DE3690352C2 - Elektrische Kopplung - Google Patents
Elektrische KopplungInfo
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- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kopplung in
einem Instrument zur Erfassung von ultravioletter Strah
lung, sichtbarem Licht oder infraroter Strahlung, die eine
Photodiode aus Silicium oder Germanium, einen Präzisionswi
derstand zur Messung, über welchen ein erzeugter photoelek
trischer Strom eine Spannung erzeugt, und ein Voltmeter mit
geringem Leckstrom zur Messung der erzeugten Spannung auf
weist.
In der Patentschrift GB 1 159 580 ist ein Lichtmeßgerät zur Erfassung
der durchschnittlichen Intensität von Lichtimpulsen beschrieben. Die
Vorrichtung weist dazu einen großen Kondensator über einem Meßwider
stand und ein Voltmeter auf, die parallel über eine Photodiode ver
bunden sind. Das Meßergebnis ist nur linear, wenn das zu messende
Licht pulsierend ist.
In der Patentschrift US 3 379 094 ist eine Lichtmeßvorrichtung beschrie
ben, die die Nichtlinearität eines erzeugten photoelektrischen Stromes
kompensieren soll. Der Detektor ist ein Photowiderstand. Die Vor
richtung weist dazu eine Spannungsquelle auf.
DE 29 14 266 beschreibt eine Meßvorrichtung, die eine Photodiode
aufweist. Der Photodiode wird ein Ruhepotential von einer Spannungs
quelle zugeführt. Diese Vorrichtung kann nicht die Nichtlinearität im
Meßergebnis eliminieren, wenn ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht
oder infrarote Strahlung erfaßt wird.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine strukturel
le Ausführung zu ermöglichen, die eine Nichtlinearität im Meßergebnis
eliminiert und welche kostengünstiger, einfacher und sicherer als
die bekannten und kommerziell erhältlichen sind.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk
male gelöst. Ein Merkmal der Erfindung ist es, daß der Prä
zisionswiderstand und das kalibrierte Voltmeter jeweils
über die Photodiode parallel geschaltet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit
der Zeichnung. In dieser zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Schaltdiagramm für eine
bekannte photometrische Kopplung,
Fig. 2 die Strom-Spannungskennlinie der
Photodiode in der Vorwärtsrichtung, und
Fig. 3 ein Schaltdiagramm gemäß dem
Erfindungsgedanken.
Die in Fig. 1 gezeigte Kopplung weist also eine Photodiode
F und ein mit ihr parallel geschaltetes Voltmeter auf. Vor
das Voltmeter sind ein Operationsverstärker O und ein Wi
derstand RA geschaltet. Der Widerstand kann gegen Wider
stände von verschiedener Größe ausgetauscht werden, um die
Meßbereiche zu verändern. Die Kopplung wirkt in der Weise,
daß die Photodiode F bei Belichtung durch die Strahlung E
in ihrer Rückwärtsrichtung einen photoelektrischen Strom IF
erzeugt. Der photoelektrische Strom IF wird weiter geleitet
über den Verstärkungswiderstand RA des Operationsverstär
kers O. Die erzeugte Spannung wird durch das Voltmeter V
angezeigt. V ist proportional zu E vorausgesetzt, daß der
Widerstandstrimmer T so eingestellt ist, daß V = O wenn E =
O. Da dieses aktive Verstärkungssystem temperaturempfind
lich ist, muß die Einstellung manuell oder automatisch bei
beachtlichen Kosten erfolgen.
In Fig. 2 ist die Strom-Spannungskennlinie in Vorwärtsrich
tung gezeigt, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung der pho
toelektrischen Stromerzeugung. Von daher erscheint es, daß
bei niedriger Spannung V in der Vorwärtsrichtung die Diode
wie ein Isolator wirkt. Der Widerstand ist sehr hoch,
in der Nähe des Ursprungs der Koordinaten. Dies gilt ins
besondere für Siliciumdioden.
Fig. 3 zeigt die Kopplung gemäß dem Erfindungsgedanken. Es
ergibt sich daraus, daß das Voltmeter und der Meßwiderstand
RA beide über die Diode F parallel geschaltet sind. Die
Meßwiderstände können automatisch zur Veränderung der Meß
bereiche ausgetauscht werden. Der Widerstand RL stellt den
Widerstand in der Sperrschicht der Photodiode in der lei
tenden Richtung dar, d. h. in Fig. 2.
