DE3235242A1

DE3235242A1 - Schaltung zur messung geringer beleuchtungsstaerken

Info

Publication number: DE3235242A1
Application number: DE19823235242
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(grad.) 6090 Rüsselsheim Huster; Jürgen Dr.rer.nat. 6204 Taunusstein Meyer
Original assignee: Heimann GmbH
Current assignee: Heimann GmbH
Priority date: 1982-09-23
Filing date: 1982-09-23
Publication date: 1984-03-29

Description

Schaltung zur Messung geringer Beleuchtungsstärken.
Die Vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Messung geringer Beleuchtungsstärken mit Hilfe eines lichtempfindlichen Transistors. Derartige Schaltungen sind bekannt. Hierzu werden Phototransistoren eingesetzt, die als bipolare Transistoren ausgebildet sind.
Zum Nachweis von Strahlung, insbesondere von geringer Beleuchtungsstärke werden nach dem Stand der Technik verschiedenste Lichtsensoren eingesetzt. Bekannte, einkristalline Photoempfänger, Silicium-Photodioden, Photoelemente, Phototransistoren, Photothyristoren, Photodarlingtons und Photo-IC's haben bei kleinen Beleuchtungsstärken unter 1001ux Signale im nA- bis fA-Bereich und benötigen einen Operationsverstärker zur Signalaufbereitung. Bei Beleuchtungsstärken unter IOlux werden CdS-Photowiderstände, Se-Elemente, Photozellen, Photomultiplier oder Halbleiterbauelemente mit Operationsverstärker eingesetzt. Die Verwendung von Photowiderständen und Selenelementen als Photodetektoren ist billig, aber beide Bauelemente zeigen Drifterscheinungen der Kennlinie, die sich einschränken, aber nicht beseitigen'lassen. Dadurch ist der Einsatz von Photowiderständen und Selenelementen mit hohem Meß- und Prüfaufwand verbunden. Pho+omultiplier und Photozellen sind teuer und haben nur begrenzte Lebensdauer.
Unter llux sind Photodioden, Phototransistoren, Photothyristoren, Photo-IC's und Photodarlingtons nur mit großem Aufwand einsetzbar.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, auch Beleuchtungsstärken unter Ilux mit geringem Aufwand zu messen und auch über lange Zeit reproduzierbare Meßwerte zu erhalten. Diese Aufgabe wird in einer Schaltung der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
In JFET's wird das Gate vom Kanal durch einen pn-0bergang isoliert. Ein pn-Ubergang ist auch photoempfindlich.
Die mit einem Lichtsensor erkennbare geringste Beleuchtungsstärke ist durch die Rauschsignale des Lichtsensors begrenzt. Die rauschäquivalente Beleuchtungsstärke ist im wesentlichen durch das Rauschen des Gatereststro mes ig gegeben. Verwendet man einen n-Eanal JFET mit Gatereststrom igss<10pA in einer Sourcefollower-Schaltung gemäß der Erfindung, so erhält man ein Bauelement mit einer rauschäquivalenten Beleuchtungsstärke von etwa 0,4 10-31ux bei statischem Betrieb.
Diese sehr geringe rauschäouivalente Beleuchtungsstärke ist in der Praxis realisierbar und als Nachweisgrenze anzusehen, wenn zwischen Gate und Source ein hoher Ableitwiderstand Rg liegt und wenn eine Kompensation der Offsetspannung vorgesehen ist. Diese Kompensation der Offsetspannung kann durch einen Spannungsteiler erfolgen.
Der Gate-Source-Widerstand beträgt bei einem JFET etwa i012. Demgegenüber ist ein Hochohmwiderstand von beispielsweise 33 G noch verschwindend klein, so daß die Gatediode als Photoelement im Kurzschlußbetrieb betrachtet werden kann. Bei üblichen JFESs ist die Ausgangsspannung UA in Anbetracht des bisher Gesagten in einem Bereich von etwa 0,4m lux bis 104m lux proportional zur Beleuchtungsstärke. Oberhalb von lOlux wird der Transistor übersteuert, so daß UA die Jrößenordnung der Ver- sorgungsspannung erreicht und sich nicht mehr ändert. In diesem Bereich ist die Schaltung für eine Ja-Nein-Aussage geeignet. Bei einem derartigen Betrieb kann durch den Spannungsteiler R1-R2 in einfacher Weise ein Null-V-Signal zu einer gewählten Beleuchtungsstärke erreicht werden.
