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Fotoverstärker
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Die Erfindung betrifft einen Fotoverstärker mit einem lichtempfindlichen
Halbleiterbauelement, das an ein Verstarkerbauelement angeschlossen und in Reihe
zu einer mit dem Schaltungsausgang verbundenen Impedanz geschaltet ist.
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Anstelle der mechanischen Steuerung der elektrischen Zündanlage in
Kraftfahrzeugen durch den umlaufenden Verteilerfingerkontakt werden in jüngster
Zeit elektronische Impulsgeber, z. B. Hallsensoren oder Induktionsgeber eingesetzt.
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Die Steuerung der Zündanlage erfolgt z. B. beim Hallsensor durch eine
Blende, die den magnetischen Fluß im regelmäßigen Zeitintervall einer Periode freigibt
oder sperrt. Damit wird ein elektrisches Signal gebildet, das beispielsweise für
65 % der Periodendauer den Primärstromer durch die Zündspule einschaltet, danach
abrupt den Primärstrom unterbricht, so daß die Zündung ausgelöst wird.
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Es besteht auch die Möglichkeit, optoelektronische Koppelelemente
als Impulsgeber für Kraftfahrzeugmotoren einzusetzen, wenn durch eine umlaufende
Blende der Lichtstrahl zwischen einem lichtaussendenden Bauelement und einem fotoempfindlichen
Bauelement im gleichen regelmäßigen Zeitintervall der Periode freigegeben oder gesperrt
wird. Hierbei wird verlangt, daß das fotoempfindliche Bauelement, beispielsweise
eine Fotodiode mit dem nachgeschalteten elektronischen Verstärker, bereits bei einem
relativ geringen Hellsperrstrom der Fotodiode anspricht und bis zu einem Hellsperrstrom,
der beispielsweise 100mal größer als der Ansprechstrom ist, noch einwandfrei bei
kleinen Ein- und AbschaltXeiten arbeitet.
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Hierdurch soll der Einfluß der umlaufenden Blende, der Temperaturgany
der Lumineszenzdiode, die Alterung und die Verschmutzung des optoelektronischen
Koppelelementes ausgeglichen werden. Ferner sollen Schwankungen der Bordnetzspannung,
die den Strom durch die Lumineszenzdiode beeinflussen, auf den Fotoverstärker und
dessen Schaltzeiten praktisch keinen Einfluß haben.
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Für die Schaltzeiten ist es wesentlich, daß bei einem intermittierenden
Betrieb mit wechselseitiger Bestrahlung und Bestrahlungsunterbrechung die dem Fotoelement
zugehörige Kapazität nicht ständig umgeladen werden muß. Bekannte Schaltungen weisen
daher zusätzliche Ausgleichskapazitäten auf, die jedoch einen schaltungstechnischen
Mehraufwand erforderlich machen. Ferner ist eine Schaltung gemäß der Figur 1 bereits
vorgeschlagen worden, deren Funktionsweise nachstehend kurz erläutert werden soll.
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Anstelle der Fotodiode FD ist in die Schaltung deren Ersatzschaltbild
aus einer Stromquelle IFD und der parallelgeschalteten Sperrschichtkapazität Cj
eingefügt worden. Die 3 Stromquelle IFD ist über einen Widerstand R1 mit dem Schaltungsausgang
UOUT und mit der Basiselektrode eines Transistors T1 verbunden. Die Fotodiode FD
liegt somit parallel zur Basisemitterstrecke des Transistors T1, der mit seinem
Kollektor an eine Stromquelle I1 angeschlossen ist. Diese Stromquelle I1 liegt parallel
zur Kollektorbasisstrecke eines Transistors T2, dessen Emitter einerseits mit dem
Schaltungsausgang UOUT und andererseits mit dem Emitterwiderstand R2 verbunden ist.
Der Kollektor des Transistors T2 ist mit einem Pol des Gleichspannungsnetzes Us
verbunden.
