Pierwszenstwo: Opublikowano: 19.1.1968 (P 120 025) 31.111.1969 56989 KI. 21 g, 4/06 MKP UKD no}!: *f|oo Twórca wynalazku: mgr inz. Lucjan Grochowski Wlasciciel patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa (Polska) Uklad detekcji promieni podczerwonych ze wzmacniaczem wstepnym Przedmiotem wynalazku jest uklad detekcji pro¬ mieni podczerwonych ze wzmacniaczem wstep¬ nym —¦ sluzacy do przetworzenia strumienia pro¬ mieni podczerwonych na sygnal elektryczny zdol¬ ny do wysterowania innych urzadzen elektronicz¬ nych.Znane uklady detekcji promieni podczerwonych budowane sa w oparciu o selektywne lub nie- selektywne detektory podczerwieni, które wspól¬ pracuja z ukladami elektronicznymi wykorzystuja¬ cymi klasyczne sprzezenia miedzyukladowe — pojemnosciowe, galwaniczne i indukcyjne.Na przyklad czuly uklad detekcji promieni podczerwonych, pracujacy w prostym skompen¬ sowanym ukladzie, dla wysterowania przekaznika stalym w czasie strumieniem podczerwieni musi miec wielostopniowy wzmacniacz pradu stalego o dobrej stabilizacji zera. W przypadku natomiast zmiennego w czasie strumienia podczerwieni — dla wysterowania takiego samego przekaznika — wymagany jest conajmniej kilkustopniowy wzmac¬ niacz selektywny.Czesto uklady podobne do opisanych powyzej maja za zadanie wysterowac podlaczony w miejsce przekaznika miernik, który daje wskazania pro¬ porcjonalne do natezenia odebranych promieni podczerwonych. Uklady takie musza miec dobra liniowosc. Liniowosc zapewniona jest wtedy roz¬ budowa — glównie ukladu wzmacniajacego lub 10 15 25 30 tez stosowaniem dodatkowych elementów kompli¬ kujacych calosc rozwiazania ukladowego.Znane uklady detekcji promieni podczerwonych ze wzmocnieniem wstepnym charakteryzuje duza rozbudowa ukladu elektronicznego, koniecznosc stosowania skomplikowanych ukladów dla zapew¬ nienia dobrej liniowosci oraz stosunkowo duzy po¬ bór mocy zasilajacej. Przyczyna tego jest przede wszystkim wykorzystywanie tu klasycznych — in¬ dukcyjnych, pojemnosciowych lub galwanicznych — sprzezen poszczególnych ukladów elektronicz¬ nych i wiazacych sie z tym podzespolów. Inna przyczyna jest stosowanie zbyt maloczulych ukla¬ dów kompensacji chwilowych zmian warunków pracy detektorów podczerwieni.Celem wynalazku jest uproszczenie ukladowe stosowanych ukladów detekcji promieni podczer¬ wonych ze wzmocnieniem wstepnym, zapewnienie im dobrej liniowosci oraz ograniczenie poboru mocy zasilajacej.Wytyczone zadanie zostalo rozwiazane zgodnie z wynalazkiem w ten sposób, ze w ukladzie de¬ tekcji promieni podczerwonych ze wzmacniaczem wstepnym, skladajacym sie z ukladu mostkowego wyposazonego w dwa detektory podczerwieni, wzmacniacza róznicowego podlaczonego do punk¬ tów zerowych mostka jak i fotodetektora, na któ¬ rego wyjsciu uzyskuje sie sygnal proporcjonalny do natezenia odebranych promieni podczerwo¬ nych — w stopniu tranzystorowym wspólpraca 569893 jacym ze wzmacniaczem róznicowym jako obcia¬ zenie uzyto diode elektroluminescencyjna, która polaczona jest strumieniem fotonów przenoszacych sygnal z fotodetektorem. Fotodetektor umieszczo¬ ny jest wspólosiowo wzgledem diody elektrolumi¬ nescencyjnej w odleglosci zapewniajacej mu wy¬ sterowanie.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na ry¬ sunku, na którym fig. 1 przedstawia uklad detekcji promieni podczerwonych ze wzmacniaczem wstep¬ nym, a fig. 2 przykladowe zastosowanie ukladu wedlug wynalazku do pomiaru natezenia promie¬ niowania podczerwonego zmiennego w czasie.Zgodnie z fig. 1 uklad mostkowy detekcji pro¬ mieni podczerwonych stanowia dwa selektywne lub nieselektywne detektory podczerwieni Dl i D2 oraz oporniki Rl i R2. Promienie podczerwone podlegajace detekcji padaja tylko na jeden detek¬ tor Dl, drugi natomiast detektor D2 ma za zada¬ nie kompensowac zmiany warunków pracy i tem¬ peratury calego ukladu detekcji.W punktach zerowych mostka dolaczony jest wzmacniacz róznicowy 1 na tranzystorach 2 i 3.Z chwila odebrania przez detektor Dl promieni podczerwonych nastepuje zmiana równowagi mostka. Odpowiada temu elektryczny sygnal, któ¬ ry podany