-
Photoelektrischer Beleuchtungsmesser
Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen
Beleuchtungsmesser mit unter Kurzschlußbedingungen betriebenem Photoelement. Er
unterscheidet sich von den bisherigen Beleuchtungsmessern durch eine für die Beleuchtungsmessung
besonders zweckmäßige Schaltung.
-
Der Betrieb eines Photoelementes unter Kurzschlußbedingung besitzt
bekanntlich den für die Meßpraxis wichtigen Vorteil eines in einem sehr großen Beleuchtungsintervall
linear verlaufenden Stromes, der in viel geringerem Maße von der Temperatur des
Photoelementes abhängig und merklich größer ist als bei anderen Meßschaltungen.
-
Wegen dieser Vorteile sind bereits eine Reihe von Schaltungen angegeben
worden, die den Betrieb eines Photoelementes unter Kurzschlußbedingungen gewährleisten.
Diese älteren Schaltungsanordnungen besitzen aber den Nachteil, daß sie einen Bedienungsaufwand
erfordern, der wohl bei Messungen in einem Laboratorium, nicht aber bei einem für
praktische Messungen gedachten Beleuchtungsmesser, der transportabel, einfach zu
bedienen und preiswert sein soll, tragbar ist. Grundsätzlich wird bei den bekannten
derartigen Schaltungen von einer Hilfsspannungsquelle über ein Potentiometer eine
kleine Spannung abgegriffen und so an das Photoelement gelegt, daß sie der bei der
Belichtung des Elementes entstehenden Photospannung entgegengerichtet ist.
-
Wird diese Hilfsspannung so abgestimmt, daß ihr Wert an dem Photoelement
der Photospannung entgegengesetzt gleich ist, so erfolgt innerhalb eines sehr großen
Bereiches der Beleuchtu,ngsstärken kein Rückfluß von Photoelektronen innerhalb des
Photoelementes; der von der Hilfs-
spannung erzeugte, im Außenkreis
fließende Strom ist dann gleich dem durch die Beleuchtung ausgelösten Photostrom
des dann an der Spannung o, also unter Kurzschlußbedingungen arbeitenden Photoelementes.
-
Die meisten dieser bisher für das Arbeiten mit Photoelementen im
Kurzschlußbetrieb angegebenen Schaltungen benutzen zwei Galvanometer, von denen
das eine zur Anzeige des Abgleichs der Klemmenspannung des Photoelementes durch
die Hilfsspannung dient, während das zweite Galvanometer den durch die angelegte
Hilfsspannung hervorgerufenen und die gleiche Größe wie der Photostrom besitzenden
Hilfsstrom anzeigt. Die Grundanordnung einer solchen Schaltung zeigt Fig. I.
-
An die Klemmen des Photoelementes I wird eine Hilfsspannung gelegt,
die mit Hilfe des Potentiometers 2 von der Stromquelle 3 abgegriffen wird.
-
Durch Verschieben des Potentiometerabgriffs wird sie der durch die
Belichtung des Elementes entstehenden Photospannung entgegengesetzt gleichgemacht.
In diesem Fall zeigt das Galvanometer 4 keinen Ausschlag. Durch das Galvanometer
5 fließt dann ein dem Photostrom gleich großer Strom, der innerhalb eines sehr großen
Beleuchtungsbereiches der zu messenden Beleuchtungsstärke auf dem Photoelement proportional
ist, so daß die Skala des Instrumentes direkt in Beleuchtungsstärken geeicht werden
kann.
-
Es sind noch Modifikationen dieser Schaltung bekannt, bei denen mit
Hilfe einer geeigneten Spannungsteilerschaltung erreicht wird, daß der durch das
Galvanometer 5 fließende Strom ein einstellbares Vielfaches des Photostromes ist
Die bisher genannten Schaltungen weisen aber den großen Nachteil auf, daß sie zwei
Galvanometer erfordern, wodurch derartige Beleuchtungsmesser verhältnismäßig teuer
und unhandlich werden. Es wurde daher versucht, Schaltungen zu finden, bei denen
der Nullabgleich der Klemmenspannung des Photoelementes durch eine Hilfsspannung
festgestellt werden kann, ohne ein besonderes Galvanometer dafür zu benötigen. Eine
Möglichkeit hierzu zeigt die in Fig. 2 dargestellte Anordnung, die sich von der
in Fig. I dargestellten nur durch eine Kurzschlußtaste 6 an Stelle des Galvanometers
4 unterscheidet. Der Meßvorgang ist dabei folgender: Nach Einstellung des Potentiometers
2 auf einen bestimmten Wert bei beleuchtetem Photoelement wird die Kurzschluß taste
6 kurzzeitig geschlossen. Kompensiert der. eingestellte Hilfsspannungswert gerade
die Klemmenspannung des Photoelementes, so tritt dabei keine Änderung des Ausschlages
am Galvanometer 5 auf.