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Bei der dargestellten Schaltung gemäß Figur 1 wird der Transistor
T1 mit einem konstanten Kollektorstrom 1 A 11 betrieben, c so daß der Basisstrom
des Transistors T1 den Wert IC/B hat, wobei B der Stromverstärkungsfaktor des Transistors
T1 ist.
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Wenn der Kollektorstrom Ic, bedingt durch die Konstantstromquelle
I1, konstant bleibt, so gilt dies auch für den Basisstrom 1B und die Basisemitterspannung
UBE1 am Transistor T1.
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Die Spannungen der Sperrschichtkapazität C. der Fotodiode 3 bleibt
ebenfalls konstant, solange der Hellsperrstrom IFD Jen nachfolgend berechneten Wert
nicht überschreitet:
Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt US = 3 V, 11 = 100 VA, B = 100, R1 = 300 k#
und UBE # 0,65 V, so daß sich beim Einsetzen dieser Werte in die obige Formel ergibt:
IFD =< 4,67 VA-So lange der Hellsperrstrom der Fotodiode FD unter dem angegebenen
Wert für IFD liegt, kann der Basisstrom IB in den Bestrahlungsphasen der Fotodiode
ständig fließen, so daß auch die Kapazität C. aufgeladen ist. Steigt die Licht-3
intensität des Belichtungsstrahles soweit an, daß der Hellsperrstrom bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel den Wert von 4,67 uA übersteigt, dann kann der Basisstrom des
Transistors T1 nicht mehr fließen, so daß die Kapazität C. beim Abschalten der Bestrahlung
erst wieder von der 3 Spannung O V auf die Spannung UBEl auf geladen werden muß.
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Dies bedeutet, daß der Strom durch den Widerstand R1 beim Abschalten
der Lichtquelle zunächst einen erhöhten Wert beibehält und erst nach einer durch
die Aufladung der Kapazität C. bedingten Schaltzeit soweit reduziert wird daß sich
dies 3 auf die Ausgangsspannung UOUT auswirkt.
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Der Ansprechstrom der Schaltung gemäß Figur 1 ergibt sich aus der
Vorgabe der Spannungsänderung am Schaltungsausgang UOUT, die für eine sichere Erkennung
des Schaltvorganges erforderlich ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt diese Spannungsänderung NU TUT beispielsweise 100 mV, so daß der Ansprechstrom
1A bei einem Widerstand R1 von 300 kQ etwa 0,33 uA beträgt.
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Die Schaltung gemäß Figur 1 arbeitet somit in einem Bereich des Fotostrom
wischen 0,33 A und 4,67 uA einwandfrei und mit kleinen Ein- und Ausschaltzeiten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel darf somit der maximale Sperrstrom etwa
14mal größer sein als der Ansprechstrom.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Fotoverstárker anzugeben,
bei dem das Verhältnis zwichen Ansprechstrom und maximalem Hellsperrstrom, bei dem
noch keine Abschaltverzögerungen auftreten, erheblich größer ist als bei der bekannten
Schaltung gemäß der Figur 1. Diese Aufgabe wird bei einem Fotoverstärker der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impedanz aus einem Netzwerk
besteht, das in einem Stromzweig einen Widerstand und in einem zweiten Stromzweig
ein nichtlineares Bauelement enthält, so daß der Fotostrom bis zu einem Grenzwert
nur über den Widerstandsstromzweig und der über diesem Grenzwert liegende Stromanteil
über den das nichtlineare Bauelement enthaltenden Stromzweig fließt.
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Die beiden Stromzweige sind vorzugsweise parallel geschaltet.
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Das nichtlineare Bauelement ist vorzugsweise eine Diode, die beim
Erreichen der Flußspannung an der Parallelschaltung stromführend wird. Anstelle
der Diode kann auch ein Transistor oder eine Zenerdiode Verwendung finden.
