DE2629854C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines die Belichtung eines lichtempfindlichen Materials bestimmenden Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, die in einer

ίο Kamera Verwendung finden kann.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt aus der DE-OS 23 51 420. Diese beschreibt einen photoelektrischen Belichtungsmesser, der in Form einer Brückenschaltung aufgebaut ist, in deren Brückendiagonale sich ein Meßinstrument befindet Beide Brückenzweige sind je durch die Serienschaltung aus einem Transistor, einem variablen Widerstand und einer Konstantstromquelle gebildet Zu jedem der beiden Brückenzweige ist eine Serienschaltung parallel geschaltet, die im Fall des einen Brückenzweiges aus einer Diode und einem Photowandler besteht, im Fall des anderen Brückenzweiges aus einer Diode und einem Kompensierungselemente das bezüglich Temperatur die gleichen Eigenschaften wie der Photowandler aufweisen soll. Die Basisanschlüsse der Transistoren der beiden Brückenzweige sind je an den Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Photowandler bzw. dem Kompensierungselement angeschlossen. Das Temperaturverhalten der Schaltung am Verbindungspunkt zwischen dem

w Photowandler und der zu diesem in Reihe geschalteten Diode ändert sich in Abhängigkeit von dem durch den Photowandler erzeugten Strom auf Grund des Verhaltens der Diode. Das heißt, der Temperaturkoeffizient an diesem Schaltungspunkt ändert sich in Abhängigkeit von der auf den Photowandler auftreffenden Lichtintensität Zum Kompensierungselement gelangt keinerlei Information über die jeweilige Intensität des auf den Photowandler auftreffenden Lichtes. Das von Lichtintensitätsänderungen abhängige Temperaturverhalten in

bo der Serienschaltung aus Photowandler und Diode kann also auf der Seite des Kompensierungselementes keinerlei Berücksichtigung finden. Eine Temperaturkompensation, auf Grund welcher die Belichtungssteuerung temperaturabhängig ist, kann also bei dieser bekannten Meßvorrichtung nur innerhalb eines eng begrenzten Bereichs der auf den Photowandler luftreffenden Lichtintensität erreicht werden. Außerhalb dieses relativ engen Bereichs wird die Belichtungs-

steuerung jedoch weiterhin durch Temperaturabhängigkeiten fehlerhaft

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung der eingangs angegebenen Art verfügbar zu machen, bei der eine weitgehende Temperaturkompensation unabhängig von der auf den Photowandler auftreffenden Lichtintensität, d. h. der Objekthelligkeit, ist

Die Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Schaltungsan- ι ο Ordnung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung abhand von Ausführungsbeispieleii näher erläutert In der Zeich- π nung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels;

Fig.2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig.3 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig.4 ein Schaltbild einer speziellen Ausführungsform der fotoelektrischen Wandlerschaltung;

Fig.5 eine Tabelle zur Erläuterung einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig.6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Variante des ersten Ausführungsbeispiels und

F i g. 7 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels.

Gemäß Fig. 1, die ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform zeigt, befinden sich eine Stromquelle Ia zur Erzeugung eines einer absoluten Temperatur proportionalen Stroms, ein variabler Widerstand Ra zum Eingeben der die Belichtung bestimmenden s5 Faktoren, wie Filmempfindlichkeit, Verschlußöffnungszeit usw, und eine Diode D 3 in einer Reihenschaltung, die mit den beiden Anschlüssen einer Energiequelle Eb verbunden ist. Der Ausgangsstrom der Stromquelle Ia fließt zum variablen Widerstand Ra und zur Diode D 3. Mit dem Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle Ia und dem variablen Widerstand Ra ist der nichtinvertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 4 verbunden, dessen Ausgangsanschluß und invertierender Eingangsanschluß miteinander verbunden sind. .Der Operationsverstärker 4 bildet einen Spannungsfolger, der eine vom variablen Widerstand Ra und der Diode D 3 erzeugte Spannung auf eine Lastschaltung niedriger Impedanz überträgt. Zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und den nichtinvertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 3 ist eine Photodiode D1 als photoelektrisches Wandlerelement geschaltet und zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 3 ist eine logarfchmisehe Kompressionsdiode Ό2 geschaltet. Der Operationsverstärker 3 und die Dioden Dl und D 2 bilden zusammen eine photoelektrische Wandlerschaltung. Das von einem Objekt kommende und durch eine Blende 2 eintretende Licht wird auf die Photodiode D1 bo und einen nicht gezeigten Film gerichtet, und zwar immer mit einem vorbestimmten Verhältnis der Beleuchtungen, das durch einen nicht gezeigten Strahlenbündelteiler erzeugt wird.

