DE2749455C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Photodetektorschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Photodetektorschaltung ist z. B. aus der DE-OS 23 21 261 bekannt, in der eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Entkopplung unter Verwendung eines optischen Kopplers beschrieben ist, wobei ein vorgegebenes Spannungsverhalten zwischen Steuerspannung und Ausgangsspannung erzielt wird. Damit kann die beschriebene Photodetektorschaltung sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung des Eingangskreises, d. h. also für konstante oder für sich ändernde Beleuchtung, angewandt werden.

Es besteht aber stetig wachsender Bedarf an Photodetektoren, die auf schnell wechselnde Beleuchtung ansprechen, während sie relativ hohe Beträge gleichförmiger oder sich langsam ändernder Beleuchtung ignorieren. Diese Forderung entstand mit der Entwicklung von Leuchtdioden (LED), die anders als Glühlampen auf schnell variierende Ströme hin ihr Ausgangslicht praktisch sofort ändern können, andererseits aber sehr wenig kontinuierliches Licht abzugeben vermögen. Diese Eigenschaften lassen sich, wie bereits geschehen, mit Vorteil in Lichterfassungssystemen ausnutzen, indem man den Leuchtdiodenstrom mit hoher Geschwindigkeit moduliert und die Modulation mit einem empfindlichen Detektor fühlt, der auf gleichförmiges Licht nicht anspricht. Das heißt, man steuert die Leuchtdiode mit starken Stromimpulsen an, die jeweils nur kurz dauern und nicht sehr dicht aufeinanderfolgen, so daß der Mittelwert der Leistung niedrig bleibt. In solchen Systemen braucht man einen Photodetektor, der bei sich schnell ändernder Beleuchtung ein hohes Ausgangssignal liefert und eine gleichförmige Beleuchtung so weit wie möglich ignoriert, während er gleichzeitig als zweipoliges Element wirkt, so daß die Verdrahtung mit einer Fühleinrichtung dieses Typs genauso einfach sein kann wie mit mehr elementaren Fühlern, etwa mit Phototransistoren und Photowiderständen. Gemäß dem Stand der Technik können solche elementaren Fühler dazu verwendet werden, die Beleuchtung in ein entsprechendes elektrisches Analogsignal umzuwandeln, wozu aber die spätere Abtrennung und relative Verstärkung der Modulationskomponente notwendig ist. Eine solche bekannte Anordnung hat jedoch Nachteile, weil der Verstärker im allgemeinen fern von der Signalquelle liegt und an seinem Eingang alle die auf der Signalzuleitung aufgefangenen Rausch- und Störkomponenten empfängt. Außerdem erscheint das unverstärkte Signal am Fühler gewöhnlich mit hoher Impedanz, so daß Kabelverluste mehr ins Gewicht fallen, was besonders für hohe Modulationsfrequenzen oder den Impulsbetrieb gilt.

Zu einer selektiven Verstärkung von hohen Frequenzen, wie sie bei Lichtimpulsen entstehen, ist die in der DE-OS 23 21 261 beschriebene Anordnung jedoch nicht in der Lage.

Die Aufgabe der Erfindung besteht damit in der Schaffung eines zweipoligen Photodetektors, der hohe Frequenzen, wie sie durch kurz dauernde Impulse gebildet werden, selektiv an der Quelle verstärkt und ein starkes Modulationssignal mit relativ niedriger Impedanz liefert, das ohne wesentlichen Verlust über lange Kabelstrecken an einen von der Fühleinrichtung entfernten Ort übertragen werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß erfindungsgemäß eine Photodiode vorgesehen ist, die auf einen Strom/Spannungs-Umsetzer arbeitet, der mit einem Ausgangsverstärker gekoppelt ist, so daß jede sich schnell ändernde Signalkomponente relativ zum stationären Pegel des Beleuchtungssignals verstärkt wird und den Klemmen der Einrichtung mit relativ niedriger Impedanz zugeführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer typischen körperlichen Anordnung der Erfindung mit dem dazugehörigen Stromkreis;

Fig. 2 ist ein Schaltbild für die Anordnung nach Fig. 1 und zeigt die Einzelheiten des zweipoligen Photodetektors;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform, die eine kürzere Ansprechzeit als die Anordnung nach Fig. 2 hat;

Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer weiteren Ausgestaltung, die eine zusätzliche selektive Wechselstromverstärkung bringt;

Fig. 5 ist das Schaltbild einer Ausführungsform, die mit Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps arbeitet.

