DE1283714B - Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente bei gleichzeitiger Stoerlichteinwirkung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente bei gleichzeitiger Störlichteinwirkung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente mit pn-übergängen bei gleichzeitiger intensiver Störlichteinwirkung.
• Die Vorrichtung, der eingangs näher bezeichneten Gattung dient zum Empfang von Lichtsignalen, wobei die zur Umwandlung der Lichtenergie verwendeten elektronischen Schaltungen fotoelektronische Bauelemente mit pn-übergängen, beispielsweise Silizium-Fotoelemente oder Germanium-Fotodioden, enthalten. Die Vorrichtung hat den Zweck, die fotoelektrische Umwandlung verhältnismäßig schwacher Empfangssignale zu verbessern, wenn gleichzeitig intensive Störstrahlungen, z. B. Sonnenlicht, auf die fotoelektrischen Wandler fällt.
• In bekannten Schaltungen werden fotoelektrische Wandler der genannten Art als Fotoelemente ohne Fremdspannung oder als Fotodioden mit einer Vorspannung in Sperrichtung verwendet. Die Vorspannung wird in diesen Schaltungen über einen Vorwiderstand von einer Spannungsquelle erzeugt und ändert sich entsprechend dem Ohmschen Gesetz mit dem Strom. Fällt Licht mit für diese Wandler wirksamen Spektralanteilen auf den Bereich des pn-Übergangs, so entstehen Ladungsträger in einer zu den absorbierten Photonen proportionalen Anzahl. Durch das innere Feld im Bereich des pn-übergangs werden die Ladungsträger entsprechend ihrer Polarität getrennt und erzeugen zwischen den äußeren Anschlüssen eine Spannung. Diese ist jedoch nicht proportional der Anzahl der in der Zeiteinheit erzeugten Ladungsträger und damit der Beleuchtungsstärke, da mit der Konzentration der Ladungsträger die Zahl der Rekombinationen stark anwächst. Die rekombinierten Ladungsträger tragen aber zu der durch Umwandlung gewonnenen elektrischen Energie nicht bei. Während bei Fotoelementen die durch Änderung der wirksamen Lichtleistung hervorgerufene Spannungsänderung ausgenutzt wird, ist es bei vorgespannten Fotodioden im wesentlichen die der Lichtleistung proportionale Änderung des Sättigungsstromes. Beide Betriebsarten haben jedoch den Nachteil, daß sich verhältnismäßig schwache Lichtsignale bei gleichzeitiger Beleuchtung der fotoelektrischen Wandler mit intensivem Störlicht nicht mehr mit ausreichendem Wirkungsgrad umwandeln lassen. Fotoelemente ohne Vorspannung weisen diesen Nachteil bereits bei kleineren Beleuchtungsstärken auf als vorgespannte Fotodioden.
• Um den Bereich der für die Umwandlung schwacher Lichtsignale noch unschädlichen Beleuchtungsstärke des Störlichts zu erweitern, ist in bekannten Schaltungen parallel zum Fotoelement gelegentlich eine Spule oder ein Parallel-Schwingkreis geschaltet. Diese Schaltungsart verringert den informationslosen Anteil der Spannung durch Abbau des konstanten Anteils der Ladungsträgerkonzentration, so daß nur ein kleinerer Teil der vom Signallicht erzeugten Träger durch Rekombination verlorengeht. Die Wirksamkeit derartiger Schaltungen hängt wesentlich von der Güte des Kurzschlusses für Gleichstrom, d. h. vom Wirkwiderstand des parallelgeschalteten Zweiges ab.
• Bei der vorgespannten Fotodiode macht sich eine erhöhte Trägerrekombination erst bemerkbar, wenn mit zunehmender Leichtleistung der Strom und damit die Spannung an den Außenwiderständen derart anwächst, daß die an den Wandlerklemmen entsprechend absinkende Vorspannung von der fotoelektrisch erzeugten Spannung in ihrer Polarität umgekehrt wird. In diesem Fall kann der Strom seinen Sättigungswert nicht mehr erreichen und kann sich dann wegen der erhöhten Rekombination auch nicht mehr proportional der Signallichtleistung ändern.
• Zweck der Erfindung ist es, den Empfang schwacher Lichtsignale auch dann zu ermöglichen, wenn intensives Störlicht, z. B. Sonnenlicht auf die fotoelektrischen Wandler fällt und mit den beschriebenen, als bekannt vorausgesetzten Schaltungen kein Signal mehr erkannt werden kann.
• Nach den angegebenen Ursachen für die Mängel der bekannten Schaltungen liegt der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, die vom einfallenden Licht im Bereich der pn-Übergänge entstehenden Ladungsträger auch bei Anfall großer Trägermengen so schnell für den äußeren Strom nutzbar zu machen, daß nur ein unwesentlicher Teil durch Rekombination verlorengeht.
• Bei der Lösung der Aufgabe wird von der bekannten Feststellung Gebrauch gemacht, daß sich der Sättigungsstrom oder der nahezu gleich große Kurzschlußstrom eines fotoelektrischen Wandlers der in Betracht kommenden Art auch bei großen Werten proportional der für den Wandler wirksamen Lichtleistung verhält. Bei Strömen in dieser Größe tritt also der verstärkte Anstieg der Ladungsträgerkonzentration und der damit verbundene unerwünschte Rekombinationseffekt nicht auf.
