DE2227127A1 - Photoelektronische mess- und steuerschaltung - Google Patents

Description

• PATEIITBESCIIREISUNG "Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung" In der Lichtmeßtechnik, der Film- und Phototechnik, sowie der Steuerungstechnik werden in zunehmendem Maße photoelektronische Meß- und Steuerschaltungen eingesetzt. Erwähnt seien hier nur z.B. Dämmerungsschalter, Belichtungsmesser, automatische Lichtmengenregler für Fhotolitzgeräte (sog. Computer-Blitzgeräte), Lichtschranken usw.
• 1 allgemeinen werden heute bei den genanlten Geräten Photowiderstände in Verbindung mit Relais oder auch mit aus diskreten Transistoren aufgebauten Verstärkern verwendet. Diese Geräte besitzen folgende Nachteile: 1. Die Photowiderstände bewirken folgende Störeffekte: a) Alterungserscheinungen, d.h. die lichtelektrischen werte unterliegen eincr irreversiblen zeitlichen Änderung. Iiierdurch ist eine häufige liachkalibrierung erforderlich.
• b) ermüdung, d.h. bei größeren Beleuchtungsstärken erhält man reversible Änderungen der lichtelektrischen Eigenschaften der Photowiderstände.
• c) Nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke auf dem Photowiderstand und seinem Eahnwiderstand.
• d) Große Trägheit e) Niedrige Gren@frequenz f) droge Temperaturabhängigkeit 2. Die meist aus zwei bis drei Transistoren aufgebauten einfachen Schaltverstärker zeigen eine relativ große Temperaturabhängigkeit und geringe Verstärkungsgenauigkeit. Die bei Schaltverstärkern notwendigen Umschaltpunkte können nicht exakt elektrisch definiert werden. Weiterhin benötigen diese aus diskreten Bauelementen aufgebauten Verstärker einen relativ großen Platzbedarf.
• Die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch Verwendung moderner photoelektrischer Empfänger in Kombination mit hochintegrierten Halbleiterschaltkreisen eine flexible, vielseitig verwendbare pnotoelektronische Meß- und Steuerschaltung zu realisieren, die die genannten Nachteile der heute üblichen Schaltungen vermeidet.
• Erfindungsgewäß wird als lichtelektrischer Empfänger ein Silizium-Photoelement mit Anpassung an die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges verwendet. Der Spektral-Angleich kann durch geeignete optische Filter (Farbfilter) erzielt werden. Zur Verstärkung des Photostromes werden Operationsverstärker (Rechenverstärker) benutzt, insbesondere in invertierender Beschaltung.
• Die Kombination oiliziumphotoelement- invertierender Operationsversä.rker bietet folgende Vorteile: 1. Keine Alterung 2. Keine Ermüdung 3. Linearer Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Kurzschlußphotostrom 4. Hohe Grenzfrequenz 5. Geringe Trägheit 6. Sehr geringe Temperaturabhängigkeit des Photostromes im Kurzschluß 7. Große Verstärkungsgenauigkeit 8. Linearer Zusammenhang zwischen Kurzschlußphotostrom und Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 9. Sehr kleiner Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 10. Kleiner Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele erläutert. Bild 1 zeigt eine Schaltung, die vorzugsweise als Schaltverstärker für Lichtschranken, oder als Dämmerungsschalter oder als Belichtungsmesser verwendet werden kann.
• Die Lichtstrahlung gelangt über ein Farbfilter F1 auf das Bilizium-Photoelement Ph1. Der Photostrom I'ph wird mittels des als Strom-Spannungs wandler (Invertierer mit sehr kleinem @ingangswiderstand) beschalteten Operationsverstärkers V1 in eine dem Photostrom proportionale positive Ausgangsspannung U1 umgesetzt. Es gilt: R1 U1 = Iph.R1 und Rein#A A = Leerlaufverstärkung des Verstärkers V1 Mit dem Potentiometer P1 kann mittels der Referenzspannung URef ein positiver Vergleichsstrom vorgegeben werden. Hierdurch kann z.B. eine gewünschte Ansprechschwelle eingestellt werden. Ist der negative ishotostrom gleich den positiven Referenzstrom, so is die Ausgangsspannung U1 des Verstärkers gleich Null. Der Verstärker V2 arbeitet als Komparator. Ist der invertierende eingang (a) positiv gegenüber dem nichtinvertierenden ingang (b) des Operationsverstärkers V2, hat die Ausgangsspannung U2 den maximalen negativen Wert. Ist der eingang (a) negativ gegenüber eingang (b), hat U2 den naximalen positiven Wert. er Komparator V2 ist also in der Lage, den Nulldurchgang der Eingangsspannung Ul festzustellen, wobei im Moment des Nulldurchgangs von U1 die Ausgangsspannung U2 sofort von der positiven Sättigungsspannung in die negative Sättigungsspannung oder umgekehrt, umschaltet. Vit U2 wird über einen Bchalttransistor T1 ein Relais Rel1 angesteuert, dessen Arbeitskontakt z.B. eine Lampe einschaltet. Damit die Schaltung nicht bei Gewitter-Blitzen anspricht, wird parallel zum Gegenkoplungswiderstand R1 der Kondensator C1 geschaltet. Die Zeitkonstante des AC-Gliedes muß sehr viel größer als die Blitzdauer sein R1.C1» TBlitz.Um ein Pendeln zwischen den Schaltzuständen bei langsamen IIelligkeitsänderungen (z.B.
• während der Dämmerung) zu verhindern, ist der Komparator V2 mit einer positiven @ück-Kopplung über den Spannungsteiler R3 und R4 versehen. Nierdurch wird ein Hysterese-Verhalten des Komparators erzeugt und dadurch ein schnelles Fendeln zwischen den Schaltzuständen verhindert. Am Ausgang A kann eine der Beleuchtungsstärke auf dem Photoelement proportionale Bpannung U1 abgenommen werden. Diese kann zur Messung der Belichtung benutzt werden, oder direkt zur Messung der Belsuchtungs- bzw. Bestrahlungsstärke.
• Bild 2 zeigt eine schaltung, die vorzugsweise als Dämmerungsschalter verwendet werden kann. Der erste Teil der Schaltung (Verstärker V5 mit Beschaltung) ist analog aufgebaut wie in Bild 1. Die Ausgangsspannung U5 steuent jetzt jedoch keinen Komparator, sondern einen Integrator (Operationsverstärker V6 mit R9 und C3) an. Je nach Polarität von U5 wird die Ausgangsspannung U6 des Integrators in positiver oder in negativer Richtung bis zur Sättigungsspannung des Verstärkers ansteigen. Uc steuert wieder über den Transistor T3 ein Schaltrilais. )er Vorteil des Integrators besteht darin, daß je nach Wahl der Zeitkonstanten R9.C3. gewünschte Schaltverzögerungszeiten (z.B. 0,1 sec....100 sec) eingestellt werden können. Dadurch kann während der Nacht z.B. das Ausschalten einer Straßenleuchte durch kurzzeitiges Beleuchten des Dämmerungsschalters mit Kraftfahrzeugscheinwerfern sicher verhindert werden Bild 3 zeigt eine Schaltung, die vorzugsweise als "automatischer Lichtmengenregler" für Dlitzgeräte, Kameras und Belichtungsmesser verwendet werden kann. Das Licht gelangt auch hier wieder über ein Farbfilter F2 auf das Silizium-Photoelement' Ph2. Der Photostrom Iph wird mittels Operationsverstärker V3 integriert. Am Ausgang von V3 erhält man Da Iph#E ( E = Beleuchtungsstärke), ist U3 somit proportional der Belichtung bzw. da E## (# = Lichtstrom), ist U3 auch proportional der Lichtmenge Der Verstärker V4 arbeitet als Komparator. Mit dem Potentiometer P2 kann ein gewünschter Vergleichsstrom vorgegeben werden. U5 erzeugt über den Widerstand R6 des Meßstrom Sind beide Ströme gleich schaltet der Komparator um. Die Ausgangsspannung des Komparators U4 kann nun über Transistoren Thyristoren, Relais usw. gewünschte Schaltfunktionen.ausiösen1 wie z.B. das Abschalten einer Blitzlampe nach Erreichen der mit P2 eingestellten Belichtung bzw. Lichtmenge.
• Mit dem Schalter S1 wird der Kondensator C2 nach jeder Integration wieder entladen und damit für die nächste Messung vorbereitet. S1 kann realisiert werden durch einen mechanischen Kontakt oder durch Halbleiterschalter (Transistoren, FET, Thyristor etc.)