Die Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung, in der ein Photodetektor 11 verwendet wird. Der Photodetektor 11 ist gewöhnlich in einem geeigneten hermetisch abgedichteten Gehäuse eingeschlossen, das ein transparentes Fenster für den Einlaß der zu erfassenden einfallenden Strahlung aufweist. Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist der Photodetektor 11 ein Zweipolelement, das als einzige Verbindung zu seinem Inneren zwei Anschlüsse 12 aufweist. Solche Elemente werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen verwendet; die Fig. 1 zeigt als Beispiel eine typische Anwendungsart, bei der der Photodetektor 11 in bestimmter Weise bezüglich eines durch die Linse 13 dargestellten optischen Systems angeordnet ist, um Strahlung von einer bestimmten Quelle zu empfangen, die als Leuchtdiode (LED) 14 dargestellt ist. Es sei hier vorausgesetzt, daß die auf die photoempfindliche Einrichtung innerhalb des Photodetektors 11 treffende Lichtenergie moduliert oder impulsförmig ist, so daß sie hochfrequente Komponenten enthält. Dies kann entweder durch Modulation der Leuchtdiode 14 oder dadurch erreicht werden, daß der Lichtweg zwischen der Leuchtdiode 14 und dem Photodetektor 11 unterbrochen wird, etwa durch Durchgang lichtsperrender Materialien oder Objekte zwischen der Leuchtdiode 14 und dem Photodetektor 11. Zur Modulation des auf den Photodetektor 11 fallenden Lichts können auch andere Anordnungen dienen, z. B. Vorrichtungen, die mit reflektiertem Licht zum Lesen eines Strichcodes arbeiten. Solche und ähnliche Einrichtungen gehören alle zum Anwendungsgebiet der Erfindung.

Bei Anwendungen der in Fig. 1 gezeigten Art sind die Klemmen oder Anschlüsse 12 des Photodetektors 11 im allgemeinen über ein Kabel 15 mit einem Lastwiderstand 16 verbunden, wobei die gesamte Einrichtung aus einer Gleichstromquelle 17 gespeist wird. Die von der Gleichstromquelle 17 erzeugte Gleichspannung liegt dabei in Reihe mit dem Lastwiderstand 16 an den beiden Anschlüssen des Photodetektors 11. Wie weiter unten noch erläutert wird, erscheint an den Anschlüssen 12 ein hoher Signalpegel mit niedriger Impedanz, so daß die Länge des Kabels 15 groß sein kann.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Strahlungsfühler wie z. B. ein photoempfindliches Element 21 in Sperrichtung vorgespannt zwischen Basis und Emitter eines Transistors Q₁, zwischen dessen Kollektor und Basis ein Widerstand R_f geschaltet ist. Diese Anordnung bildet einen einfachen Strom/Spannungs-Umsetzer für das photoempfindliche Element 21, der mit nur einem Transistor arbeitet. Wenn diese Anordnung in der in Fig. 1 dargestellten Weise in Reihe mit einem Widerstand (z. B. dem Lastwiderstand 16) des Wertes R_L an eine Stromquelle wie die Batterie 17 angeschlossen ist, dann fließt im Transistor Q₁ Basisstrom, wenn R_L kleiner ist als R_F. Der Kollektor von Q₁ führt dann Strom, und seine Spannung fällt ab, bis der durch den Widerstand R_f fließende Strom auf nur denjenigen Wert abgesunken ist, der die Leitfähigkeit des Transistors Q₁ zur Aufrechterhaltung dieses Werts einstellt. Normalerweise ist der Transistor Q₁ nahezu gesättigt. In diesem Zustand führt eine Beleuchtung des photoempfindlichen Elements 21 dazu, daß sich der darin fließende Photostrom ändert und somit Strom von der Basis des Transistors Q₁ weggelenkt wird, so daß die Kollektorspannung von Q₁ auf einen neuen Wert ansteigt, wobei die Differenz gleich ist dem Strom in dem photoempfindlichen Element 21 multipliziert mit dem Widerstandswert von R_f. Die Spannung V₀ am Kollektor von Q₁ ist daher analog dem Strom in der Photodiode 21.