Ein in der Photodiode D1 erzeugter Photostrom I_L <>5 ist proportional zu der auf die Photodiode auftreffenden Beleuchtungsintensität, da die beiden Enden der Diode D1 virtuell kurzgeschlossen sind. Der Photostrom Il wird durch den Operationsverstärker 3 und die logarithmisch komprimierende Diode D 2 logarithmisch komprimiert so daß eine durch die logarithmische Komprimierung des Photostroms Il erzeugte Spannung am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 3 ansteht Der nichtinvertierende Emgangsanschluß eines Operationsverstärkers 5 ist über den Widerstand R1 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 4 verbunden, der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 5 ist über einen Widerstand R 4 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 3 verbunden und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 ist über einen Widerstand R 3 an seinen invertierenden Eingangsanschluß angeschlossen. Der Operationsverstärker 5 und die Widerstände Ri, R 2, R3 und A4 bilden zusammen einen Differenzverstärker, der die Spannungsdifferenz zwischen Spannungen ei und ei verstärkt. Ein Widerstand Rb befindet sich in Serienschaltung mit einer Stromquelle Ib, die wie die Stromquelle Ia einen der absoluten Temperatur proportionalen Strom erzeugt so daß eine der absoluten Temperatur proportionale Spannung über dem Widerstand Rb erzeugt wird. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 6 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle Ib und dem Widerstand Rb und der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 6 ist mit dessen Ausgangsanschluß verbunden. Somit ist ein Spannungsfolger gebildet der die über dem Widerstand Rb erzeugte Spannung auf die Last niedriger Impewdanz liefert Zwischen die Ausgänge der Operationsverstärker 5 und 6 ist ein Gleichstrommotor 7 geschaltet, der als Komparatorschaltung wirkt und sich entsprechend irgendeiner zwischen den beiden Ausgängen vorhandenen Potentialdifferenz vorwärts oder rückwärts dreht. Der Gleichstrommotor 7 kann auch ein anderer elektromechanischer Wandler sein, wie ein Gleichstrommeßgerät, dessen mechanische Ausgangsgröße entsprechend der Stromrichtung umgekehrt wird. Die Antriebskraft des Motors 7 wird durch einen Kupplungsmechanismus 8 auf die Blendenvorrichtung 2 übertragen, um die Blende zu steuern.

Der Ausgangsstrom Ia\ der Stromquelle Ia, welcher der absoluten Temperatur proportional ist, wird ausgedrückt als:

Ia₁ = /X₁ T.

Dabei sind «ι eine Konstante und T die absolute Temperatur.

Die Ausgangsspannung ei des Operationsverstärkers 4 wird ausgedrückt als

e, = Ra et, T +

Dabei sind <xi 7> Is\, k die Boltzmann-Konstante, q die Primärladungsgröße geladener Elektronen und Is\ der Sperrsättigungsstrom der Diode D 3.

Die Ausgangsspannung ei des Operationsverstärkers 3 wird ausgedrückt als:

kT

In

Is₂

Dabei ist Il> Is2 und Is₂ bedeutet den Sperrsättigungsstrom der Diode D 2.

Die Ausgangsspannungen ej des Operationsverstärkers 5 wird ausgedrückt als:

e₂) (3)

G =

Durch die Gleichungen (1), (2) und (3) wird die folgende Beziehung gegeben:

e₃=

(4)

Unter der Annahme, daß sich die Dioden D 2 und D 3 lediglich in der Größe ihrer PN-Übergangsflächen unterscheiden und bezüglich der anderen Eigenschaften identisch sind, ist -^- gleich dem Verhältnis von deren Übergangsflächen, und folglich

der Verschlußöffnungszeit usw. verändert wird. Wie durch Gleichung (7') gezeigt ist, brauchen die die Belichtung bestimmenden Faktoren nicht immer über den variablen Widerstand Ra eingeführt zu werden, sondern sie können auch über Rb, oi\ und «2 eingegeben werden. Gleichung (7') enthält die Temperaturabhängigkeit in Form des Faktors T, diese hat jedoch einen sehr kleinen Einfluß. Nimmt man an, daß der Photostrom proportional zur Intensität der Beleuchtung auf der Photodiode D1 und temperaturunabhängig ist, so ist die temperaturbedingte Änderung Δ Ev des Belichtungswertes der gemäß Gleichung (7') gesteuerten Filmoberflächenbeleuchtung:

15 in

1,.(T₁)

\Ev =

In 2

Aus den Gleichungen (7') und (8) erhält man " folgende Gleichung:

/S₁

= S₁.

Deshalb kann Gleichung (4) neugeschrieben werden als:

25

= GT

, Ra + -'- In

(5)

Der Ausgangsstrom Ib_x der Stromquelle Ib, der der absoluten Temperatur proportional ist, ist:

35

wobei «2 eine Konstante ist.

Die Ausgangsspannung E₄ des Operationsverstärkers 6 wird ausgedrückt als

= Rb x₂ T.

(6)

40

Durch die Differenz zwischen e^ und e* wird der Motor 7 gedreht, und um die Beziehung ei=e* zu erwirken, bilden der Motor 7, der Kupplungsmechanismus 8 und die Blendenvorrichtung 2 eine auf es wirkende Rückkopplungsschleife, so daß der Photostrom Il konstant sein kann, d. h, daß die Intensität der Beleuchtung der Photodiode Ol konstant sein kann. Somit ist die Beziehung, daß e3 = e» ist, immer so sichergestellt

Von den Gleichungen (5) und (6) erhält man folgende Beziehung:

G T ixj Ra +

In

X₁T

= Rbx₂T (7)

Somit läßt sich folgendes aus Gleichung (7) ableiten: J₁ = «, TS₁ exp I („ Ra - -^) (7')

Da der Photostrom, d. h. die Intensität der Beleuchtung auf der Oberfläche der Photodiode, so gesteuert wird, daß Gleichung (7^ erfüllt wird, kann eine richtige es Belichtungsintensität auf der Filmoberfläche immer dadurch sichergestellt werden, daß der variable Widerstand Ra entsprechend der Filmempfindlichkeit, IEn =

In 2

Durch Gleichung (9) ergeben sich somit Änderungen des Belichtungswertes bei T₂ = 333 (60⁰C) und T= 253 (-20⁰C) gegenüber dem Bezugsbelichtungswert bei r,=293(20°C)zu:

IEu (7*= 333) = 0,18
\ Ev (T= 253) = -0,21

Somit ergibt sich für 6O⁰C eine Oberbelichtung um 0,18 Stufen und für -20⁰C eine Unterbelichtung um 0,21 Stufen, und diese Änderungen können im Hinblick auf die photographische Auswirkung als klein betrachtet werden.

