DE2432402C3 - Fotometrische Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fotonietrische Schaltung mit einer Versorgungsspannungsquelle, mit einem Fotoelement, mit einer Schaltung zur Ausregelung von Potentialdifferenzen an den Anschlußklemmer, des Fotoelements, die einen ersten an seiner Steuerelektrode mit einem ersten Anschluß des Fotoelements verbundenen Feldeffekttransistor enthält, und mit einer Konstantstromquelle zur Speisung des ersten Feldeffekttransistors.

In einer bekannten Schaltung wird eine Fotodiode in Sperrichtung betrieben, wodurch sie einen Strom gibt, dessen Stärke proportional der Stärke des auf die lichtempfindliche Fläche der Fotodiode einwirkenden Lichtes ist. In diesem Fall arbeitet die Fotodiode als Koristantstromquelle, deren Stromwert proportional der Beleuchtungsstärke an der lichtempfindlichen Fläche ist. Wenn jedoch die Beleuchtungsstärke immer mehr abnimmt und beispielsweise in der Größenordnung von 0,01 Lux liegt, so kann der Einfluß des Dunkelstroms nicht mehr vernachlässigt werden, und der von der Fotodiode abgegebene Strom ist der Beleuchtungsstärke an der lichtempfindlichen Fläche nicht mehr proportional. Bekanntlich kann die Fotodiode zur Beseitigung der Auswirkung des Dunkelstroms in einer dem · Kurzschlußzustand analogen Betriebsart vorgesehen werden. Eine Schaltung zur ίο Durchführung dieser Betriebsart ist aus der DT-OS 19 07 102 bekannt

Eine andere hierzu geeignete bekannte Schaltung enthält zwei Feldeffekttransistoren, von denen einer als Konstantstromquelle arbeitet und an den zweiten einen konstanten Strom liefert Die Fotodiode ist an die Steuerstrecke dieses zweiten Feldeffekttransistors angeschlossen. Wenn nun die Schaltung so getroffen ist, daß an den beiden Anschlüssen der Fotodiode übereinstimmende Potentiale herrschen, so entspricht dies dem Kurzschlußbetrieb mit der Potentialdifferenz Null. Da aber die Fotodiode infolge des hohen Widerstandes der Steuerstrecke des mit ihr verbundenen Feldeffekttransistors nicht direkt kurzgeschlossen ist, kann sie einen auswertbaren fotoelektrischen Strom liefern.

Betrachtet man jedoch die praktischen Betriebseigenschaften einer solchen Schaltung, also z. B. die Temperatureigenschaften und das Verhalten bei verringerter Betriebsspannung, so zeigen sich Probleme, die in

erster Linie auf die Eigenschaften der Feldeffekttransistoren zurückzuführen sind.

Beispielsweise kann die Betriebsspannung nur schwer verringert werden, da die Feldeffekttransistoren in Reihe an die Betriebsspannungsquelle angeschaltet sind.

Ferner müssen die Feldeffekttransistoren, um einen Betrieb auch bei verringerter Betriebsspannung zu ermöglichen, eine niedrige Abschaltespannung haben. Det artige Feldeffekttransistoren sind jedoch sehr schwierig erhältlich. Der Unterschied zwischen der Tenvperaturcharakteristik der Gate-Source-Spannung des einen Feldeffekttransistors und der Temperaturcharakteristik zugeordneter Schaltungen beeinflußt die Vorspannungsbedingungen der Fotodiode umgekehrt proportional.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht auftreten und normale Feldeffekttransistoren verwendet werden können, wobei jedoch eine möglichst geringe Abhängigkeit von der Betriebsspannung und der Temperatur gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Konstantstromquelle einen bipolaren Transistor, dessen Ausgangsstrom den ersten Feldeffekttransistor speist, und einen mit der Basis des bipolaren Transistors verbundenen Steuerkreis aufweist, der eine die Basis-Emitter-Spannung des bipolaren Transistors bestimmende Diode und einen den Strom durch diese Diode bestimmenden zweiten Feldeffekttransistor mit im wesentlichen gleichen Betriebskennwerten wie der erste Feldeffekttransistor enthält.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Schaltung zur Erzeugung der Potentialdifferenz Null sehr stabil arbeitet und mit normalen handelsüblichen Feldeffekttransistoren aufgebaut werden kann. Die Verwendung eines separaten Steuerkreises, in dem ein Feldeffekt-

transistor angeordnet ist, ermöglicht die Einstellung relativ hoher Arbeitspotentiale an den Steuerstrecken beider Feldeffekttransistoren, so daß auch bei verringerter Betriebsspannung die Stabilität der Schaltung erhalten bleibt. Die einzige Forderung besteht darin, daß die beiden Feldeffekttransistoren nahezu übereinstimmende Betriebskennwerte haben, so daß sie zweckmäßig paarweise ausgesucht sind. Durch die beschriebene Schaltung wird der weitere Vorieil einer Kompensation einer Temperaturabhängigkeit beider Feldeffekttransistoren gegeneinander erreicht. Außerdem ist es möglich, den Stromverbrauch der Schaltung gering zu halten, da die beiden Feldeffekttransistoren in jeweils einem besonderen Stromzweig liegen und durch Vorwiderstände der jeweilige Arbeitsstrom eingestellt werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zu einer bekannten Schaltungsanordnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Potentialdifferenz Null an einer Fotodiode und

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung, an Hand der die Erfindung erläutert wird.