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Der Fotoverstärker wird vorzugsweise als Impulsgeber für KFZ-Motoren
verwendet, wobei das lichtempfindliche Halbleiterbauelement eine Fotodiode oder
ein Fototransistor und Teil eines optoelektronischen Koppelelementes ist, bei dem
der Lichtstrahl durch eine mechanische Blende unterbrechbar ist. Die erfindungsgemäße
Schaltung ist in der Figur 2 dargestellt, wobei der einzige Unterschied zur Schaltung
gemäß Figur 1 darin besteht, daß parallel zum Widerstand R1 die Diode D1 geschaltet
ist. Diese Diode wird vom Hellsperrstrom der Fotodiode IFD in Durchlaßrichtung beansprucht,
sobald
am Widerstand R1 eine Spannung ansteht, die größer als die Flußspannung der Diode
1)1 ist. Die Diode D besteht vorzugsweise aus einem Transistor mit kurzgeschlossener
Basiskollektorstrecke.
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Bei der Schaltung gemäß Figur 2 flIeßt der H1lsper.rt:rom der Fotodiode
bis zu einem bestimmten Wert, der der Flußspannung der Diode D1 entspricht, über
den Widerstand R1. Für diesen Strom gilt:
wobei UF die Flußspannurig der Diode D1 ist. Bei einem Wert UF = 0,6 V, R1 = 300
k#, I1 = 100 µA, B = 100 ergibt sich: IFD # 1 µA. Bei größeren Hellsperrströmen
wird die Diode D1 leitend, so daß der Anteil des Hellsperrstroms, der den angegebenen
Grenzwert überschreitet, durch die nun leitende Diode fließt. Der Transistor T1
erhält somit auch bei hohen Werten für den Hellsperrstrom nach wie vor den Basisstrom
IB und bleibt weiterhin leitend. Seine Basisspannung UBE1 wird gleichfalls aufrecht
erhalten, so daß die Spannung an der Kapazität C. auch bei sehr großen Werten des
Hellsperr-3 stroms stets den Wert von UBE1 beibehält. Beim Abschalten des Lichtstrahls
muß daher die Sperrschichtkapazität C. der 3 Fotodiode nicht nachgeladen werden.
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Die Ein- und Abschaltzeiten der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß
der Figur 2 sind noch in Diagrammen in der Figur 3 dargestellt. Die gestrichelten
Linien geben die Anschaltzeiten in Abhängigkeit von der Größe des Hellsperrstroms
an. Hierbei gilt dt Kurve a für eine Schaltung gemäß Figur 1 und die Kurve b für
eine Schaltung gemäß Figur 2. In den Anschaltzeiten ergeben sich keine wesentlichen
Unterschiede zwischen den Schaltungen qemäß den Figuren 1 und 2. Anders verhält
es sich bei den Abschaltzeiten. Die Kurve a zeigt wiederum die Abschaltzeit in Abhängigkeit
vom Hellsperrstrom bei einer Schaltung gemäß Figur 1. Die Abschaltzeit
steigt
ab einem Wert von ca. 4,7 uA für den Hellsperrstrom steil ;in und erreicht bei einem
Hellsperrstrom von ca. 15 uA einen Wert, der 15mal größer ist als die Abschaltzeiten
bei kleinen Hellsperrströmen. Demgegenüber kann gemäß der Kurve b bei einer Schaltung
nach der Figur 2 der Hellsperrstrom 100mol größer als der Ansprechstrom IA werden,
ohne daß hierdurch die Abschaltzeit des Verstärkers wesentlich erhöht wird.
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Die Diode D1 wird erst bei höheren Werten des Hellsperrstroms IFD
der Fotodioden leitend, wenn gemäß Figur 4 die Diode D1 an einen Teilerpunkt des
Emitterwiderstandes von T2 angeschlossen wird. Wählt man z. B. das Verhältnis R2a/R2b
= 0,5, dann wird die Diode D1 erst bei einem Hellsperrstrom
leitend. Mit den genannten Werten wird dann 1FD 3,08 pA.
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Das Unterteilen des Emitterwiderstandes R2 in R2a und R2b ist dann
von wesentlichem Vorteil, wenn die Schaltung auch bei relativ hohen Temperaturen
(z. B. T = 125 "C) arbeiten soll.