DE2227127A1

DE2227127A1 - PHOTOELECTRONIC MEASUREMENT AND CONTROL CIRCUIT

Info

Publication number: DE2227127A1
Application number: DE2227127A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Marx
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-06-03
Filing date: 1972-06-03
Publication date: 1973-12-13

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.PATEIITDESCIIREISUNG "Photoelectronic measuring and control circuit" In light measurement technology, film and photo technology, as well as control technology Photoelectronic measuring and control circuits are increasingly used. Only e.g. twilight switches, light meters, automatic ones are mentioned here Light quantity regulator for photolitz devices (so-called computer flash devices), light barriers etc.

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.1 In general, photoresistors are used in the devices mentioned today in connection with relays or with amplifiers made up of discrete transistors used. These devices have the following disadvantages: 1. The photoresistors cause the following interfering effects: a) signs of aging, i.e. the photoelectric values are subject to an irreversible change over time. Iiierdurch is a common one level calibration required.

b) ermüdung, d.h. bei größeren Beleuchtungsstärken erhält man reversible Änderungen der lichtelektrischen Eigenschaften der Photowiderstände. b) fatigue, i.e. at higher illuminance levels one gets reversible Changes in the photoelectric properties of the photoresistors.

c) Nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke auf dem Photowiderstand und seinem Eahnwiderstand. c) Non-linear relationship between the illuminance the photoresistor and its initial resistance.

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. d) Great inertia e) Low limit frequency f) Drug temperature dependence 2. The simple switching amplifiers usually made up of two to three transistors show a relatively large temperature dependence and low gain accuracy. The switching points required for switching amplifiers cannot be exactly electrical To be defined. Furthermore, they need to be constructed from discrete components Amplifier take up a relatively large amount of space.

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. The object of the present invention is, by use modern photoelectric receiver in combination with highly integrated semiconductor circuits a flexible, versatile pnotoelectronic measuring and control circuit to realize, which avoids the disadvantages mentioned of the circuits commonly used today.

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. According to the invention, a silicon photo element is used as the photoelectric receiver used with adaptation to the spectral light sensitivity of the human eye. The spectral adjustment can be achieved by means of suitable optical filters (color filters) will. Operational amplifiers (computing amplifiers) are used to amplify the photocurrent used, especially in inverting wiring.

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. The combination of silicon photo element-inverting operation insurers offers the following advantages: 1. No aging 2. No fatigue 3. Linear relationship between illuminance and short-circuit photocurrent 4. High Cutoff frequency 5. Low inertia 6. Very low temperature dependence of the photocurrent in short circuit 7. Great gain accuracy 8. Linear relationship between Short circuit photocurrent and output voltage of the operational amplifier 9. Very smaller Input resistance of the operational amplifier 10. Small output resistance of the Operational amplifier Three exemplary embodiments are explained below. image 1 shows a circuit that is preferably used as a switching amplifier for light barriers, or can be used as a twilight switch or as a light meter.

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. The light radiation reaches the silicon photo element via a color filter F1 Ph1. The photocurrent I'ph is generated as a current-voltage converter (inverter with a very small input resistance) connected operational amplifier V1 into a the positive output voltage U1 proportional to the photocurrent implemented. The following applies: R1 U1 = Iph.R1 and Rein # A A = open loop gain of amplifier V1 with the potentiometer P1 can specify a positive comparison current by means of the reference voltage URef will. In this way, for example, a desired response threshold can be set. If the negative ishotocurrent is equal to the positive reference current, the output voltage is U1 of the amplifier is zero. The amplifier V2 works as a comparator. Is the inverting input (a) positive compared to the non-inverting input (b) of the Operational amplifier V2, the output voltage U2 has the maximum negative value. If input (a) is negative compared to input (b), U2 has the maximum positive Value. he comparator V2 is thus able to detect the zero crossing of the input voltage Determine Ul, with the output voltage at the moment of the zero crossing of U1 U2 immediately from the positive saturation voltage to the negative saturation voltage or vice versa, toggles. Vit U2 becomes a relay via a switching transistor T1 Rel1 controlled whose normally open contact switches on a lamp, for example. So that the circuit does not respond to thunderstorm lightning, is parallel to the negative feedback resistance R1 the capacitor C1 switched. The time constant of the AC element must be very large greater than the flash duration be R1.C1 »TBlitz.To oscillate between the switching states with slow changes in brightness (e.g.

