus) sind mit beiden Enden des Photowiderstands Rp verbunden.

Wie bereits unter Bezug auf die Gleichungen (1) und (2) erläutert, ist die Ausgangsspannung Vp gegeben durch: Vp=K*E *·Ιρ.

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Dementsprechend, wenn der Strom Ip gesteuert wird, so daß er

Ip = Ο·εΓ~¹ .....O)

ist, erhält man'aus den Gleichungen (2) und (3) folgende Beziehung:

Vp = Κ·Ε~ίΤ.Ο·Ε^~¹ = K.C-E~¹ (3.1).

Auf diese Weise, erhält man, wenn man die Beziehung nach Gleichung (3) mit Hilfe der Charakteristik des zweiten Steuermittels t2 erhält, die genaue umgekehrte Proportionalität zwischen Lichtstärke und Ausgangsspannung Vp.

Um die oben erwähnte Charakteristik zu erlangen, muß das zweite Steuermittel t2 die folgende Charakteristik zwischen seinem Eingang X und seinem Ausgang Y aufweisen:

Y = hX¹"^ (3.2),

wobei h eine Konstante ist.

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Mit der Charakteristik wie oben angeführt wird der Ausgang Y des zweiten Steuermittels t2 für die Eingangsspannung Vp = K-C-S wie folgt:

I=hX¹-t h (KC-E ¹) ¹-^= Κ3-ΕΪ ¹ (3.3), "

wobei K3 eine Konstante ist.

Demnach steuert das erste Steuermittel ti seinen Ausgangsstrom Ip derart, daß er proportional zum Ausgang Κ3·Ε| des zweiten Steuermittels t2 ist, und damit wird die Spannung Vp über den beiden Anschlüssen des Photowiderstands Rp, nämlich die Spannung an dem Ausgangsanschluß OUT der Vorrichtung wie durch G-leichung (3.1) gezeigt.

Die Charakteristik nach Gleichung (3.2) ist die theoretische Charakteristik, die durch eine ausgezogene Linie im Diagramm von Fig. 3 dargestellt

eins ist. Es war jedoch schwierig·,/solche Charakteristik durch eine sehr einfache Schaltung zu erreichen. Aber im praktischen Betrieb kann diese Charakteristik durch die folgende Charakteristik approximiert werden, wenn die Konstanten richtig gewählt werden:

I = b + d-logCX+p) (3.4).

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Die strichlierte Linie in Fig. 3 zeigt die Kurve der Funktion von Gleichung (3.4).

ung Die Charakteristik nach Gleich/O.4) kann durch Verwendung einer logarithmischen Funktion von einer Diode oder von Dioden realisiert werden.

Eine bevorzugte, grundlegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 4 dargestellt, die Einzelheiten der Steuermittel ti und t2 zeigt«. Gemäß Fig. 4 enthält das erste Steuermittel ti einen ersten Transistor TI, dessen Kollektor an einem Anschluß des Photowiderstands Rp liegt. Das zweite Steuermittel t2 enthält einen Transistor T2, dessen Basis und Emitter jeweils an einem Anschluß des Phot©Widerstands Rp liegen und dessen Kollektor an der Reihenschaltung einer Diode D und eines veränderlichen Widerstandes R2 liegt. Der Verbindungspunkt ρ zwischen dem Kollektor des Transistors T2 und der Diode D dient der logarithmischen Umwandlung und liegt an der Basis des Transistors T1.

Allgemein ist eine Spannung über beiden Anschlüssen

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einer Diode oder über einer Reihenschaltung .von Dioden dem Logarithmus des Stroms proportional, der durch die Diode fließt, und dementsprechend wird die Spannung Vpq zwischen den Punkten ρ und q gegeben durch:

■ Vpq = R2-i + d.log i .....(3.5),

worin d eine Konstante ist und i der Strom, der durch die Diode D und den Widerstand R2 fließt.

Da der Kollektorstrom Ip der Basiseingangsspannung Vpq des Transistors'T1 proportional ist, gilt:

Ip = L-Vpq = LjR2-i + d-log i

worin L eine Konstante ist. Die Konstanten L und d müssen durch geeignete Auswahl der Schaltungskonstanten gewählt werden, um eine gute Annäherung zwischen der theoretischen Kurve Y=X ~9 und der vorliegenden Kurve Y = b+d^logd+^) zu erhalten. Damit ist die Beziehung nach Gleichung (3.1) angenähert.