Die erforderliche Wertänderung ARa des variablen Widerstandes Ra zur Änderung des Belichtungswertes um einen Schritt ist:

IRa =

In 2

(10)

Der variable Widerstand Ra, über den die die Belichtung bestimmenden Faktoren eingegeben werden, braucht kein Widerstand mit einer komplizierten Funktion zu sein, sondern er kann ein variabler Widerstand sein, der linear veränderlich ist

Wie bereits beschrieben ist die erste Ausführungsform so, daß:

(1) eine Diode D 3 verwendet wird, die der Diode D 2 gleich ist, und, wie Gleichung (5) zeigt, die Differenz d zwischen ei und ei festgestellt wird, um

/S₁

(S₁ ist konstant) zu bewirken, wodurch der Term des Sperrsättigungsstroms Is₂ der durch eine Temperaturänderung beeinflußten Diode D 2 kompensiert wird; und

(2) der der absoluten Temperatur proportionale Strom A₁ T zur Diode D 3 fließt und, wie Gleichung (7) zeigt, eine Steuerung durch die Komparatorschaltung 7 bewirkt wird, um e3=e» zu bewirken,

wodurch die in Gleichung (2) auftretende Temperaturabhängigkeit eleminiert wird.

Bei der ersten Ausführungsform bleibt der durch eine Temperaturänderung beeinflußte Term «ι T zwar noch erhalten, aber sein Einfluß bringt praktisch kein Problem, wie bereits bemerkt worden ist.

F i g. 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform. Diese Figur zeigt die in F i g. 1 gezeigten Stromquellen la und Ib genauer.

In Fig.2 sind ein Transistor QX, dessen Basis und to Kollektor miteinander verbunden sind, ein Widerstand R10 und eine Konstantstromsenke /ι mit einer Energiequelle Eb in Serie geschaltet Der invertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 11 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand £ 10 und dem Emitter des Transistors Q1 verbunden und der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 11 ist über den Widerstand All mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand Ä10 und der Konstantstromsenke I\ verbunden. Ein Transistor Q 3 ist mit seiner Basis mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers U, mit seinem Kollektor über einen Widerstand Ä12 mit dem positiven Anschluß der Energiequelle £2? und mit seinem Emitter über einen variablen Widerstand Ra zum Eingeben der die Belichtung bestimmenden Faktoren mit dem negativen Anschluß der Energiequelle Eb verbunden. Ein Transistor Q 2 ist mit seiner Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors <?3 und dem Widerstand R 12, mit seinem Kollektor mit dem positiven Anschluß der Energiequelle Eb und mit seinem Emitter mit dem nichtinvertierenden Eingangs? nschluß des Operationsverstärkers 11 verbunden. Die Transistoren Qt, Q 2, Q 3, die Widerstände R 10, R ti, R 12, der Operationsverstärker 11 und die Konstantstromsenke /1 bilden zusammen eine Stromerzeugungsschaltung zur Erzeugung eines der absoluten Temperatur proportionalen Stroms, wie weiter beschrieben werden wird. Die Konstantstromsenke /1 kann ein Widerstand sein, ohne daß sich die Arbeitsweise wesentlich ändert Der Basis-Emitter-Obergang des Transistors <?3 entspricht der Diode D 3 in Fi g. 1. Der Operationsverstärker 12, die Photodiode DX und ein Transistor QA bilden zusammen eine photoelektrische Wandlerschaltung, die der bereits beschriebenen ähnlich ist. Der Operationsverstärkers 13 und Widerstände R13, R14, R15, R16 und R17 bilden zusammen eine Differenzverstärkerschaltung, die der bereits beschriebenen ähnlich ist und die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 11 und 12 verstärkt Ein zwischen die Widerstände R16 und R !7 geschalteter Kondensator Ct dient zur Verringerung des Einflusses von sich änderndem Licht der aus dem schnellen Ansprechen der Photodiode D1 resultiert, und das Vorhandensein des Kondensators Ct hat im Hinblick auf Gleichstrom keine Bedeutung. Der Ausgang des Operationsverstärkers 13 ist als gemeinsamer Eingang auf eine Komparatorschaltung 15 geführt