Der restliche Teil der Schaltung enthält einen Emitterwiderstand R₃ für den Transistor Q₁ und einen ohmisch/kapazitiven Spannungsteiler, bestehend aus einem zwischen die eine Klemme und ein Ende des Rückkopplungswiderstands R_f geschalteten Widerstand R₁ sowie einem Widerstand R₂ und einem Kondensator C, die parallel zum Transistor Q₁ und seinem Emitterwiderstand R₃ geschaltet sind. Quer zu den Ausgangsklemmen 12 ist ein Ausgangstransistor Q₂ geschaltet, dessen Basis mit dem Emitter des Transistors Q₁ verbunden ist. Der Ausgangstransistor Q₂ liefert somit Signale an die Klemmen 12 und wird vom Emitter des Transistors Q₁ angesteuert. Seine Verstärkung wird durch den Betrieb des Spannungsteilers R₁, R₂ und C beeinflußt, der eine frequenzselektive Eigenschaft hat, wie es noch erläutert werden wird.

Nachstehend sei die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 beschrieben. Wegen des zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₂ liegenden Widerstands R₃ muß im Transistor Q₁ ein Mindeststrom fließen, um die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q₂ zu überwinden, so daß der Transistor gezwungen ist, mit einem vorbestimmten Wert an Kollektor-Emitter-Strom zu arbeiten. Die sich aufgrund einer stationären oder gleichförmigen Beleuchtung einstellende Ausgangsspannung V′₀ ist lediglich eine Wiedergabe des Spannungswerts V₀ erhöht um einen kleinen konstanten Zusatzwert, der sich in der weiter unten angeführten Weise ausdrücken läßt. Bei fehlender Beleuchtung veranlaßt der Rückkopplungswiderstand R_f den Transistor Q₁, genug Kollektorstrom zur Erregung der Basis des Transistors Q₂ zu ziehen, worauf der Transistors Q₂ seinerseits Kollektorstrom zieht, bis die Spannung V₀ einen Wert bekommt, bei dem sich die Spannung am Widerstand R_f selbständig auf einem niedrigen Wert hält. Der Basisstrom im Transistor Q₂ ist viel kleiner als der Strom im Widerstand R₃, und die Werte der beiden Widerstände R₃ und R₁ werden kleiner als der Wert des Widerstands R_f dimensioniert. Unter diesen Umständen ist für die Bedingung R₁ = R₃ der Spannungsabfall am Widerstand R₁ ein Spiegelbild des Spannungsabfalls des Widerstands R₃ (etwa 0,6 Volt), so daß die Spannung V′₀ proportional dem Strom in der Photodiode 21 plus einem Festbetrag von 0,6 Volt ist. Dies gilt nur für den Fall, daß im Widerstand R₂ kein Strom fließt, d. h. bei stationärer oder sich langsam ändernder Beleuchtung, wenn es keinen Ladestrom am Kondensator C gibt.

Wenn nun die Beleuchtung an der Photodiode 21 plötzlich ansteigt, wird ein gewisses Maß an Basisstrom vom Transistor Q₁ weggelenkt, was dazu führt, daß der Transistor Q₂ weniger Basisstrom bekommt und seine Kollektorspannung ansteigt. Nun steigt bei einer derartigen raschen Signaländerung die Spannung V₀ nur soweit an, wie es der Spannungsteiler R₁/R₂ erlaubt, weil sich die Spannung am Kondensator C nicht sofort ändern kann. Die Ausgangsspannung V′₀ steigt an, bis die Spannung V₀ ausreicht, den neuen Strombedarf der Photodiode 21 zu befriedigen, wobei V′₀ aber auf einen Wert gleich V₀ multipliziert mit dem Verhältnis (R₁ + R₂)/R₂ beschränkt ist. Auf Frequenzen also, für die der Kondensator C eine niedrige Impedanz darstellt, wirkt der Transistor Q₂ als Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor (R₁ + R₂)/R₂, während sein Verstärkungsfaktor für niedrige Frequenzen und für Gleichstrom gleich 1 ist.