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Fig. 5 zeigt eine besonders zweckmäßige Ausführungsform mit zwei veränderlichen Widerständen R2 und Rv als Einstellmittel für die Näherung an die Charakteristik. Die Vorrichtung sieht auch ein Paar Thermistoren E1 und H2 zur Temperaturkompensation, einen Transistor Q3 zur Stromeinstellung sowie einen Nehenschlußwiderstand (shunt) Rs vor. Eine Darlington-Schaltung, bestehend aus einem Paar Transistoren. Q1 und Q2 wird anstelle des Transistors T2 verwendet, so daß nur ein sehr kleiner Eingangsstrom an der Basis des Transistors Q1 benötigt wird. Der Transistor Q3 liegt mit dem Kollektor am Pluspol der Gleichstromquelle DCS, mit dem Emitter am Photowiderstand Rp und mit seiner Basis am Gleitkontakt des veränderlichen; Widerstandes Rv. Wie noch beschrieben wird, dient der veränderliche Widerstand Rv zur Einstellung einer guten Näherung im Bereich hoher Lichtstärke, und der veränderliche Widerstand R2 zur Einstellung der Kurve für eine gute Näherung im Bereich niedriger Lichtstarke. Ferner kann durch Verwendung einer Reihenschaltung von mehreren Dioden die Diode D ersetzt werden, um eine höhere Sperr-

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spannung (umgepolte Durchschlagsspannung) zu gewährleisten. Zur Darstellung der Wirkungsweise kann die Schaltung nach Fig. 5 durch ein äquivalentes Schaltungsdiagramm nach Fig. 6 wiedergegeben werden.

Wie in Fig. 6 gezeigt, liegt, da beide Anschlüsse des veränderlichen Widerstandes Rv an den beiden Anschlüssen der Gleichstromquelle DCS liegen, eine Teilspannung an dem beweglichen Kontakt des veränderlichen Widerstandes Rv, und diese Spannung wird an die Basis des Transistors QJ angelegt. Aufgrund des lebenschlußwiderstandes Rs fließt der größte Teil des Emitterstromes des Transistors Q3 durch den Nebensehlußwiderstand Ss, und demnach fließt ein sehr kleiner Teil des Emitterstromes durch den Photowiderstand Rp. Demgemäß wird der Emitterstrom des Transistors Q3 kaum durch eine Änderung des Stromes Ip, der durch den Photowiderstand Rp fließt, beeinflußt, so daß eine konstante Spannung Vo zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Q3 gewährleistet ist. Diese Spannung Vo ist nur von der Stellung des beweglichen Kontaktes des veränderlichen Widerstandes Rv abhängig«

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Die Summe der Spannung Vo und der Spannung Vp, die über den Anschlüssen des Photowiderstands Ep liegt, wird über Emitter und Basis des Transistors T2 angelegt, wie in Fig. 6 gezeigt.

.Wenn man nun Eo als Mittelwert der Lichtstärke, den Widerstand als Epo und den Strom durch das Photowiderstandselement für diese Lichtstärke als Ipo, den Kollektorstrom des Transistors T2 als io und die Spannung zwischen den Punkten ρ und q für den oben genannten Zustand mit Vpqo definiert, dann erhält man nach den Gleichungen (1), (3) und (3.3) folgende Beziehungen:

Rpo = K-Eo
demnach " -

K = ßpo/Eo""^ (4.1)

Ipo = C-Eo^"¹
demnach

C = Ipo/e/"¹ .(4.2)

Durch Einsetzen von K und C aus den Gleichungen (4.1) und (4.2) in die Gleichungen (1) und (3), ergeben sich folgende Beziehungen:

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Rp = K-E *" = (Rpo/Eo *" )E * (5)