Eine Konstantstromquelle I₂ ist einerseits mit dem positiven Anschluß der Energiequelle Eb und andererseits fiber einen Widerstand R 25 mit dem Emitter eines Transistors <?6 verbunden, dessen Basis und dessen Kollektor mit dem negativen Anschluß der Energiequelle verbunden sind. Der invertierende Emgangsanschluß eines Operationsverstärkers 14 ist über einen Widerstand 24 mit dem Verbindungspunkt zwischen der KonstantstromqueUe h und dem Widerstand R 25 verbunden, der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 14 ist an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R 25 und dem Emitter des Transistors Q 6 angeschlossen und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 14 ist über eine Serienschaltung aus Widerständen Ä18, R\% R 20, R2X, R22 und R23 mit dem negativen Anschluß der Energiequelle Eb verbunden. Ein Transistor Q 5 ist mit seiner Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R22 und R23, mit seinem Emitter mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 14 und mit seinem Kollektor mit dem negativen Anschluß der Energiequelle Eb verbunden. Der Operationsverstärker 14, die Transistoren QS und Q 6, die Widerstände Λ18 bis R 25 und die KonstantstromqueUe /2 bilden zusammen eine Spannungserzeugungsschaltung zur Erzeugung einer der absoluten Temperatur proportionalen Spannung, wie weiter beschrieben werden wird. Die Ausgangsspannung dieser Spannungserzeugungsschaltung wird durch die Widerstände R18 bis R 23 in mehrere der absoluten Temperatur proportionale unterschiedliche Bezugsspannungen unterteilt um nicht nur anzuzeigen, ob die Belichtung richtig ist oder nicht, sondern auch stufenweise den Betrag des Fehlers gegenüber dem richtigen Belichtungspunkt anzuzeigen. Diese werden dann als Bezugsspannungen der Komparatorschaltung 15 zugeführt Die Komparatorschaltung 15 führt eine Logikverarbeitung durch, um zu bestimmen, welchem Wert der Bezugsspannungen die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 13 entspricht, und gibt das verarbeitete Signal auf eine Anzeigevorrichtung 16. Entsprechend dem Signal von der Komparatorschaltung 15 zeigt die Anzeigevorrichtung 16 in einer vorbestimmten Anzeigeweise an, ob die Belichtung richtig ist oder nicht

Eine Belichtungsparameter-Einstellvorrichtung 20 mit einem Mechanismus, der eine der Filmempfindlichkeit entsprechende Größe von der Summe aus einer dem Blendenwert entsprechenden Größe und einer der Belichtungszeit entsprechenden Größe subtrahiert, verstellt mechanisch einen variablen Widerstand Ra.

Ein elektromechanischer Wandler 17 zur Durchführung einer automatischen Belichtungssteuerung wandelt das elektrische Signal der Komparatorschaltung 15 in eine mechanische Verschiebung um, die den variablen Widerstand Ra zur Durchführung einer negativen Rückkopplung verändert so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 13 einer bestimmten der mehreren Bezugsspannungen entsprechen kann, die eine richtige Belichtung bestimmt

/f 1 und Ie 2 seien die Emiitcrstrcsne der Transistoren Qt und Q 2 und Ia sei der Kollektorstrom des Transistors Q 3. Dann wird eine Steuerung zur Erfüllung der folgenden Beziehungen durch den Operationsverstärker 11 bewirkt:

(H)

ir. I_E1

's*

(12)

Dabei ist Ie\>Is* Ie2>Isi>, 1ife2 der Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors Q 2,1₅₃ der Sperrsätti-

gungsstrom im Basis-Emitterübergang des Transistors Ql und At der Sperrsättigungsstrom im Basis-Emitterübergang des Transistors Q 2. Durch Gleichungen (IU und (12) ist die folgenden Beziehung gegeben:

kT

RIl

l_E1

ι + h_P

^(l3)

/£3 und Λγε3 seien der Emitterstrom bzw. der Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors Q3. Dann ist

Unter der Annahme, daß sich die Transistoren Qi 15 Die Ausgangsspannung ei 3 des Operationsverstärkers und Q2 lediglich in ihren Basis-Emitterübergangsflä- 13 ist:

chen unterscheiden und bezüglich der anderen Eigen- _n

/ ^ei3 = O₂

schäften identisch sind, ist

gleich dem Verhältnis

- e_ul

(18)

zwischen den Basis-Emitterübergangsflächen und folglieh ist

G₂ =

17 + R17

R14 R13

Folglich ist durch Gleichungen (15), (16), (17) und (18) folgende Beziehung gegeben:

wobei S2 das Verhältnis zwischen den PN-Übergangsflächen der beiden Transistoren ist. Wenn jeder Wert so bestimmt ist, daß

, ^ ix T I \

e_i3 = G₂T U_n Ra + — In -y—--^-J

(19)

30

kann Gleichung (14) umgeschrieben werden in:

Unter der Annahme, daß sich die Transistoren <?3 und QA lediglich in ihren Basis-Emitterübergangsflächen unterscheiden, hinsichtlich der anderen Eigen-

R12

In

du
RIO

(15)

schäften jedoch identisch sind, ist

gleich dem

Deshalb wird der Emitterstrom /£3 proportional zur absoluten Temperatur.

Die Ausgangsspannung ei 1 des Operationsverstärkers 11 läßt sich ausdrucken als:

Verhältnis zwischen den PN-Übergangsflächen der beiden Transistoren, und wenn

Ll

= S₃

ist, kann Gleichung (19) umgeschrieben werden in:

= I_E3Ra +

In ψ-

(16)

e_a = G₂T

(«„Ra

+ — In -

(20)

dabei ist ίει> Ix und I_x der Sperrsättigungsstrom im Andererseits seien Ies und /fe die Emitterströme der

Basis-Emiiicrübergäiig des Transistors Q3. Da ilic des Transistoren Qj und QS, sei i der durch die Transistors Q 3 mit dem Ausgang des Operationsver- Widerstände R18, R19,... Ä 23 fließende Strom und sei

stärkers 11 verbunden ist, wird durch die mit dem 55 angenommen, daß dieser Strom durch die Komparator-Transistor Q 3 verbundenen Widerstände R 13 und R14 schaltung 15 keinen Nebenschluß erfährt Dann ist
14 keine Störung auf die zuvor beschriebene Arbeitsweise ausgeübt /_E5 R 24 = /_E6R25 (21)

Die Ausgangsspannung ei 2 des Operationsverstärkers

12 ist: 60 und

(17)

= /_E5R24

65

Dabei ist Il> Isd und /«y der Sperrsättigungsstrom im Basis-Emitterübergang des Transistors Q 4.