In der in F i g. 1 gezeigten bekannten Schaltung sind zwei N-Kanal-Feldeffekttransistoren 2 und 3 vorgesehen. Der mit seiner Gate-Elektrode am negativen Potential der Betriebsspannungsquelle 1 liegende Feldeffekttransistor 3 bildet zusammen mit einem einstellbaren Widerstand 4 eine Konstantstromquelle, die bewirkt, daß der Source-Strom und damit der Drain-Strom des Feldeffekttransistors 3 konstant ist. Ein Widerstand 6 und ein Transistor 5, der mit einer am Verbindungspunkt A zwischen den beiden Feldeffekttransistoren 2 und 3 entstehenden Spannung gesteuert wird, bilden eine Emitterfolgeschaltung. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 2 ist mit dem Verbindungspunkt Cdes Kollektors eines Transistors 8 und der Anode einer Fotodiode 7 verbunden. Der Transistor 8 bildet mit seinem PN-Übergang ein logarithmierendes Element und erhält seine Basisspannung über eine Schaltung 9. An der Basis des Transistors 8 entsteht dann abhängig von dem durch Lichteinwirkung an der Fotodiode 7 erzeugten Strom eine logarithmierte Spannung Vph, die als ein fotografischer Meßwert in nicht dargestellter Weise weiterverarbeitet werden kann. .

Der Emitter B des Transistors 5 ist mit der Kathode der Fotodiode 7 verbunden. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 4 so eingestellt wird, daß die Gate-Source-Spannung Vgs des Feldeffekttransistors gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors wird, der die Emitterfolgeschaltung bildet und mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 2 verbunden ist, so erhält die an der Fotodiode 7 abfallende Spannung den Wert Null, wodurch die Kurzschlußbedingung für die Fotodiode 7 erfüllt ist. Im dargestellten Fall sei angenommen, daß der durch die Fotodiode fließende fotoelektrische Strom sehr klein gegenüber dem Emitterstrom des Transistors 5 ist. Die Emitterfolgeschaltung zwischen der Fotodiode 7 und dem Feldeffekttransistor 2 bildet eine Pufferschaltung, die gegebenenfalls auch entfallen kann, wenn die Spannung Vbe z. B. durch Spannungsabfall an einem Widerstand In F i g. 2 ist ein die Erfindung erläuterndes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 die beschriebenen Vorteile verwirklicht sind. Mit einem Feldeffekttransistor 12 und einem Transistor 14 an dessen Source-Elektrode ist eine Source-Folgeschaltung gebildet, die mit konstantem Strom aus einer Betriebsspannungsquelle 11 betrieben wird. Eine Steuerschaltung für den Transistor 14 enthält eine Diode 22, die mit der Basis und dem Emitter des ίο Transistors 14 verbunden ist Diese Diode 22 ist durch einen als Diode geschalteten Transistor gebildet. Ferner ist ein Feldeffekttransistor 20 vorgesehen, dessen Basisspannung selbsttätig erzeugt wird und der den durch die Diode 22 fließenden Strom bestimmt. Die Feldeffekttransistoren 20 und 12 sind als Paar ausgesucht und haben daher praktisch übereinstimmende Eigenschaften. Mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 12 ist über einen Widerstand 19 eine Emitterfofgeschaltung verbunden, die aus einem PNP-Transistor 13 und einem Widerstand 23 besteht. Mit dem Ausgang dieser Emitterfolgeschaltung ist eine weitere Emitterfolgeschaltung verbunden, die aus einem NPN-Transistor 15 und einem Widerstand 16 besteht. Mit dem Ausgang B dieser Emitterfolgeschaltung ist die Anode einer Fotodiode 17 verbunden, deren Kathode mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 12 verbunden ist, so daß dadurch eine Potentialeinstellschahung für die Fotodiode 17 gebildet ist. Eine Diode 18 ist mit dem Verbindungspunkt Cder Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 12 und der Kathode der Fotodiode 17 verbunden und dient in beschriebener Weise als logarithmierendes Element für eine Spannung Vc

Im folgenden wird nun die Funktion dieser Schaltung beschrieben. Der Source-Strom /20 des Feldeffekttransistors 20 über den Widerstandswert R 21 zur Diode 22 kann folgendermaßen angegeben werden:

K.S2.)

'^2I) "" R 21

Wenn die Diode 22 und der Transistor 14 gleiche Eigenschaften haben, so wird der Kollektorstrom /14 des Transistors 14 gleich dem Strom ho.