Ip = G-E^"¹ = (I_Po/e/~¹)/~¹ (5.D.-

AIs nächstes ergibt sich durch Definition von i^f als Kollektorstrom des Transistors T2 für den Zustand Vp = 0, aufgrund der linearen Charakteristik zwischen Baässpannung Vo + Vp und Kollektorstrom i des Transistors T2, folgende Beziehung:

i- = i^f + K1-Vp,(wobei K1 eine Konstante ist) ...(5.3). Damit aus den.Gleichungen (3.1) und (5.3),

i = i¹ + K1-K-C-E"¹ = i' + K2-E~¹ (5.4),

wobei K2 = K1*K*C ist. Und daraus

(i - i')E = K2 (5.4¹),

und durch Heranziehen der genannten Bedingung von io für Eo in Gleichung (5.4'),

(io - i')Eo = K2 (5.5).

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Aus den Gleichungen (5.4) und (5.5) ergibt sich

i = i' + Cio - ±ηψ . (6),

und aus den Gleichungen (4) und (6), Ip = LjB2-(i^r + (io-i^f²) + d-logCi'+Cio-i¹)^)] .....C8).

Für geringe Lichtstärke ist der logarithmische Ausdruck der Gleichung (8) Yernachlässlgbar klein und demnach wird die Bedingung i'<< Cio-i*)^ realisiert unter der Voraussetzung eines praktischen Schaltkreises, d.h. einer zweckmäßigen Stromkreisbedingung. Daher läßt sich schreiben:

Ip f 1

Da Gleichung (9) zwar das Zeichen R2 enthält_f aber das Zeichen Ry aussehließt, kann die Einstellung für die Annäherung der Kurve Y = b+d·!QgCXh-I') an

1 - P*

die theoretische Kurve Y=X lediglich durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes R2

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vorgenommen werden.

Für große Lichtstärke überwiegt der logarithmische Term, und deshalb läßt sich schreiben:

Ip = L.a.logCi* + Eo.(io-i^r)E~¹) .....(10).

Da diese Gleichung (10) kein R2 enthält, kann die Einstellung für die Annäherung durch Einstellen lediglich des veränderlichen Widerstandes/erfolgen. Durch Einstellen des Widerstandes Rv wird nämlich die Spannung Yo zwischen dem Kollektor und den Emitter des Transistors Q3 verändert und der Strom i^r in der Gleichung (6) wird auch verändert«

Damit wird für beide Bereiche von großer Lichtstärke und von kleiner Lichtstärke die Charakteristikkurve der Vorrichtung nach Fig. 5 der der theoretischen Kurve gut angenähert. '

Aus der Gleichung (3), für die Werte Ipo und Eo,

Ipo = OEo^"¹ .....(10.1),

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und aus den Gleichungen (3) und (10.1) ergibt sich:

Aus der Gleichung (3.1),

Ypo = K-C-Eo"¹ .....(10.3),

und aus den Gleichungen (3.1) und (10.3) erhält man:

(10.4).

|H ₌ (
Vpo Eo

Auf der Ordinate im Diagramm in Fig. 7 sind Werte Ip aufgetragen und auf der Abszisse Werte E. Ipo ' Eo

Die ausgezogene Kurve zeigt die theoretische". Charakteristik, die durch die Gleichungen (3) und (3.1) dargestellt wird, an, wobei y = 0.85, während die strichlierte Kurve das Versuchsergebnis mit derSchaltung nach Fig. 5 zeigt. Bei der strichlierten Kurve werden der linke und der rechte Teil der Kurve durch die veränderlichen

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Widerstände R2 beziehungsweise Ry angepaßt. So kann durch Einstellen der veränderlichen Widerstände R2 und Rv die strichlierte Linie der ausgezogenen Linie gut angenähert werden.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat aus folgenden Gründen einen geringen Rauschpegel:

Möglicherweise in einer Schaltung nach Fig. 6 hervorgerufenes Rauschen tritt an den Basen der Transistoren auf. Also muß das Rauschen an den Basen berücksichtigt werden. Ein kleiner Rauschanteil von der Basis des Transistors Q3 wird auf die Basis des Transistors T2 aufgebracht, da der größte Teil des Emitterstromes des Transistors Q3 in den Nebenschlußwiderstand Rs fließt; Das Rauschen an der Basis des Transistors T2 erzeugt das Rauschen im Strom i. Aus den Gleichungen (2) und (4) findet sich die folgende Beziehung:

Vpo£R2-i + d-log i.

