DE1039149B - Strahlungs- und/oder Waermedetektor mit einem Grenzschichttransistor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungs- und/oder Wärmedetektor mit einem Grenzschichttransistor, z. B. einem Phototransistor, um geringe Änderungen einer empfangenen Menge Licht, gegebenenfalls elektrisch geladener Teilchen oder radioaktiver Strahlung, anzuzeigen. Dabei kann der Ausgangskreis des Transistors z. B. ein Relais oder ein Meßgerät enthalten oder steuern.

Nach der Erfindung ist die Basis des Transistors über eine in bezug auf den Basis-Emitterdurchlaß* widerstand große, aber in bezug auf den Basis-Emittersperrwiderstand geringe Impedanz mit einer Spannungsquelle verbunden, welche die Basis in Sperrdichtung polarisiert, so daß bei ansteigendem Pegel der dem Transistor von außen her zugeführten Strahlungs- und/oder Wärmeenergie beim Übersteigen eines bestimmten Schwellpegels des nach der Basis fließenden, zunehmenden Leckstroms die Sperrspannung an der Basis überwunden wird und der Kolleklorstrom deshalb plötzlich schnell zunimmt.

Der neue Detektor ist nicht mit der bekannten bistabilen Schaltung zu vergleichen, sondern der Kollektorstrom des Grenzschichttransistors ist in jedem Moment abhängig von der Bestrahlung der Basiszone des Transistors oder von der Temperatur dieser Zone. Die Erfindung bedient sich der Tatsache, daß der Kollektorleckstrom eines Grenzschichttransistors mit der Temperatur desselben und auch mit der Intensität seiner Bestrahlung zunimmt.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Kollektorstrom-Steuerenergiecharakteristik zur Erläuterung der Fig. 1,

Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 4 das Schaltbild einer dritten Ausführungsform darstellt.

Die Ausbildung nach Fig. 1 besitzt einen Transistör 1 der p-n-p-Art, dessen Emitter 2 an einer Anzapfung einer Spannungsquelle 5 liegt. Zwischen der Basis 3 des Transistors und der positiven Klemme der Spannungsquelle 5 ist ein Widerstand 6 geschaltet, dessen Impedanz in bezug auf den Basis-Emitterdurchlaßwiderstand groß, jedoch in bezug auf den Basis-Emittersperrwiderstand klein ist. Der Kollektor 4 des Transistors 1 ist über die Wicklung eines Relais 7 mit der negativen Klemme der Quelle 5 verbunden.

Der Transistor 1 kann z. B. ein Phototransistor sein, der aus einem Germaniumkristall besteht, der der anzuzeigenden Strahlung ausgesetzt ist.

Durch den zwischen Emitter und Basis geschalteten Strahlungs- und/oder Wärmedetektor
mit einem Grenzschichttransistor

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 26. Mai 1955

Adrianus Johannes Wilhelmus Marie van Overbeek
und Heine Andries Rodrigues de Miranda,

Eindhoven (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

Teil der Quelle 5 wird der Transistor unter normalen Umständen gesperrt. Es fließt aber ein kleiner Leckstrom von der Basis 3 zum Kollektor 4. Wird dem Transistor 1 Energie von einer Quelle 10 zugeführt, z. B. Wärme oder Licht oder eine andere Form von Strahlungsenergie, so wird der Leckstrom entsprechend dieser Energie größer, was mit einem größeren Spannungsabfall über den Widerstand 6 einhergeht, der die Polarisierungsspannung der Basis in bezug auf den Emitter herabsetzt. Beim Übersteigen eines Schwellpegels dieser zugeführten Energie wird die Sperrspannung an der Basis 3 überwunden, und der Kollektorstrom nimmt dann plötzlich schnell zu, weil der Emitter-Kollektorkreis nicht mehr gesperrt ist. Dieser große Kollektorstrom erregt das Relais 7. Der Widerstand 6 soll dabei der vorgenannten Bedingung entsprechen, damit praktisch der gesamte Leckstrom während der Sperrperiode des Transistors 1 durch diesen Widerstand 6 fließt, jedoch während seiner leitenden Periode praktisch gänzlich zum EntSperren des Transistors 1 zur Verfügung steht.

