DE3690352C2

DE3690352C2 - Elektrische Kopplung

Info

Publication number: DE3690352C2
Application number: DE3690352A
Authority: DE
Inventors: Bo Hagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-05
Filing date: 1986-07-04
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2006-07-05
Also published as: DE3690352T; WO1987000271A1; SE8503358D0; GB8704452D0; GB2191283A; JPS63500269A; SE447934B; GB2191283B; US4793704A

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 R_A 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 I_F erzeugt. Der photoelektrische Strom I_F wird weiter geleitet über den Verstärkungswiderstand R_A 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 R_A beide über die Diode F parallel geschaltet sind. Die Meßwiderstände können automatisch zur Veränderung der Meß bereiche ausgetauscht werden. Der Widerstand R_L stellt den Widerstand in der Sperrschicht der Photodiode in der lei tenden Richtung dar, d. h. in Fig. 2.

I_F ist der photoelektrische Strom in der Rückwärtsrichtung der Diode, der durch die Strahlung E erzeugt wird. L_A ist der Leckstrom, der durch die Spannung V = R_A(I_F-I_L-I_V) erzeugt wird. Der Leckstrom ist in der Vorwärtsrichtung. I_V 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 R_A auf die Größe ΔV in Fig. 2 begrenzt ist, unterhalb von welcher der Rückwärtswiderstand R_L als viel größer als R_A betrachtet werden kann, und wenn ¹V als viel kleiner als I_F betrachtet werden kann, ergibt sich, daß I_F-I_V-I_L ungefähr gleich I_F ist und also V ungefähr gleich I_F·R_A 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 R_A so gewählt wurde, daß I_F·R_A kleiner als ΔV ist.

Für eine Siliciumdiode mit einer Oberfläche von einigen Quadratmillimetern und angemessener Filterung ist I_A unge fähr gleich 100 pA/lux oder I_F ungefähr gleich 100 pA/w/m² für ultraviolette oder infrarote Strahlung. Bei einer Span nung V = 50 mV kann R_A 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 R_A zu geringeren Widerstandswerten R_N 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

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 (R_A) 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.