zostaje na wzmacniacz róznicowy 1 i stad przez tranzystor 2 wysterowywuje tranzy¬ stor 4, posiadajacy w kolektorze jako obciazenie diode elektroluminescencyjna 5. Dioda ta zaczyna emitowac fotony, które z kolei wysterowywuja znany na przyklad krzemowy fotodetektor 6. Fo¬ todetektor ten stanowia: fototranzystor i dwu¬ stopniowy wzmacniacz pradowy. Elementy te sta¬ nowia jedna calosc i mieszcza sie w obudowie wielkosci tranzystora malej mocy.W wyniku wysterowania w fotodetektorze 6 zaczyna plynac prad zalezny od odbieranego pro¬ mieniowania podczerwonego. Powoduje to powsta¬ nie na opornosci 7 obciazenia fotodetektora 6 sy¬ gnalu elektrycznego wielokrotnie wiekszego od sygnalu zmiany równowagi mostka.W przedmiotowym ukladzie wedlug wynalazku zastosowano ujemne sprzezenie zwrotne zrealizo¬ wane przy pomocy sprzezenia fotonowego. Do tego celu sluzy dioda elektroluminescencyjna 8 i foto- element 9. Przy przekroczeniu okreslonego napie¬ cia na kolektorze tranzystora 4 przez diode elek¬ troluminescencyjna 8, wlaczona miedzy kolektor tranzystora 4 a diode napiecia odniesienia 10, za¬ czyna plynac prad. Towarzyszy temu emisja stru¬ mienia fotonów, które docieraja do fotoelementu 9.Nastepuje zmniejszenie obciazenia tranzystora 2 we wzmacniaczu róznicowym 1, które z kolei po¬ woduje zmiane wysterowania tranzystora 4. Daje to zmniejszenie pradu plynacego przez diode elek¬ troluminescencyjna 5. Efektem tego jest zwieksze¬ nie liniowosci wzmocnienia calego ukladu detekcji jak i uchronienie przed zniszczeniem diody elek¬ troluminescencyjnej 5 w wypadku detekcji pro¬ mieni podczerwonych o duzym natezeniu.Wykorzystanie sprzezenia fotonowego oraz za¬ stosowanie w przedmiotowym ukladzie wedlug wynalazku podzespolów, które realizuja to sprze¬ zenie pozwala uzyskac duze wzmocnienie i dobra 56989 4 liniowosc w prostym ukladzie elektronicznym! przy równoczesnym ograniczeniu poboru mocy zasila¬ jacej. Prócz tego sprzezenie fotonowe pozwala na dalsze uproszczenia ukladowe na przyklad przy 5 wprowadzeniu techniki obwodów scalonych, gdzie sluzyc moze jako polaczenie kolejnych mikro¬ modulów.Zaleta mostkowego ukladu detekcji promieni podczerwonych ze wzmacniaczem wstepnym jest io takze to, ze pozwala on na prace z detektorami nieselektywnymi jak i selektywnymi, które od¬ bierac moga staly lub zmienny w czasie strumien podczerwieni.Przykladowe zastosowanie ukladu wedlug wy- 15 nalazku do pomiaru okresowo zmiennego w cza¬ sie natezenia promieni podczerwonych pokazuje fig. 2.Sygnal z ukladu detekcji 11 wyposazonego w szeregowy obwód rezonansowy 12, podany zostaje 20 na fotodetektor 6 posiadajacy w emiterze obcia¬ zenie 13. Na obciazenie to skladaja sie opornik i szeregowy obwód rezonansowy polaczony rów¬ nolegle z opornikiem. Obydwa obwody rezonan¬ sowe uzyte w ukladzie nastrojone sa na te sama 25 czestotliwosc . równa czestotliwosci odbieranego promieniowania podczerwonego. Wprowadzenie tu obwodów rezonansowych daje niewielka mo¬ dyfikacje ukladu stanowiacego przedmiot wyna¬ lazku pokazany na fig. 1 i pozwala poprawic sto- 30 sunek sygnalu do szumu.Z obciazenia 13 zmienny sygnal podawany jest na detektor diodowy 14. Stad poprzez tranzystor 15 wysterowuje wychylowy miernik 16, polaczony w ukladzie 17 i wyskalowany w jednostkach na- 35 tezenia promieniowania podczerwonego.W podobny sposób do opisanego pomiaru na¬ tezenia promieni podczerwonych zrealizowac moz¬ na pomiar temperatury. W przypadku takim wy¬ korzystuje sie fakt, ze natezenie promieniowania 40 podczerwonego jest proporcjonalne do tempera¬ tury mierzonego obiektu. Pomiar temperatury we¬ dlug tej zasady przy wykorzystaniu ukladu sta¬ nowiacego wynalazek, ma stosunkowo duza czu¬ losc dzieki czemu moze znalezc zastosowanie w 45 medycynie dla celów diagnostyki.Z innych zastosowan wymienic mozna sygnali¬ zacje. Uklad wedlug wynalazku moze byc uzyty przy niektórych procesach technologicznych dla podniesienia bezpieczenstwa zatrudnionych oraz 50 w systemach sygnalizacji przeciwpozarowej i prze- ciwwlamaniowej, gdzie spelniac moze przy nie¬ wielkiej modyfikacji role czujki. 55 PL