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.during twilight), the comparator V2 is equipped with a positive @ ück coupling provided via the voltage divider R3 and R4. Nierby will creates a hysteresis behavior of the comparator and thus a fast oscillation prevented between the switching states. At output A one of the illuminance levels can be set Proportional voltage U1 can be taken from the photo element. This can be used for Can be used to measure exposure, or directly to measure exposure or irradiance.

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.Figure 2 shows a circuit that can preferably be used as a twilight switch. The first part of the circuit (amplifier V5 with circuitry) is constructed in the same way as in Figure 1. The output voltage U5 does not control a comparator, but an integrator (operational amplifier V6 with R9 and C3). Depending on the polarity of U5, the output voltage U6 of the integrator will rise in a positive or in a negative direction up to the saturation voltage of the amplifier. Uc controls a switching relay again via the transistor T3. ) he advantage of the integrator is that, depending on the choice of time constants R9.C3. desired switching delay times (e.g. 0.1 sec .... 100 sec) can be set. In this way, during the night, for example, the switching off of a street light by briefly illuminating the twilight switch with vehicle headlights can be safely prevented. Here, too, the light reaches the silicon photo element 'Ph2 via a color filter F2. The photocurrent Iph is integrated by means of the operational amplifier V3. At the output of V3 you get Since Iph # E (E = illuminance), U3 is proportional to the exposure or since E ## (# = luminous flux), U3 is also proportional to the amount of light The amplifier V4 works as a comparator. A desired comparison current can be specified with the potentiometer P2. U5 generates the measuring current via resistor R6. If both currents are equal, the comparator switches over. The output voltage of the comparator U4 can now trigger the desired switching functions via transistors, thyristors, relays, etc., such as switching off a flash lamp after the exposure or amount of light set with P2 has been reached.

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.)With the switch S1, the capacitor C2 becomes after each integration discharged again and thus prepared for the next measurement. S1 can be realized are activated by a mechanical contact or by semiconductor switches (transistors, FET, thyristor etc.)

Claims

PATENT CLAIMS 1. Photoelectronic measuring and control circuit, thereby characterized in that a photo element in combination with a current-voltage converter wired inverting operational amplifier (V1 or V5) works, whereby at the same time on the inverting input of the operational amplifier the photocurrent and over a resistor (P or P3) from a reference voltage source an adjustable one Comparison current (Kompensaticnsstrom) are fed in.

2. Photoelectronic measuring and control circuit according to claim 1, characterized characterized in that in particular silicon photo elements with upstream suitable Color filters are used as light receivers, reducing the relative spectral Sensitivity of the combination photo element color filter of the relative spectral Sensitivity V (1) of the human eye corresponds.

3. Photoelectronic measuring and control circuit according to claim 1 or 2 * characterized in that the photocurrent of the photo element in the inverting Input of an integrator (V3) flows and thereby the negative feedback branch of the Operational amplifier (V) located capacitor (C) charges.

3 2 4. Photoelectronic measuring and control circuit according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that the output voltage (U1) of the preamplifier (V1) controls a comparator (V2) which, when the input voltage (U ) momentarily switches the polarity of its output voltage (U2), whereby through the voltage divider formed from resistors R3 and R4 with a switching behavior Hysteresis property is realized.

5. Photoelsktronic measuring and control circuit according to one of the claims 1 to 3, characterized in that this is the output voltage (U3) of the preamplifier (V7) controls a comparator (V4) that controls the polarity of its output voltage (U4) switches over momentarily when the positive reference current flowing into the inverting Input of the comparator is fed, equal to the negative input current 1ein = U3 / R6.

6. Photoelectronic Keß- and control circuit according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the output voltage (U5) of the preamplifier (V5) controls an integrator (V6), whereby the integrator output voltage (U6) also depending on the polarity of the integrator input voltage (U5) their polarity changes.

7. Photoelectronic measuring and control circuit according to one of the claims 1 to 6, characterized in that by changing the polarity of the amplifier output voltage (U2 or U4 or U6) switching functions are triggered, whereby transistors, thyristors, Relays, thermal spring switches, etc. can be used as switching elements.