(22)

Dabei ist Ie6> hr, Ie5>Isa Λ/Έ5 der Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors Q5, und I_sc und Absind die Sperrsättigungsströme in den Basis-Emitterübergängen der Transistoren Q 5 und Q 6. Eine Steuerung wird durch den Operationsverstärker 14 so bewirkt, daß die Gleichungen (21) und (22) erfüllt sind, und folglich ist die folgende Beziehung durch die Gleichungen (21) und (22) gegeben:

kT . «24

In

R23 q R25

1 +Λ

(23)

FE5

Unter der Annahme, daß sich die Transistoren Q 5 und QS lediglich in ihren Basis-Emitterübergangsflächen unterscheiden und hinsichtlich der anderen

Eigenschaften indentisch sind, ist

gleich dem

Verhältnis zwischen den Basis-Emitterübergangsflächen der beiden Transistoren, und folglich kann, wenn

= S₄.

ist und wenn jeder Wert so bestimmt ist, daß

ΙίΤ

R 23

R25

Gleichung (23) umgeschrieben werden in:

¹⁰ ~

R23

kT R24
q ^ln RlS

(24)

Somit sind die an den einzelnen Verbindungsstellen zwischen den Widerständen Λ18, R19, ... RH erzeugten Spannungen proportional der absoluten Temperatur und werden den Komparatorschaltungen 15 mehrere Bezugsspannungen zugeführt Diese Bezugsspannungen sind ausgewählt als diejenigen Spannungen, welche den Grenzpunkten (Punkte, die zur Unterscheidung dienen, ob die Kombination aus Blendenwert, Verschlußzeit und Filmempfindljchkeit zu einer richtigen Belichtung führen oder nicht, und die Bezugspunkte dafür sind, wie weit eine solche Kombination gegenüber dem richtigen Belichtungswert verschoben ist) entsprechen, beispielsweise an Belichtungswerten wie + 1-Stufe, +0,2-Stufe, -0,2-Stufe und — 1-Stufe. Der Ev-Wert des zu photographierenden Objektes and der SV-Wert der Belichiungsbesiirfimungsvorrichtung 20 werden verarbeitet und vom Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 13 mit dem Spannungswert gemäß Gleichung (20) ausgegeben und als gemeinsames Eingangssignal auf die Komparatorschaltungen 15 gegeben. Diese Spannung wird mit der Bezugsspannung verglichen, die eine richtige und das Ergebnis des Vergleichs wird durch die Anzeigevorrichtung 16 angezeigt. Das heißt, wenn der variable Widerstand Ra so eingestellt ist, daß die den richtigen Belichtungspunkt bestimmende Bezugsspannung

V₇ =

(25)

wird, wobei ai2 eine Konstante ist, und daß ei3 gleich

ist, dann ist durch Gleichungen (20) und (25) folgende Gleichung gegeben:

(26)

Wenn der Photostrom Il gegeben ist, wird deshalb in erster Linie Ra bestimmt, und folglich wird primär der mechanische Eingangswert zur Verstellung des variablen Widerstands Ra, nämlich der £V-Wert der Belichtungsbestimmungsvorrichtung 20, bestimmt. Wenn der Ev-Wert des Objektes oder der Photostrom Il und Ra oder der Ev-Wert der Belichtungsbestimmungsvorrichtung 20 so vorverknüpft werden, daß sie die richtige Belichtungsbedingung erfüllen, kann eine beliebige Belichtung während einer manuellen Belichtungssteuerung immer dadurch sichergestellt werden, daß der Widerstand Ra entsprechend der Anzeige durch

i) die Anzeigevorrichtung 16 verstellt wird.

Eine automatische Belichtungssteuerung wird mit einer negativen Rückkopplung erreicht, die so auf den variablen Widerstand Ra geführt wird, daß der elektromechanische Wandler 17 durch das Signal von

r, der Komparatorschaltung 15 Gleichung (26) erfüllen kann.

Gleichung (26) enthält den Term der absoluten Temperatur T, dessen Einfluß ist jedoch gering und in Gleichung (9) gezeigt.

in F i g. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher das T in der in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Gleichung (7') eliminiert ist.

Die mit in F i g. 1 verwendeten Bezugsziffern übereinstimmenden Bezugszeichen haben die gleiche

j5 Funktion wie in F i g. 1 und für die Erläuterung unwichtige Teile sind weggelassen. In Fig.3 ist die Spannung einer Bezugskonstantspannungsquelle Es nicht mit der Temperatur oder dergleichen veränderlich.

Ein Operationsverstärker 21, die Bezugsspannungsquelle Es, ein Widerstand Rc und ein Transistor Q 7 bilden zusammen eine Konstantstromquelle, und der Kollektorstrom In des Transistors Q 7 ist nicht mit der Temperatur veränderlich. Es fließen also die Ströme Ic?