Die Kurve nach Fig. 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Kollektorstrom Ic und der Intensität S der dem Transistor 1 zugeführten Energie, z. B. der auf einen Phototransistor fallenden Strahlung (Kurve ö). Das Relais 7 zieht an, wenn die Strahlungsintensität den Knick der Kurve (bei einer Intensität/) übersteigt. Es können verschiedene andere Kurvenformen erhalten werden, z. B. kann für

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Meßzwecke die Neigung des plötzlich ansteigenden Zweiges der Kurve kleiner gemacht werden, indem z. B. ein Reihenwiderstand in den Ermitterkreis aufgenommen wird. Auch kann diese Neigung dadurch noch steiler gemacht werden, daß ein zweiter, nicht bestrahlter Transistor in Kaskade geschaltet wird, dessen Ausgang in positiv rückkoppelndem Sinne zurückwirkt, z. B. auf die Basisi des Transistors 1, so daß er damit eine Kippschaltungsanordnung bildet.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hatte der Widerstände einen Wert von 10 bis 20kOhm, der Widerstand des Relais 7 einen Wert von 2 kOhm, der Basisteil der Quelle 5 eine Spannung von 1,5 V und sein Kollektoranteil eine Spannung von 6 V.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausbildung wirkt im wesentlichen in gleicher Weise wie die oben geschilderte Ausbildung. Der Transistor 1 ist ein Phototransistor, der von einer Lichtquelle 10 mit veränderlicher Intensität bestrahlt werden kann. Die Anzapfung der Spannungsquelle 5 ist aber durch einen Spannungsteiler 8, 9 ersetzt, an dessen Anzapfung der Ermitter 2 angeschlossen ist.

Eine Temperatursteigerung des Transistors 1 kommt auf eine Energiezufuhr zu diesem Transistor hinaus, so daß der Detektor nach Fig. 1 auch temperaturempfindlich und z. B. als Thermostat verwendbar ist. Die Temperatursteigerung entspricht einer Verschiebung der Ic-S~K.urve nach Fig. 2 z. B. von der Kurve 0 zur Kurve 1. Bei einem Thermostaten wird z. B. das Relais 7 anziehen, wenn der Arbeitspunkt mit dem Punkte zusammenfällt, in welchem der steile Teil der verschobenen Kurve die Abzissenachse schneidet. Mit anderen Worten kann auf die waagerechte Achse eine Temperaturskala aufgetragen werden.

Es kann aber erwünscht sein, daß der Detektor ausschließlich als Strahlungsdetektor wirkt, d. h. daß das Relais 7 unabhängig von der Temperatur immer bei der gleichen bestimmten Strahlungsintensität anzieht. Um dies zu erreichen, soll die Spannung am Widerstand 6 in bezug auf die Temperatur stabilisiert werden. Dies ist erzielbar, wenn der Wert dieses Widerstandes 6 einen in bezug auf denjenigen des Kollektor-Basisleckstromes entgegengesetzten Temperaturverlauf aufweist, so daß das Produkt des Basisstromes und des Basiswiderstandes annähernd konstant bleibt. Zu diesem Zweck kann der Widerstand 6 durch einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten ersetzt, parallel zu oder in Reihe mit einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten geschaltet werden. Bei der Ausbildung nach Fig. 3 ist dies durch einen in Sperrichtung geschalteten, gegen die Strahlung der Quelle 10 unempfindlichen zweiten Transistor 11 verwirklicht, der parallel zum Widerstände geschaltet ist.

Wird der Transistor 1 nicht bestrahlt, so fließt z.B. ein Leckstrom I co durch seinen Basis-Kollektorkreis, und ein Teil dieses Stromes fließt auch durch den Basis-Kollektorkreis des Transistors 11. Bei einer Temperaturzunahme nimmt der den Transistor 1 durchfließende Leckstrom zu und wird z.B. IcI (Kurve 1 nach Fig. 2). Der durch den Transistor 11 fließende Leckstrom nimmt nun aber annähernd um einen Betrag Ic 1-Ico zu, so daß die Spannung am Widerstände praktisch konstant bleibt und der Energiedetektor somit entsprechend der Kurve 1' arbeitet, deren Knick praktisch der gleichen Strahlungsintensität/ wie derjenige der Kurve 0 entspricht. Das Relais 7 zieht also praktisch bei der gleichen Strahlungsintensität an.