Die Zeitkonstante der Schaltung ergibt sich aus der elektrischen Leitungskapazität der Gate-Source-Strecke und dem Ableitwiderstand. Bei einem Ableitwiderstand von 33GQ beträgt die Zeitkonstante bei üblichen JFETs z.B. etwa 100ms. Durch die Dimensionierung des Ableitwiderstandes kann also sowohl die Empfindlichkeit des Lichtsensors als auch die Zeitkonstante für die Messung festgelegt werden.
Die spektrale Empfindlichkeit des Lichtsensors ist durch das Material des JFET's bestimmt. Vorteilhaft einsetzbar sind JFETs mit Si, Stärke 0, tm, GAsP von 0,4po bis 0,6m, Ge von 1,5um.
Die Erfindung wird nun anhand einer Figur näher erläutert.
Sie ist nicht auf das in der Figur gezeigte Beispiel beschränkt.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung. Zwischen dem Gate G und der Source S eines JFET1s liegt ein Ableitwiderstand RG, dessen Wert sehr hoch sein kann und lediglich gegenüber dem Gate-Source-Widerstand von üblicherweise etwa 1012Q klein sein muß. Ein Spannungsteiler, der aus den Widerständen R1 und R2 gebildet ist, dient zur Kompensation der Offsetspannung, die der an der Source auftretende Reststrom im Sourcewiderstand Rs erzeugt. Die Ausgangsspannung UA wird zwischen der Source des JFET's und dem Verbindungspunkt der Teilerwiderstände R1 und R2 abgegriffen.
Die gesamte Schaltung ist vorteilhaft in Form einer Hybrid-Schaltung ausgeführt, wobei die Kompensation des Offsetstromes durch einen Laser-Abgleich der Teilerwiderstände R1, R2 erreicht ist.
FUr kleine Stückzahlen ist es vorteilhaft, wenn die Schaltung anstelle der Widerstände R1 und R2 einen mechanisch einstellbaren Spannungsteiler enthält. Vorteilhaft kann auch zumindest ein Teil der Widerstände R1 und/oder R2 durch einen Photowiderstand oder einen NTC-Widerstand ersetzt werden. Dadurch kann der Einfluß von Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung auf die Offsetspannung ausgeglichen werden.
5 Patentansprüche 1 Figur Leerseite

Claims

Patentansprüche .

9 Schaltung zur Messung geringer Beleuchtungs stärken mit Hilfe eines lichtempfindlichen Transistors, d a d u rch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Transistor ein Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET) in einer Sourcefollower-Schaltung eingesetzt ist und daß eine Kompensation der Offsetspannung des Transistors vorgesehen ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u rch geken n -z e i c h n e t, daß der JFET- einen Gate-Source-Widerstand von etwa 1012Q besitzt und daß zwischen Source und Gate ein hochohmiger Widerstand geschaltet ist, welcher die Empfindlichkeit der Schaltung und die Zeitkonstante der Messung bestimmt.
3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e'k e n n z e i c h n e t, daß sie als Hybrid-Schaltung ausgebildet und daß eine Kompensation der Offsetspannung durch einen Laserabgleich von eilerwiderständen (Ri, R2) eines Spannungsteilers erreicht ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie einen mechanisch einstellbaren Spannungsteiler enthält.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a durch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie einen Spannungsteiler enthält, welcher einen Photowiderstand und/oder einen temperaturabhängigen Widerstand umfaßt.