Da die Transistoren Q₁ und Q₂ einen rückkopplungsgeregelten Verstärker bilden, ist die Ausgangsimpedanz niedrig, d. h. die Größe V′₀ widersteht jedem Versuch, sie von außen zu ändern. Wenn beispielsweise der Lastwiderstand niedriger gemacht werden würde, dann hätten die Spannungen V′₀ und V₀ das Bestreben anzusteigen, was zu einem höheren Basisstrom im Transistor Q₁ und einem höheren Kollektorstrom im Transistor Q₂ führen würde. Die Rückkopplung in Verbindung mit der hohen Stromverstärkung der Transistoren Q₁ und Q₂ bewirkt also, daß die Ausgangsspannung V′₀ relativ stabil gegenüber Laststromänderungen ist.

Eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Photodiode 21 direkt zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₁ geschaltet.

Hierbei muß der Photodiodenstrom durch den Widerstand R′₃ fließen, der deswegen einen niedrigeren Widerstandswert als der Widerstand R₃ in Fig. 2 hat. Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Ansprechzeit der Photodiode 21 kürzer ist, weil sie keine Gegenkopplung vom Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors Q₂ erfährt.

Die Fig. 4 zeigt eine Erweiterung der Verstärkung auf zwei Stufen. Für jede Stufe der Verstärkung ist ein gesonderter ohmisch/kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen. Für den Transistor Q₂ besteht der Spannungsteiler aus den Widerständen R₁ und R₂ und dem Kondensator C₁, die wie in der Schaltung nach Fig. 2 angeordnet sind. Für den Transistor Q₃ sind die Widerstände R₄ und R₅ und der Kondensator C₂ zwischen die Ausgangsklemmen 12 geschaltet, wobei der Widerstand R₅ und der Kondensator C₂ parallel zum Transistor Q₂ und seinen Emitterwiderstand R₆ liegen. Hiermit wird eine noch höhere Verstärkung unter Beibehaltung der Zweipoligkeit erzielt. Wie zu erkennen ist, vereinigt die Schaltung nach Fig. 4 die Merkmale der beiden in Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltungen. Für Gleichströme arbeiten die Transistoren Q₁ und Q₂ in derselben Weise wie im Falle der Fig. 2. Im Ruhezustand werden die von den Transistoren Q₁, Q₂ und von der Photodiode 21 geleiteten Ströme in einen Widerstand R₆ und die Basis eines Transistors Q₃ gelenkt, wenn die Basis-Emitter-Lückenspannung des Transistors Q₃ überwunden ist. Der Transistor Q₃ leitet daher, bis der Spannungsabfall am Widerstand R_f auf einen Wert abgesunken ist, der gerade noch ausreicht, den im Transistor Q₃ zur Aufrechterhaltung seiner Leitfähigkeit erforderlichen Strom zu unterhalten. Die Ausgangsspannung V′′₀ der Schaltung nach Fig. 4 ist somit ein Produkt des Stroms in der Photodiode 21 und des Widerstandswerts von R_f plus einem kleinen festen Spannungsabfall im Widerstand R₃ zur Aufrechterhaltung des Vorstroms in R₃ und einem weiteren kleinen festen Spannungsabfall in R₆ zur Mithilfe bei der Aufrechterhaltung des Vorstroms in R₆.

Wenn nun in der Schaltung nach Fig. 4 die Beleuchtung der Photodiode 21 plötzlich ansteigt, wird Basisstrom vom Transistor Q₁ weggelenkt, wodurch dann auch die Transistoren Q₂ und Q₃ weniger Basisstrom erhalten. Die Ausgangsspannung V′′₀ steigt rasch auf einen Wert an, bei dem die Spannung V₀ ausreichend hoch wird, um den gestiegenen Strombedarf zu befriedigen. Wegen der dynamischen Spannungsteilerwirkung der Elemente R₁, R₂, R₄, R₅ wird die Ausgangsspannung V′′₀ jedoch auf ein wesentliches Vielfaches von V₀ beschränkt. Wenn R₄ viel größer ist als R₅ und wenn R₁ viel größer ist als R₂ und R₅ (was normalerweise der Fall sei), dann gilt für die Ausgangsspannung näherungsweise die Beziehung