Die Ausbildung nach Fig. 4 besitzt einen Phototransistor 1, der von einer modulierten Lichtquelle 20 bestrahlt werden kann. Diese Quelle ist z. B. eine mit Wechselstrom bestimmter Frequenz gespeiste kleine elektrische Lampe. Der Widerstand 6 der bereits geschilderten Ausbildung ist durch einen Schwingungskreis 16 ersetzt, der auf die zweite Harmonische der Frequenz des die Lampe 20 speisenden Stromes abgestimmt ist, d. h. auf die Modulationsfrequenz der Strahlung dieser Lampe. Diese Strahlung kann aber auch periodisch abgefangen werden (chopper). Für diese Frequenz hat der Kreis 16 eine Impedanz, die in bezug auf den Basis-Emitterdurchlaßwiderstand groß, aber in bezug auf den Basis-Ermittersperrwiderstand klein ist. Um eine Gegenkopplung der Modulationsfrequenz zu verhüten, ist der Widerstand 9 mittels eines Kondensator 19 kurzgeschlossen.

Wird der Transistor 1 bestrahlt, so ändert sich sein Leckstrom mit der Modulationsfrequenz des Lichtes der Lampe 20. Die Wechselstromkomponente des modulierten Leckstroms erzeugt also eine entsprechende Wechselspannung über dem Kreis 16. Nimmt die Amplitude der Strahlungsintensität zu, so fließen größere Stromimpulse von der Basis 3 zum Kollektor 4. Infolgedessen wird die an die Basis 3 angelegte Sperrspannung während eines Teiles der Halbperioden der Modulationsfrequenz überwunden, so daß ein starker Strom von dem Emitter 2 zum Kollektor 4 fließt und der Kollektorstrom plötzlich zunimmt. Der Kreis 16 wird infolgedessen von den auftretenden Strömen nur in geringem Maße gedämpft. Infolge der fehlenden Ohmschen Widerstände im Basiskreis ist dieser Detektor gegen Änderungen der Temperatur und der mittleren Strahlungsintensität im wesentlichen unempfindlich, so daß er sich z. B. auch für Intensitätsmessungen bei Tageslicht eignet.

Die geschilderten Detektoren sind für mannigfache Zwecke verwendbar. Zusammen mit einer Lichtquelle können sie z. B. zum Zählen vorbeifahrender Fahrzeuge, als Rauchanzeiger, z. B. für Feueralarmierung, oder in selbsttätigen Abblendanordnungen benutzt werden. Zusammen mit einer bestimmten Strahlungsquelle können sie für Strahlungs- oder Absorptionsmessungen Anwendung finden. Dabei kann die Drehspule eines Meßgerätes an Stelle der Wicklung des Relais 7 geschaltet werden. Weiter kann ein Detektor mit einem Relais zusammen mit einem geeichten Absorptionskeil für Strahlungsintensität- oder Absorptionsmessungen verwendet werden. Ferner kann er auch als Strahlungsthermostat benutzt werden, wobei der Transistor ein Phototransistor ist und der Detektor auf die von einem bestimmten Gegenstand ausgesandte Strahlung anspricht.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Strahlungs- und/oder Wärmedetektor mit einem Grenzschichttransistor, ζ. Β. einem Phototransistor, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors über eine in bezug auf den Basis-Emitterdurchlaßwiderstand große, aber in bezug auf den Basis-Emittersperrwiderstand geringe Impedanz mit einer Spannungsquelle¹ verbunden ist, welche die Basis in Sperrichtung polarisiert, so daß bei ansteigendem Pegel der dem Transistor von außen her zugeführten Strahlungs- und/ oder Wärmeenergie beim Übersteigen eines bestimmten Schwellpegels des nach der Basis fließen-

den, zunehmenden Leckstroms, die Sperrspannung an der Basis überwunden wird und der Kollektorstrom deshalb plötzlich schnell zunimmt.

2. Detektor nach Anspruch 1 zum Anzeigen einer mit einer bestimmten Frequenz modulierten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Impedanz durch einen, auf diese Frequenz abgestimmten Schwingungskreis gebildet ist.

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Impedanz durch einen Widerstand gebildet ist.

4. Detektor nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, der in den Basis-Emitterkreis des Transistors geschaltet ist, derart, daß der genannte Schwellpegel in bezug auf die Temperatur stabilisiert ist.

5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten aus einem in Sperrrichtung geschalteten, zweiten, gegen Strahlung unempfindlichen Transistor besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
W. D. Bevitt, Transistor Handbook, S. 328. 330 und 331.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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