Claims (7)

1. PATENTANSPRUCHE 1. Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photoelement in Kombination mit einem als Strom-Spannungswandler beschalteten invertierenden Operàtionsverstärker (V1 bzw. V5) arbeitet, wobei gleichzeitig auf den zinvertierenden-Eingang des Operationsverstärkers der Photostrom und über einen Widerstand (P bzw. P3) von einer Referenzspan-1 3 nungsquelle ein einstellbarer Vergleichsstrom (Kompensaticnsstrom) eingespeist werden.
2. 2. Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere Silizium-Photoelemente mit vorgeschalteten geeigneten Farbfiltern als Lichtempfänger verwendet werden, wodurch die relative spektrale Empfindlichkeit der Kombination Photoelement-Farbfilter der relativen spektralen Empfindlichkeit V(1) des menschlichen Auges entspricht.
3. 3. Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2* dadurch gekennzeichnet, daß der Photostrom des Photoelements in den invertierenden Eingang eines Integrators (V3) fließt und dadurch den im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers (V ) befindlichen Kondensator (C ) auflädt.
4. 3 2 4. Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U1) des Vorverstärkers (V1) einen Komparator (V2) ansteuert, der beim Nulldurchgang der Eingangsspannung(U )die Polarität seiner Ausgangsspannung (U2) momentan umschaltet, wobei durch den aus den Widerständen R3 und R4 gebildeten Spannungsteiler ein Schaltverhalten mit Hystereseeigenschaft realisiert wird.
5. 5. Photoelsktronische Meß- und Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dies Ausgangsspannung (U3) des Vorverstärkers (V7) einen Komparator (V4) ansteuert, der die Polarität seiner Ausgangsspannung (U4) momentan umschaltet, wenn der positive Referenzstrom, der in den invertierenden Eingang des Komparators eingespeist wird, gleich dem negativen Eingangsstrom 1ein = U3/R6 ist.
6. 6. Photoelektronische Keß- und Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung(U5) des Vorverstärkers (V5) einen Integrator (V6) ansteuert, wobei die Integratorausgangsspannung (U6) in Abhängigkeit von der Polarität der Integratoreingangsspannung (U5) ebenfalls ihre Polarität ändert.
7. 7. Photoelektronische Meß- und Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Polaritätswechsel der Verstärkerausgangsspannung (U2 bzw. U4 bzw. U6 ) Schaltfunktionen ausgelöst werden, wobei Transistoren, Thyristoren, Relais, Thermo-Springschalter usw. als Schaltglieder verwendet werden können.