4) und Ia zur Diode D 3. Die Ausgangsspannung ei des Operationsverstärkers 4 ist:

(27)

Wenn die Konstante λ, so vorgewählt ist. daß T <: /_C7, dann gilt:

<?, = *, TRa + — In ψ- (28)

1 hi

Durch Gleichungen (2), (3) und (28) ist die folgende Gleichung gegeben:

e = GT (^₁Ra + —

In ¹-ψ- S\)

(29)

Gleichsetzen von Gleichung (29) uod Gleichung (6) ergibt:

I_L = I_C1S1 exp

[!X₁Ra t

(30)

Dies bedeutet daß keine Änderung mit der Temperatur auftritt

Gemäß der dritten Ausführungsfonn wird der konstante Strom, der die Beziehung Ici > an rerfüllt zur Diode D 3 geleitet um den Einfluß des Temperaturunabhängigkeitsterms «ι Tauszuschalten, der in der ersten Ausführungsform verbleibt Dadurch ist eine Meßvorrichtung erstellt die weniger durch eine Temperaturänderung beeinflußt wird als die Vorrichtung der ersten Ausführungsform. ic

Ferner ist die dritte Ausführungsform so ausgelegt daß die Ströme la und la zur Diode D 3 fließen, das gleiche Ergebnis kann jedoch durch einen Aufbau erhalten werden, bei dem lediglich der Strom Ici zur Diode D 3 fließt is

Es wird nun eine Variante der ersten Ausführungsform beschrieben.

Die Variante ist der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 gänzlich gleich, erreicht jedoch eine höhere Temperaturkompensation in einer Weise, die von derjenigen der ersten Ausführungsform verschieden ist Deshalb sind die Beschreibung der Schaltungsanordnung und die Beschreibung "bis hin zu Gleichung (2) vollständig identisch, und die Beschreibung der Variante beginnt erst bei Gleichung (3) und den nachfolgenden Gleichungen.

Die Ausgangsspannung es des Operationsverstärkers 5 ist die verstärkte Differenz zwischen den Ausgangsspannungen ei und ^ der Operationsverstärker 4 und 3 und kann ausgedrückt werden durch:

R2 R4 + R3

R4 RI + R2

R3 R4

R3 R4

R2 R4 + R3

R3 Rl + R2

■ e, -

Wenn«3/R4 = G,
R2 R4 + R3

R3 Rl + R2

(X = 1 in der ersten, zweiten und dritten Ausfuhrungsform).

Folglich ist

e₃ = G(X_ei-e₂)

(31)

Durch Gleichungen (1), (2) und (31) ist folgende Gleichung gegeben:

Unter der Annahme, daß sich die Dioden D 2 und D 3 lediglich in ihren PN-Übergangsflächen unterscheiden und hinsichtlich der anderen Eigenschaften identisch sind, ist das PN-Übergangsflächenverhältnis S der beiden Dioden:

S, =

!.ι

(33)

Gleichung abgeleitet:

e₃= GT $XRa*, + — In

Wenn andererseits der Ausgangsstrom Ib\ der Stromquelle Ib der absoluten Temperatur proportional ist nämlich

Ib₁ = λ,Τ,

wobei «2 eine Konstante und 7"die absolute Temperatur ist dann ist die Ausgangsspannung e» des Operationsverstärkers 6:

<?₄ = Rbix₂T

(35)

Wenn eine Differenz zwischen den Spannungen ea und e* besteht steuert der Motor 7 die Blendenvorrichtung 2, um die Beziehung ε3=β» herzustellen, gemäß dem Widerstandswert des variablen Widerstands Ra zum Eingeben de' belichtungsbestimmenden Faktoren und um eine negative Rückkopplung so zu bewirken, daß der Photostrom der Photodiode Dl einem vorbestimmten Wert gleich sein kann, nämlich der Intensität der Beleuchtung auf der Photodiode D1 und der Filmoberfläche. Somit wird aus den Gleichungen (34) und (35) der Photostrom Il folgendermaßen aufrechterhalten:

exp

(36)

40 Folglich kann eine richtige Intensität der Beleuchtung auf der Filmoberfläche immer entsprechend dem Widerstandswert des variablen Widerstandes Ra zur Eingabe der Belichtungsfaktoren sichergestellt werden, wodurch eine automatische Belichtung ermöglicht ist Die Eingabe der Belichtungsfaktoren braucht nicht immer über den variablen Widerstand Ra zu geschehen, sondern sie kann auch über Rb, »\ und «2 vorgenommen werden, wie es durch Gleichung (8) gezeigt ist.

Es werden nun Veränderungen von ei und ej mit der Temperatur bei einer konstanten Helligkeit des zu photographierenden Objektes betrachtet

Der Sperrsättigungsstrom /_s1 der Diode D 3 in Gleichung (36) wird generell ausgedrückt durch die folgende Annäherung:

Aus Gleichungen (32) und (33) wird folgende Dabei ist Eg der Energiebandabstand des Halbleitermaterials in eV, A eine durch den Aufbau der Diode bestimmte positive Konstante und B eine durch den Energiebandabstand des Halbleitermaterials bestimmte positive Konstante.

Wenn sie sich bei den Dioden D 2 und D 3 um Siliziumdioden handelt ist der Energiebandabstand Eg gleich 1,21 eV und somit B= 1,4042 χ 10⁴K.