• Das äußere Kennzeichen für den Kurzschlußstrom ist das Verschwinden der Klemmenspannung am Wandler, für Ströme bis zu dem etwas größeren Sättigungswert eine in Sperrichtung liegende Klemmenspannung, die wegen der auftretenden Verlustwärme möglichst klein sein sollte.
• Erfindungsgemäß werden daher die zum Empfang schwacher Lichtsignale bei großer Störlichtleistung dienenden Schaltungen derart ausgelegt, daß die durch das einfallende Licht erzeugte Klemmenspannung der fotoelektronischen Bauelemente oder ihr zeitlicher Mittelwert durch eine von dieser Klemmenspannung gesteuerte Fremdspannungsquelle selbsttätig zumindest annäherungsweise auf Null oder Werte entgegengesetzter Polarität geregelt wird.
• Der wesentliche Unterschied gegenüber den bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß die Klemmenspannung an den fotoelektrischen Wandler unabhängig vom Strom selbsttätig auf bestimmte Werte eingeregelt wird und sich daher auch bei starker Beleuchtung der der wirksamen Lichtleistung proportionale Kurzschluß- bzw. Sättigungsstrom einstellen kann.
• Je nach Trägheit der Regelung läßt sich die zu verstärkende Signalleistung entweder unmittelbar am fotoelektrischen Wandler oder an einem im Regelkreis liegenden Festwiderstand abnehmen.
• Die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Verstärker für die Klemmenspannung des fotoclektrischen Wandlers, einer Gleichspannungsquelle und einigen Schaltelementen, die, von der verstärkten Klemmenspannung gesteuert, mit Hilfe der Gleichspannungsquell,e den Strom durch den Wandler bis zu seinem Kurzschluß- oder Sättigungswert erhöhen.
• Eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sieht einen aus fotoelektrischem Wandler, Gleichspannungsquelle, Festwiderstand und Fotowiderstand gebildeten Schaltkreis vor, dessen Strom durch einen von der Klemmenspannung des Wandlers abhängigen Strahler fotoelektrisch gesteuert wird.
• In einer Variante der letztgenannten Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß der fotoelektrische Wandler in die Emitterleitung eines Transistors geschaltet, dessen Basisspannung durch die verstärkte Klemmenspannung des Wandlers bestimmt wird.
• Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei sich die im Text angeführten Ziffern auf die entsprechend gekennzeichneten Stellen in den F i g. 1 bis 3 beziehen, die prinzipielle Schaltungsanordnungen mit elektronischer oder fotoelektronischer Regelung zeigen. - Regelt beispielsweise eine trägheitsarme Regeleinrichtun- 11 die am Fotoelement 3 auftretende, von Signallicht 1 und Störlicht 2 herrührende Klemmenspannung 9 auf nahezu Null (F i g. 1), so entsteht durch den hierfür erforderlichen Strom I am Widerstand 8 eine dem Strom proportionale Spannung, die sowohl den vom Störlicht wie auch vom Signallicht herrührenden Anteil enthält. Durch Selektion mit Hilfe des Kondensators 12 kann der Sianallichtanteil herausgesiebt und dem Verstärker 4 zugeführt werden.
• Das Signallicht 1 (F i g. 2) und das intensive Störlicht 2 treffen auf den fotoelektrischen Wandler 3 der für die Anwendbarkeit der Erfindung vorausgesetzten Art. Es tritt eine Klemmenspannung auf, die die Leistungsabgabe des Verstärkers 4 an den an seinem Ausgang liegenden Strahler 5 (Lampe, Lumineszenzdicke od. ä.) steuert. Der Strahler 5 beleuchtet den Fotowiderstand 6, der den von der Batterie 7 gelieferten Strom so aussteuert, daß am Wandler 3 nur eine kleine Restspannung bleibt.
• Die Signalspannung U, liegt je nach der Trägheit der Regelung am Widerstand 8, am Wandler 3 oder an den Klemmen 9.
• Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 fallen das Signallicht 1 und das intensive Störlicht 2 auf den in der Emitterleitun- des Transistors 10 liegenden fotoelektrischen Wandler 3. Dessen Klemmenspannung wird über den Verstärker 4 auf die Basis des Transistors geleitet, vergrößert damit den Strom durch den Wandler und verkleinert dessen Klemmenspannung bis auf einen kleinen Restwert. Das Signal U, läßt sich am Widerstand 8 abgreifen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Umwandlung modulierten Lichts durch fotoelektrische Bauelemente mit pn-Übergängen bei gleichzeitiger intensiver Störlichteinwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das einfallende Licht (1, 2) erzeugte Klemmenspannung (9) der fotoelektrischen Bauelemente oder ihr zeitlicher Mittelwert durch eine von dieser Klemmenspannung (9) gesteuerte Fremdspannungsquelle (7) selbsttätig zumindest annäherungsweise auf Null oder Werte entgegengesetzter Polarität regelbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektrische Bauelement (3) mit einer Gleichspannungsquelle (7), einem Festwiderstand (8) und einem Fotowiderstand (6) einen Schaltkreis bildet, dessen Strom durch einen von der verstärkten Klemmenspannung (9) des fotoelektrischen Bauelementes (3) abhängigen Strahler (5) fotoelektrisch gesteuert ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektrische Bauelement (3) in die Emitterleitung eines Transistors (10) geschaltet ist, dessen Basisspannung durch die verstärkte Klemmenspannung (9) des Bauelementes (3) bestimmt ist.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1165 462, 1177 042, 1253 116.