-
Im anderen Fall muß schrittweise der Potentiometerabgriff verstellt
und durch Kurzschließen von 6 ausprobiert werden, ob der Abgleich erzielt ist oder
nicht. Eine derartige Methode, bei der durch wiederholte Bedienung der Kurzschlußtaste
die jeweilige Potentiometereinstellung so lange kontrolliert wird, bis der richtige
Wert gefunden wird, ist bei Laboratoriumsmessungen durchaus gebräuchlich. Für ein
Meßinstrument, das in der Hand von Praktikern benutzt werden soll, ist sie zu umständlich.
-
Erfindungsgemäß wird daher ein photoelektrischer Beleuchtungsmesser
mit unter Surzschlußbedingungen betriebenem Photoelement. dessen Klemmenspannung
durch eine ihr entgegengerichtete an einem Potentiometer von einer Hilfsspannungsquelle
abgegriffene Hilfsspannung ausgeglichen wird, vorgeschlagen, der durch ein umschaltbares
Galvanometer gekennzeichnet ist, das zur Anzeige des Spannungsabgleiches direkt
an die Klemmen des Photoelementes gelegt und zur Anzeige eines dem Photostrom proportionalen
Stromes an die Stelle eines Ersatzwiderstandes geschaltet wird, der die gleiche
Größe wie der Galvanometerwiderstand hat und in Reihe zu dem abgegriffenen Potentiometerwiderstand
liegt.
-
Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 3. Ein und dasselbe Galvanometer
5 kann mit Hilfe eines Umschalters 7 einmal an die Stelle des Instrumentes 4 von
Fig. I gelegt werden, wobei gleichzeitig an Stelle des Galvanometers 5 von Fig.
1 ein Widerstand 8 eingeschaltet wird, der dem Galvanometerwiderstand gleich ist.
In dieser Stellung dient das Galvanometer zum Abgleich der Klemmenspannung des Photoelementes
I durch die am Potentiometer 2 abgegriffene Hilfsspannung. Bei der anderen Stellung
des Umschalters 7 tritt das Galvanometer 5 an die Stelle des Widerstandes 8 so daß
die Abgleichsbedingungen unverändert bleiben. Es zeigt dabei einen dem Photostrom
proportionalen Strom an. Ohne Schwierigkeiten läßt sich diese Schaltung auch auf
die obenerwähnten Anordnungen übertragen, bei denen durch einen Spannungsteiler
ein Galvanometerstrom gewonnen wird, der ein Mehrfaches des Photostromes beträgt.
-
Für einen für die Praxis bestimmten Beleuch tungsmesser ist es besonders
wichtig, daß er die Messung sehr unterschiedlicher Beleuchtungsstärken ermöglicht,
erwünscht ist ein Bereich von etwa vier Zehnerpotenzen der Beleuchtungsstärke.
-
Das hat zur Folge, daß zur Erzielung einer ausreichenden Ablesegenauigkeit
das Galvanometer auf mehrere, verschieden empfindliche Meßbereiche umstellbar sein
muß. Da bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmesser der Widerstand des Galvanometers
in einem bestimmten Meßbereich der Größe des Ersatzwiderstandes 8 gleich sein muß,
muß entweder beim Umschalten des Galvanometers auf einen anderen Meßbereich gleichzeitig
zweckmäßig damit mechanisch erzwungen -ein anderer Ersatzwiderstand eingeschaltet
oder dafür gesorgt werden, daß das Galvanometer in allen Meßbereichen den gleichen
Gesamtwiderstand besitzt. Dieses letztere Verfahren, das sich. mit Hilfe an sich
bekannter Schaltelemente realisieren läßt, hat den Vorzug größerer Einfachheit.
-
Bei dem großen erwünschten Umfang der zu erfassenden Beleuchtungsstärken
ist es mit einem normalen Potentiometer nicht möglich, die dabei auftretenden unterschiedlichen
Photoströme im ganzen Meßbereich mit etwa gleichbleibender Ge-
nauigkeit
abzugleichen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird daher weiter vorgeschlagen,
zur Einstellung des Abgleiches der Klemmenspannung des Photoelementes ein Potentiometer
mit zwei mechanisch starr miteinander verbundenen, gegeneinander elektrisch isolierten
Schleifern zu benutzen, zwischen denen ein weiteres Potentiometer . angeordnet ist.