Folglich ist durch Gleichungen (36) und (37) folgendes gegeben: Il = 0*i T)* Sl AA exp (- ^j" *' · exp |- (38)

Ferner ist die temperaturbedingte Änderung des Photostroms der Photodiode Di gewöhnlich im Bereich von +0,14bis +0,2 ("/0/⁰C),so daß/_£ist:

I_L = C L(I +D- AT)

(39)

10

Dabei bedeuten: C den Umwandlungskoeffizienten, mit dem die Intensität der Beleuchtung auf der Photodiode D1 in einen Strom umgewandelt wird, L die Intensität der Beleuchtung auf der Photodiode Dl, D den Temperaturkoeffizienten des Photostroms und ΔΤ die Temperaturänderung gegenüber der Bezugstemperatur.
Aus den Gleichungen (38) und (39) wird abgeleitet:

L =

S^A exp (- |

exp τ (^XRa*> -

Rb*-,

C(I +D IT) (40)

ΔΕν, die Änderung des Belichtungswertes bei einer Temperaturänderung von der Bezugstemperatur 71 auf die Temperatur Ti wird ausgedrückt durch:

In

AEv =

L(T2) L(Tl)

In 2

Aus Gleichungen (40) und (41) erhält man:

AEv =

In 2

In 2

In

Tl

In

(1+X)

Wenn die Bezugstemperatur Ti = 293 (⁰K) ist, B=\,4042x\0* (K) und D=0,0017 (l/K), sind die Änderungen ΔΕν des Belichtungswertes bei verschiedenen Temperaturen mit X als Parameter in F i g. 5 und graphisch in F i g. 6 gezeigt.

Für die zuvor erwähnten Konstanten kann somit bei X= 1,01 die Änderung des Belichtungswertes bei sich ändernder Temperatur im wesentlichen Null gemacht werden.

Bei der beschriebenen Variante der ersten Ausführungsform kann also durch Wahl der Widerstände R1, R 2, R 3 und R 4 und Einstellung des Verhältnisses

X =

Rl R4 + R3

R3 Rl+Rl

Rl

Rl

(41)

1 \ ] 1

—-—j-

-Γ1)|

- 1η(1+β(Γ2

(42)

40

45

50 Fig.7 zeigt eine vierte Ausführungsform bei Verwendung für einen elektrischen Verschluß. Diejenigen Teile, welche die gleiche Funktion wie die in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen haben, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen und brauchen nicht beschrieben zu werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine Meßvorrichtung, bei welcher die Belichtungsmessung durch das Aufnahmeobjektiv geschieht

Wenn in Fig.7 ein nicht gezeigter Verschluß geöffnet ist, ist ein Integrationsstartschalter 30 geöffnet, um einen Integrationskondensator 31 aufzuladen.

Die Ladespannung dieses Kondensators wird in eine Spannung e, umgewandelt, die der absoluten Temperatur proportional ist und ausgedrückt wird als:

zwischen ihnen auf einen optimalen Wert erreicht werden, daß die Änderung des Belichtungswertes bei einer Temperaturänderung im wesentlichen Null ist. Man erhält eine Meßvorrichtung, die weniger durch den in Gleichung (7') gezeigten Temperaturabhängigkeitsterm «1T beeinflußt wird, der in den zuvor beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen verbleibt.

Da G den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers bestimmt, das Verhältnis von RZ zu R4 nach Wunsch bestimmt werden, während das Verhältnis von R1 zu R 2 gegeben ist zu:

65

Somit kann für X ein optimaler Wert gesetzt werden (in dem in F i g. 5 gezeigten Beispiel X= 1,01).

kT e, = G · — In <x₃1

(43)

Dabei ist «3 eine Konstante und t diejenige Zeit, die vom öffnen des Schalters 30 aus vergangen ist, nämlich die Belichtungszeit. Die Spannung et wird auf einen der EingangsanschlUsse einer Komparatorschaltung 33 gegeben. Der andere Eingangsanschluß der Komparatorschaltung 33 empfängt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 5. Die Spannung et steigt mit zunehmendem Zeitablauf an, und wenn es und e, gleich werden, erregt die Komparatorschaltung 33 einen Elektromagneten Mg, welcher dem Verschluß-Schließvorgang der nicht gezeigten Kamera zugeordnet ist, wodurch der Verschluß geschlossen wird.

Durch Einstellen des variablen Widerstandes Ra zum Eingeben der belichtungsbestimmenden Faktoren, wo-

durch die Belichtungsbedingung eingestellt wird, wird eine richtige Belichtungszeit in erster Linie durch die Intensität der Beleuchtung L auf der Photodiode D1 bestimmt, um dadurch eine automatische Belichtungssteuerung zu bewirken.

Durch Gleichungen (34), (39) und (43) ist die Beziehung zwischen der Intensität der Beleuchtung L auf der Photodiode Dl und der Belichtungszeit t gegeben zu:

(«, T)* ■ Sl

exp -|-

Lt =

C(I + D-

(44)

RcdS = Y- Z'^y

35

ist durch die Diode D 2 logarithmisch umgewanDas Ausgangssignal ei des Operationsverstärkers 3

e₂ = In -—- = In —irr—

50

(45)

Wie in der ersten Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist

die folgende Gleichung durch die Gleichungen (1), (3) und (45) gegeben zu:

(^₁Ra ₊ y

(46)

Es wird eine Steuerung durchgeführt, um auf die Beziehung e3=e» hinzuwirken, so daß folgendes durch Gleichungen (6) und (46) gegeben ist:

10 _ Rb Oi₂ \
G J

(47)

15

Somit ist AEv, die Änderung des Belichtungswertes mit der Temperatur, ähnlich Gleichung (42) und kann durch Einstellen von X in der beschriebenen Weise im wesentlichen Null gemacht werden, wodurch die Temperaturabhängigkeit der logarithmischen Kennlinie der Diode D 2 kompensiert werden kann.

