200507. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés fényerősségen alapuló differenciális mérések végzésére
1 HU 200507 B 2 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés fényerősségen alapuló differenciális mérések elvégzésére, amelynek áramgenerátoros bemeneti pontja, fényforrás által előállított fény terjedési útjában elrendezett, a bemeneti pontra kapcsolt első és második fotodiódája csatolt első és második műveleti erősítője, továbbá az első és második fotodióda által érzékelt fényintenzitások különbségének megfelelő kimenő jelet továbbító kimeneti pontja van. Fotodiódapárok felhasználásával fényerősség érzékelésén alapuló differenciális mérések elvégzésére ismert kapcsolási elrendezések mindenek előtt kisebb mozdulások mérésére, vagy fotodiódák párba válogatására szolgálnak. Az ismert megoldásokat a bonyolult felépítés, a lineáris mérési tartomány korlátozottsága jellemzi. Hibájuk, hogy a mérőkörben a hőmérsékletváltozásokkal, az öregedéssel járó paraméterváltozások kiegyenlítése csak nehézkesen, bonyolult kiegészítő kapcsolásokkal valósítható meg. Fotodiódapárt hasznosító, a differenciális mérés elvét magvalósító detektor ismerhető meg az RCA cég (USA) 1986-ban kiadott 1-86. jelű katalógusának 368. oldalán bemutatott 32. ábrából. Erre az áramgenerátoros jellegű kapcsolásra az egymáshoz válogatott fotodiódákkal létrehozott szimmetrikus felépítés jellemző, a mérési pontosság erősen függ a párokban használt passzív elemek kiválasztásakor elkövetett hibától (az összeválogatott ellenállások és kapacitások értékeinek azonosságától). Az elrendezés hiányossága a lineáris mérési tartomány korlátozottsága, a mérési pontosságot a hőmérsékletváltozásokkal és az öregedéssel járó hatások jelentős mértékben lerontják. Ez utóbbi hatások kiegyenlítése, a linearitás biztosítása még a viszonylag szűk értéktartományban is az ilyen hatások fellépése esetén további áramköri elemek beépítését igényli. A találmány feladata olyan kapcsolási elrendezés kidolgozása, amely az ismerteknél egyszerűbb felépítéssel a fotodióda szinte teljes mérési tartományban a lineáris mérés lehetőségét biztosítja, a fotodiódák paramétereiben hőmérséklet vagy öregedés hatására bekövetkező változások kompenzálásával együtt, illetve amellyel fotodiódapárok megbízhatóan válogathatok össze adott paramétereik azonosságának szempontjából. A találmány alapja az a felismerés, hogy a fotodiódákat rövidrezárt áramgenerátoros kapcsolásban, hídban kell elrendezni. A kitűzött feladat megoldásaként fényerősségen alapuló differenciális mérések végzésére szolgáló olyan kapcsolási elrendezést dolgoztunk ki, amelynek áramgenerátoros bemeneti pontja, mérési eredménynek megfelelő jelet továbbító kimeneti pontja van, ahol a bemeneti pontra fényforrás által generált fény terjedési útjában elrendezett első és második fotodióda van csatlakoztatva, míg az első fotodiódára első, a második fotodiódára második műveleti erősítő egyik bemenete van vezetve, és a találmány szerint az első és második fotodióda hídkapcsolás két szomszédos ágában, első és második hídellenállással szemben van elrendezve, közös pontjuk a bemeneti pontra van kapcsolva, továbbá az első műveleti erősítő kimenete az első és második hídellenállás közös pontjára, a második műveleti erősítő kimenete a kimeneti pontra, valamint kompenzáló ellenálláson keresztül a második műveleti erősítőnek a második fotodiódával csatlakoztatott bemenetére van vezetve, míg a bemeneti pont és az első fotodióda között harmadik műveleti erősítő invertáló bemenete van beiktatva, ahol a harmadik műveleti erősítő kimenetén az első és második fotodiódával optikai visszacsatolásban álló fényforrás van vezetve, ahol az első és a második fotodióda egymáshoz vagy katódjaik révén kapcsolódik, vagy ha az első és második fotodióda egy adott alapállapotában azonos értékű rövidzárási áramot mutat, akkor az első és a második hídellenálllás értéke azonos lehet, és ebben az esetben az első fotodióda anódja a második fotodióda katódjával van összekötve. Általában a rövidrezárási áramok értékei különbözőek és ekkor a második műveleti erősítő kimenete és a bemenete között a visszacsatolást kizárólag a kompenzáló ellenállás biztosítja. A kimeneti ponton továbbított jel alapállapoti szintjét az első és második hídellenállás, valamint a második és első fotodiódára alapállapotban adódó rövidrezárási áramok arányának azonosságának beállításával vagy eltérő értékűkkel lehet szabályozni: a két arány azonos értékéhez a kimeneti ponton zérus jelszint tartozik. Az áramgenerátoros bemenetet célszerűen referenciafeszültségre csatlakoztatott, a bemeneti pont és a harmadik műveleti erősítő invertáló bemenetének beiktatási pontja előtt elrendezett referenciaellenállással valósítjuk meg. Az első és második hídellenállás egy részét, továbbá a kompenzáló ellenállást adott esetben célszerű lehet változtatható értékű ellenállásként, például potenciométerként létrehozni. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés egyszerű felépítésű, a fényerősség változásának széles értéktartományában a fényerősséggel lineárisan változó kimenő jelet állít elő. A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti kapcsolási elrendezés alapváltozatának vázlata, míg a 2. ábra a javasolt kapcsolási elrendezés egy specifikus változatának vázlata.A találmány értelmében fotodiódapárok felhasználásával végzendő differenciális mérésekhez, esetleg ilyen fotodiódapárok összeválogatására javasolt kapcsolási elrendezésnek mind az alapváltozata (1. ábra), mind a későbbiekben leírtak miatt specifikus változata (2. ábra) 5 bemeneti ponton át Uo referenciafeszültséget szolgáltató egységre van csatlakoztatva. Az 5 bemeneti pontra Rs referenciaellenállás egyik sarka kapcsolódik, így ez az 5 bemeneti pont a továbbiakban bemutatott visszacsatolás révén áramgenerátoros kialakítású. Az Rs referenciaellenállás másik sarka egyrészt anódjával 1 első műveleti erősítő invertáló bemenetére vezetett Di első fotodiódáját, anódjával 2 második műveleti erősítő invertáló bemenetére vezetett D2 második fotodiódát, közösített sarkukkal az 1 első műveleti erősítő kimenetére kapcsolt RÍ első és R2 második hídellenállást tartalmazó hídkapcsolásra, másrészt 3 harmadik műveleti erősítő invertáló bemenetére van csatlakoztatva. A harmadik műveleti erősítő kimenete célszerűen 4 teljesítményerősítőn keresztül a Di első és D2 második fotodióda megvilágítására szolgáló S fényforrással áll kapcsolatban, ahol az S fényforrás 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