IF ist der photoelektrische Strom in der Rückwärtsrichtung
der Diode, der durch die Strahlung E erzeugt wird. LA ist
der Leckstrom, der durch die Spannung V = RA(IF-IL-IV)
erzeugt wird. Der Leckstrom ist in der Vorwärtsrichtung. IV
ist der sehr kleine Leckstrom über das moderne Voltmeter V.
Die Größe des Leckstromes ist 1 pico-Ampere.
Wenn die erzeugte Spannung V über den Widerstand RA auf die
Größe ΔV in Fig. 2 begrenzt ist, unterhalb von welcher der
Rückwärtswiderstand RL als viel größer als RA betrachtet
werden kann, und wenn ¹V als viel kleiner als IF betrachtet
werden kann, ergibt sich, daß IF-IV-IL ungefähr gleich
IF ist und also V ungefähr gleich IF·RA ist.
Das Voltmeter ist so eingestellt, daß die Maximalablenkung
erreicht wird bei einer Spannung gleich oder kleiner als
ΔV. Die Kalibrierung mit einer bekannten Strahlung E kann
direkt ausgeführt werden durch Einstellung des Voltmeters
wenn RA so gewählt wurde, daß IF·RA kleiner als ΔV ist.
Für eine Siliciumdiode mit einer Oberfläche von einigen
Quadratmillimetern und angemessener Filterung ist IA unge
fähr gleich 100 pA/lux oder IF ungefähr gleich 100 pA/w/m²
für ultraviolette oder infrarote Strahlung. Bei einer Span
nung V = 50 mV kann RA ganz einfach zu 10 MΩ gewählt wer
den, ohne daß irgendeine Nichtlinearität in der Beziehung
V = k·E bemerkbar wäre. Mit dieser Kopplung können also
Beleuchtungsintensitäten von 0,1 lux oder Strahlungsinten
sitäten im Ultravioletten oder Infraroten von 0,01 w/m²
gemessen werden. Für Photodioden mit einer unterschiedli
chen Oberfläche muß ΔV so gewählt werden, daß V = k·E
konstant im wesentlichen linear ist. Bei der Messung von
höheren Strahlungsintensitäten wird RA zu geringeren
Widerstandswerten RN gewählt, so daß die Spannung immer auf
ΔV oder kleiner begrenzt ist.
Die Kopplung gemäß dem Erfindungsgedanken impliziert eine
wesentliche Verringerung des Materialaufwands und der Ar
beitskosten sowie eine viel einfachere Handhabung wegen der
automatischen Nullpunkt-Stabilität. Das Voltmeter darf si
cherlich eine aktive Verstärkung beinhalten, aber von der
hochtechnologischen Massenproduktion herrührend sind moder
ne Voltmeter Nullpunkt-stabil bei sehr unterschiedlichen
Temperaturen. Moderne Voltmeter - im allgemeinen digitale -
sind ebenso gut geeignet, so kleine Spannungen wie hier
berichtet worden sind, aufzulösen (z. B. 50 mV in zweitau
send Skaleneinteilungen).
Claims (1)
- Elektrische Kopplung in einem Instrument zur Erfassung von ultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht oder infraroter Strahlung, die eine Photodiode aus Silicium oder Germanium, einen Meßwiderstand, über welchen ein erzeugter photoelektrischer Strom eine Spannung erzeugt, und ein Voltmeter mit geringem Leckstrom zur Messung der erzeugten Spannung aufweist, wobei der Meßwiderstand (RA) und das kalibrierte Voltmeter (V) jeweils über die Photodiode (F) parallel geschaltet sind, und das Voltmeter auf Maximalablenkung bei einer Spannung über den Meßwiderstand kalibriert ist, die maximal die Spannung (ΔV) ist und bei welcher der Wider stand der Diode in der Vorwärtsrichtung so viel größer als der Meßwiderstand ist, daß eine Nichtlinearität in dem Meßergebnis vernachlässigbar ist.
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