= Z₂

Der Zusammenhang zwischen der Gate-Spannung Vc des Feldeffekttransistors 12 und der Kollektorspannung Va des Transistors 14 kann folgendermaßen angegeben werden:

I/ _ V\ = /₁₄· R 19 - K,su·

Darin ist R 19 der Widerstandswert des Widerstandes 19. Wenn die Widerstände 19 und 21 gleiche Widerstandswerte haben, so kann die Gleichung (3) folgendermaßen geschrieben werden:

r. - V. =·. V,„„ - K;_V11 . (4)

Wenn die Feldeffekttransistoren 12 und 20 gleiche 65 Eigenschaften haben, so sind ihre Gate-Source-Spannungen gleich.

Deshalb gilt

Dies bedeutet, daß das Potential an dem Schaltungspunkt A gleich dem Potential an dem Schaltungspunki C ist. Mit den Basis-Emitter-Spannungen derTransisto.en 13 und 15 der Emitterfolgeschaltungen kann die Kathodenspannung V«der Fotodiode 17 folgendermaßen ausgedrückt werden·

I₁₁ - K₁ + V₁

HM λ

- V_n

Wenn in dieser Gleichung die Spannung
ungefähr gleich der Spannung Ve/ns gesetzt wird, so gilt

V₁₁ -= I₁. (S)

Aus den Gleichungen (6) und (8) ergibt sich

= Iγ - F₁ . (9)

Somit ergibt sich eine automatische Einstellung der Spannung zwischen den Anschlüssen B und C der Fotodiode 17 auf den Wert Null.

Bei den vorstehend beschriebenen Potentialbedingungen an der Fotodiode 17 fließt der fotoelektrische Strom der Fotodiode 17 in das logarithmierende Element 18, so daß an dessen Anschlüssen eine Ausgangsspannung Vc entsteht, die proportional dem Logarithmus des fotoelektrischen Stroms ist.

Mit dieser Schaltung ergeben sich die folgenden Vorteile:
s

1. Die Drain-Source-Spannungen der Feldeffekttran sistoren 12 und 20 sind praktisch einander gleich, und ihre Absolutwerte können so eingestellt werden, daß sie groß sind und damit sehr gute

ίο Schaltungseigenschaften auch bei verringerter

Betriebsspannung entstehen.

2. Die Feldeffekttransistoren 12 und 20 müssen lediglich paarweise ausgesrcht sein und sind daher leicht erhältlich. Der Absolutwert eines jeden charakteristischen Parameters ist nicht besonders kritisch.

3. Die Feldeffekttransistoren 12 und 20, die Transistoren 14 und 22 und die Transistoren 15 und 16 kompensieren gegenseitig ihre Temperaturabhängigkeit. Daher werden die Potentiale an der Fotodiode 17 immer konstant gehalten.

4. Durch geeignete Einstellung der Widerstände 19 und 21 kann die Vorspannung bzw. der Arbeitspunkt der Feldeffekttransistoren 12 und 20 nach Wunsch eingestellt werden. Dadurch kann der Stromverbrauch der Schaltung in sehr einfacher Weise gering gehalten werden.

Durch diese Vorteile gegenüber bekannten Schal-■,0 tungsanordnungen kann mit der Erfindung eine fotometrische Schaltung verwirklicht werden, die einen extrem großen Anzeigebereich und ein schnelles Ansprechen gewährleistet, dabei jedoch sehr genau arbeitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Fotometrische Schaltung mit einer Versorgungsspannungsquelle, mit einem Fotoelement, mit einer Schaltung zur Ausregelung von Potentialdifferenzen an den Anschlußklemmen des Fotoelements, die einen ersten an seiner Steuerelektrode mit einem ersten Anschluß des Fotoelements verbundenen Feldeffekttransistor enthält, und mit einer Konstantstromquelle zur Speisung des ersten Feldeffekttransistors, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen bipolaren Transistor (14), dessen Ausgangsstrom den ersten Feldeffekttransistor (12) speist, und einen mit der Basis des bipolares Transistors (14) verbundenen Steuerkreis aufweist, der eine die Basis-Emitter-Spannung des bipolaren Transistors (14) bestimmende Diode (22) und einen den Strom durch diese Diode (22) bestimmenden zweiten Feldeffekttransistor (20) mit im wesentlichen gleichen Betriebskennwerten wie der erste Feldeffekttransistor (12) enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Diode (22) ein Transistor in Diodenschaltung vorgesehen ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Konstantstromquelle enthaltende Stromzweig und der den ersten Feldeffekttransistor (12) enthaltende Stromzweig praktisch übereinstimmende Widerstandswerte aufweisen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß des Fotoelements (17) über eine Pufferschaltung (13, 15) mit der Source-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors (12) verbunden ist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschaltung (13,15) aus zwei hintereinandergeschalteten Emitterfolgeschaltungen gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolgeschaltungcn Transistoren (13, 15) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthalten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolgeschaltungen (13,15) auf übereinstimmende Absolutwerte ihrer Basis-Emitter-Spannungen eingestellt sind.