Eine derartige Potentiometeranordnung zeigt Fig. 4. Der Hilfsspannungsquelle II
liegt ein Potentiometerwiderstand 12 parallel, der so dimensioniert ist, daß der
abgegriffene Teil dieses Widerstandes alle Werte annehmen kann, die zum Abgleich
der durch den Photostrom erzeugten Klemmenspannung des Photoelementes innerhalb
des gesamten von dem Beleuchtungsmesser zu erfassenden Beleuchtungsbereichs erforderlich
sind. Der Wert dieses Widerstandes ist verhältnismäßig groß, so daß die einstellbaren
Widerstandsänderungen, wenn der Widerstand genügend handlich für ein tragbares Gerät
sein soll, relativ grob sind. Um trotzdem in den einzelnen Meßbereichen eine ausreichend
feine Einstellbarkeit zu erzielen, wird daher zusätzlich zu der an dem verstellbaren
Kontakt 13 abgegriffenen Spannung mit Hilfe eines zweiten Kontaktes I4 eine kleine
Spannungsdifferenz abgegriffen, die ihrerseits einem zweiten Potentiometerwiderstand
15 mit feinerer Abstufung zugeführt wird. Durch Grobabgleich an dem Widerstand 12
und Feinabgleich an dem Widerstand 15 ist es möglich, in allen Meßbereichen die
gewünschteEinstellgenauigkeit des Abgleiches zu erzielen. Es ist, um einen einfachen
Aufbau des Instrumentes zu erreichen, zweckmäßig, die Kontakte 13 und 14 mechanisch
starr miteinander zu verbinden. Wenn dann der Widerstand 12 in seiner ganzen Länge
mit dem gleichen Widerstandsmaterial in der gleichen Weise versehen ist, liegt zwischen
den beiden Kontakten I3 und 14 stets die gleiche Spannungsdifferenz.
-
Bei bestimmten Meßaufgaben. z. B. bei der Messung einer Beleuchtungsstärke,
die eine elektrische Lichtquelle hervorruft, deren Betriebsspannung nicht konstant
ist, ist es oft erwünscht, zu kontrollieren, ob der zunächst eingestellte Abgleich
der Klemmenspannung des Photoelementes auch noch in dem Augenblick vorhanden ist,
in dem der die Größe des Photostromes anzeigende Ausschlag des Galvanometers abgelesen
wird. Für diese Fälle kann in der durch die Fig. 3 dargestellten Prinzipschaltung
noch ein Schalter vorgesehen werden, der die Pole des Photoelementes kurzzeitig
kurzzuschließen gestattet. Hat sich die Beleuchtungsstärke auf dem Photoelement
während der kurzen Zeit von dem Abgleich seiner Klemmenspannung bis zur Ablesung
des dem Photostrom proportionalen Stromes an dem hierzu umgeschalteten Galvanometer
nicht geändert, so arbeitet das Photoelement noch unter Kurzschlußbedingung. Die
Betätigung des Kurzschlußschalters ist dann ohne einen Einfluß auf die Anzeige des
Galvanometers. Hat sich dagegen in dieser Zeit die Beleuchtungsstärke geändert,
so daß der vorher eingestellte Abgleich der Klemmenspannung nicht mehr vorhanden
ist, wird bei Einschalten des Kurzschluß schalters das dann an den Klemmen des Photoelementes
vorhandene Potential überbrückt und damit eine Änderung der Anzeige des Meßgalvanometers
herbeigeführt. Man erkennt somit bei Bedienung dieses Kurzschlußschalters nach vorher
vollzogenem Abgleich der Klemmenspannung des Elementes, ob die Bedingungen, unter
denen der Abgleich stattgefunden hatte, noch vorliegen oder nicht. Ändert sich der
Ausschlag des Galvanometers bei Bedienung des Kurzschluß schalters, so wird man
das Galvanometer nochmals mit Hilfe des Umschalters 7 in Fig. 3 in den Abgleichkreis
legen, um den Abgleich erneut vorzunehmen.
-
Es ist weiter bekannt, daß bei einem Galvanometer die Einstellgeschwindigkeit
und Ablesegenauigkeit besonders gut sind, wenn das Galvanometer in dem aperiodischen
Zustand arbeitet.
-
Ein aperiodisches Arbeiten des vorgeschlagenen Beleuchtungsmessers
läßt sich durch geeignete Schaltanordnungen des Galvanometers sicherstellen. Dies
kann z. B. unter Einhaltung der gleichzeitigen Forderung nach Konstanz des Gesamtwiderstandes
der Galvanometeranordnung in an sich bekannter Weise durch die Benutzung geeignet
dimensionierter T-Glieder erfolgen.
-
Um eine befriedigende Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten,
ist besonders bei tragbaren Geräten die Möglichkeit von Wichtigkeit, die Nullanzeige
des Galvanometers jederzeit kontrollieren und nötigenfalls diese Nullstellung korrigieren
zu können. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgesehen, bei der Anordnung für die Meßbereichsumschaltung
des Galvanometers auch eine Schaltstellung vorzusehen, bei der das Galvanometer
über einen aperiodischen Grenzwiderstaild kurzgeschlossen werden kann. Dabei bleibt
das Galvanometer einpolig mit der übrigen Meßschaltung verbunden, um den notwendigen
Potentionalausgleich zu erhalten. Eine Ausführungsmöglichkeit dazu zeigt Fig. 5.
Das Galvanometer ist über die Kontakte 16 und I7 an Stelle eines gesonderten Grenzwiderstandes
über zwei Widerstände aperiodisch kurzgeschlossen, die in den übrigen Schaltstellungen
für die Meßbereichsumschaltung des Galvanometers Verwendung finden. Der unbeschaltete
Kontakt I8 schaltet das Galvanometer einpolig ab, während es iiber Kontakt I6 mit
der übrigen Meßschaltung verbunden bleibt.