Das heißt, die Ausgangsspannung Vp besteht aus einem ersten Teil, der dem Strom i proportional ist,

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und aus einem zweiten Teil, der dem Logarithmus von i proportional ist, d.h. eine logarithmische Kompression des·Stromes i ist. Ein Bauschen, d.h. eine kleine Schwankung im Strom i, erzeugt ein Ausgangsrauschen, d.h. eine kleine Schwankung in ■ der Spannung Vp. Das Ausgangsrauschen besteht aus einem ersten Teil, der vom ersten Teil R2«i. ' herrührt, d.h. einem proportionalen Teil, und aus einem zweiten Teil, d«log i, d.h. dem logarithmierten Teil, und deshalb ist -das Ausgangsrauschen nicht größer als das herkömmlicherweise "delogarithmierte Sauschen, wie es in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umformung von Lichtstärke in Spannung, die in genau umgekehrtem Verhältnis zur Lichtstärke steht, ist so ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/K) (Signalrauschabstand) erreichbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise gebildet durch Verbinden eines ersten 'Steuermittels ti zurStromsteuerung in Seihe zu einem Photowider-

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stand Rp mit nicht-linearer Charakteristik von — t

Rp = Κ·Ε , wobei Rp der Widerstand und E die Lichtstärke ist und K undf Konstanten sind, und durch Anschließen eines zweiten Steuermittels t2 derart, daß eine Spannung Vp an den beiden Enden des Photowiderstands Rp erhaltbar-ist und ein Signal erzeugbar ist, welches annähernd pro-

portional zu ?p ^L ist von besagtem ersten Steuermittel ti, welches den Strom Ip des Photowiderstands Rp steuert, so daß er annähernd dem Wert W~^ proportional ist und folglich eine Spannung Vp bewirkt, die annähernd umgekehrt proportional zur Lichtstärke E ist.

Patentansprüche:

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Claims (3)

1. Pa tent a η Sprüche

   Eine Lichtstärkenspaimungswandlervorrichtung, gekennzeichnet durch

   ein photoleitendes Element (Photowiderstand Ep) mit einer Widerstandsfähigkeit, die proportional zur Lichtstärke hoch-jf ist,

   ein erstes Steuermittel (ti) zur Steuerung des Stromes (Ip).durch das photoleitende Element (Rp)₉ ein zweites Steuermittel (t2), das als Eingangssignal die Spannung (¥p) über beiden Anschlüssen des photoleitenden Elements (Bp) erhält und das als Ausgang ein Signal für das erste Steuermittel (ti) erzeugt, so daß der Strom (Ip) näherungsweise proportional zur Spannung (Vp) hoch 1-jr.ist, sowie durch ein Mittel (Out), um als Ausgangssignal die Spannung (Yp) über den beiden-Anschlüssen des photoleitenden Elements (Rp) abzunehmen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das zweite" Steuermittel (t2) eine Charakteristik hat zur Erzeugung eines durch b + d^#log(X+r) dar- · stellbaren Ausgangssignals für ein Eingangssignal

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   X, wobei b, d und r Konstanten sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das erste Steuermittel (ti) einen Transistor (T1) enthält, dessen Kollektor mit dem photoleitenden Element (Rp) verbunden ist, daß das zweite Steuermittel (t2) wenigstens einen Transistor (T2) enthält-, an dessen Kollektor wenigstens eine Diode (D) zur logarithmischen Umformung und dazu in Reihe ein veränderlicher Widerstand (R2) angeschlossen sind, wobei Basis und Emitter des Transistors (T1) an den Anschlüssen der Reihenschaltung der Diode (D) und des Widerstands (R2) liegen.und Basis und Emitter des zweiten Transistors (T2) an den Anschlüssen der Reihenschaltung des photoleitenden Elements (Rp) und in Emitter-Kollektor-Verbindung des stromeinstellenden Transistors (Q3) liegen, der im Ansprechen auf Einstellung eines Einstellmittels (Rv), das mit seiner (Q3) Basis verbunden ist, den Strom einstellt, der durch das photoleitende Element (Rp) fließt,-

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