Wechselsignalkomponenten werden also durch zweistufige Verstärkung verstärkt, während der Gleichstromwert der Beleuchtung die Ausgangsspannung nur mit einem Verstärkungsfaktor von 1 ändert. Typische Kennwerte für die Elemente der Schaltung sind in der Fig. 4 eingetragen.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines "Lastverstärkers", der durch den die Grundlage bildenden Strom/Spannungs-Umsetzer angesteuert wird. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Anordnungen hauptsächlich darin, daß der Transistor Q′₂ ein pnp-Transistor ist, der vom Kollektor npn-Transistor Q₁ angesteuert wird, während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein pnp-Transistor vom Emitter des Transistors Q₁ angesteuert wurde. Ein eingefügter 100K-Widerstand R₇ hat den Zweck, einen Anfangsstrom (Dunkelstrom) zu ziehen, damit der Kollektor des Transistors Q₁ nicht auf einer unerwünscht niedrigen Spannung arbeitet. Ein Nachteil der Schaltung nach Fig. 5 besteht darin, daß der Transistor Q′₂ im wesentlichen ein Emitterfolger ist, d. h. sein Emitter folgt dem Kollektor des Transistors Q₁, so daß die Kollektor-Emitter-Spannung den gleichen Ausschlag wie die Ausgangsspannung nimmt. In dieser Verbindungsart ist der Einfluß der Kollektor-Basis-Kapazität infolge des Miller-Effekts wesentlich größer, und die Anordnung spricht langsamer an als andere Ausführungsformen.

Die verschiedenen beschriebenen Schaltungsanordnungen können alle innerhalb des Gehäuses des Photodetektors 11 untergebracht werden, womit sich der Detektor direkt an die Stelle herkömmlicher Photofühler setzen läßt, die nur zwei Anschlüsse aufweisen. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und erläuterten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr sind verschiedene weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich.

Claims (6)

1. Photodetektorschaltung mit einer ersten Schaltungsanordnung, die aus einem photoempfindlichen Element (21) und einem in Reihe dazu geschalteten Widerstand (R_f) eines Strom-Spannungs-Umsetzers (Q₁, R_f), dessen anderer Bestandteil, ein erster Transistor (Q₁), mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zur genannten Reihenschaltung (21, R_f) liegt, besteht und die über zwei Anschlüsse (12) an eine Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Anschlüssen (12) ein erster Spannungsteiler aus zwei Widerständen (R₁, R₂) und einem Kondensator (C) liegt,
daß die Reihenschaltung aus dem photoempfindlichen Element (21) und dem als Rückkopplungswiderstand wirkenden erstgenannten Widerstand (R_f) parallel zu einem (R₂) der Spannungsteilerwiderstände und dem Kondensator (C) liegt und
daß an den Anschlüssen (12) ferner die Kollektor-Emitter-Strecke eines Ausgangstransistors (Q₂, Q₃) liegt, der mit seiner Basis an den Emitter des ersten Transistors (Q₁) angeschlossen ist.

2. Photodetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoempfindliche Element eine Photodiode (21) ist.

3. Photodetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Emittern des ersten Transistors (Q₁) und des Ausgangstransistors (Q₂) ein Widerstand (R₃; R₃′) liegt.

4. Photodetektorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Rückkopplungswiderstand (R_f) und der Photodiode (21) gebildete Reihenschaltung mit ihren Enden direkt über die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (Q₁) geschaltet ist (Fig. 3).

5. Photodetektorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Photodiode (21) und dem Rückkopplungswiderstand (R_f) bestehende Reihenschaltung parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (Q₁) und in Reihe mit dem zwischen den Emittern des ersten Transistors (Q₁) und des Ausgangstransistors (Q₂) liegenden Widerstand (R₃′) geschaltet ist (Fig. 3).

6. Photodetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Spannungsteiler aus zwei Reihenwiderständen (R₄, R₅) und einem Kondensator (C₂) zwischen die beiden Anschlüsse (12) geschaltet ist und parallel zu diesem Kondensator (C₃) und einem (R₅) dieser Reihenwiderstände die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors (Q₃) mit einem Widerstand (R₆) liegt, und daß der dritte Transistor (Q₃) mit seiner Basis an den Emitter des ersten Transistors (Q₁) und mit seinem Emitter an die Basis des Ausgangstransistors (Q₂) angeschlossen ist (Fig. 4).