Bei der bereits beschriebenen ersten, zweiten und dritten Ausführungsform wird die Information über die Objekthelligkeit durch den von der Photodiode erzeugten Photostrom eingegeben. Eine solche Information kann jedoch auch durch einen Photoleiter, wie einen CdS-Widerstand oder dergleichen, wie er in Fig.4 gezeigt ist, eingegeben werden. In Fig.4 ist lediglich der Photodiodenteil gegenüber der ersten Ausführungsform geändert und die anderen Schaltungsteile sind nicht gezeigt In Fig.4 bezeichnet JSs eine Konstantspannungsquelle und CdS bezeichnet einen Photoleiter mit folgendem Widerstandswert RcdS:

Somit wird das Ausgdngssignal ei auf den durch Gleichung (47) gezeigten Wert von ^gesteuert

Ev, die Änderung des Belichtungswertes mit der Temperatur, ist:

/IEo =

yln2

(48)

Es ist erwünscht, γ zu erhöhen, um den Einfluß der Temperatur zu verringern.

Um die Temperaturabhängigkeit weiter zu reduzieren, kann X in der Gleichung für die Arbeitsweise der Differenzverstärkung enthalten sein, wie in Gleichung (31). Wenn die Temperaturabhängigkeit des CdS-Widerstandes vernachlässigbar ist, ist für diesen Fall die Gleichung, welche die Änderung des Belichtungswertes mit der Temperatur darstellt, gegeben zu:

Dabei sind Kund γ Konstanten und Z ist die Intensität der Beleuchtung auf der CdS-Oberfläche. Da der CdS-Widerstand durch den Operationsverstärker 3 virtuell kurzgeschlossen wird, ist der Wen des in ihm fließenden Stroms:

AEv =

yln2

Somit kann die Änderung des Belichtungswertes mit der Temperatur durch Einstellen von X= 1,02 minimal gemacht werden.

Die Änderung Δ Ra von Ra, die erforderlich ist, um den Belichtungswert um eine Stufe zu ändern, ist:

yk qix₁

In 2

Folglich können die Belichtungsbestimmungsfaktoren durch einen variablen Widerstand eingegeben werden, der wie bei der ersten Ausführungsform linear veränderlich ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines die Belichtung eines lichtempfindlichen Materials bestimmenden Signals mit

a) einer photoelektrischen Wandlerschaltung, die enthält:

(1) ein photoelektrisches Wandlerelement,

(2) ein Schaltungselement zur Erzeugung einer logarithmisch komprimierten Ausgangsspannung aus dem Ausgangssignal des Wandlerelements,

b) einer ersten Spannungsquelle, die enthält:

(1) eine Konstantstromquelle,

(2) einen von der Konstantstromquelle gespeisten Widerstand,

(3) ein in Serie mit dem Widerstand liegendes Halbleiterbauelement rrit logarithmischer Kennlinie,

(4) einen von der Summe der am Widerstand und am Halbleiterbauelement anliegenden Spannungen beaufschlagten Ausgang,

c) einen zweiten Spannungsquelle zur Erzeugung einer von der absoluten Temperatur abhängigen Ausgangsspannung sowie

d) einer Komparatorschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Konstantstromquelle (Ia; Ii, Qi, Q2, 11, RIO, Λ11) zur Abgabe eines der absoluten Temperatur proportionalen Stromes ausgebildet ist,

f) die zweite Spannungsquelle (Ib, Rb, 6; /2, Q5, (?6, 14, R18-R25; 30-32) zur Abgabe einer der absoluten Temperatur proportionalen Spannung (e 4) ausgebildet ist,

g) ein Differenzverstärker (5, R 1 bis R 4: 13, R 13 bis R 17) zur Erzeugung einer Differenzspannung Ce 3) aus der logarithmisch komprimierten Ausgangsspannung (e 2) und der am Ausgang der ersten Spannungsquelle anstehenden Spannung Ce 1) vorgesehen ist,

h) die Komparatorschaltung (7; 15; 35) zum Vergleich der Differenzspannung (e 3) mit der Ausgangsspannung Ce 4) der zweiten Spannungsquelle ausgebildet ist,

i) Signalverarbeitungseinrichtung (2,8; 17, Ra; Mg) zur Ableitung des die Belichtung bestimmenden Signals aus dem Ausgangssignal der Komparatorschaltung vorgesehen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker ein Operationsverstärker (5, 13) ist, und daß die die Verstärkung des Operationsverstärkers (5, 13) bestimmenden Widerstände (R 1 bis R 4; Λ 13 bis R 17) so gewählt sind, daß die Abhängigkeit des die Belichtung bestimmenden Signals von der Temperatur einen minimalen Wert annimmt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen eine vom Ausgangssignal der Komparatorschaltung (7) gesteuerte, variable Blende (2) aufweisen, die vor dem Wandlerelement (D 1) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen einen vom Ausgangssignal der Komparatorschaltung (15) veränderbaren, variablen Widerstand (Ra) aufweisen, der von dem Widerstand der ersten Spannungsquelle (It, Qi, Q2, Q3, 11, R10, R11, R12, Abgebildet ist

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle (12, Q 5, Q 6, 14, ic 18 — R 25) zur Erzeugung weiterer, der absoluten Temperatur proportionaler, unterschiedlicher Ausgangsspannungen (Vr) ausgelegt ist, und daß diese ίο weiteren Ausgangsspannungen der Komparatorschaltung (15) ebenfalls als Bezugsspannungen zugeführt sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Konstantstromquelle (Es, 21, Rc, QT) zur Speisung des Halbleiterbauelements (D 3) vergesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle (30,21,32) derart ausgebildet ist, daß die Ausgangsspannung (et) neben der Temperaturproportionalität eine logarithmische Zeitabhängigkeit aufweist