200507. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés fényerősségen alapuló differenciális mérések végzésére
1 HU 200507 B 2 célszerűen fényemittáló diódával van kialakítva. A 2 második műveleti erűsítő kimenete egyrészt 6 kimeneti pontra van vezetve, másrészt a kimenet és az invertáló bemenet között visszacsatoló ág van kiképezve, amely Rk kompenzáló ellenállást tartalmaz. Az említett hídkapcsolás összesen négy ágat tartalmaz, amelyek közül két szomszédos ágban a Di első és a DÍmásodik fotodióda, míg a további két egymással szomszédos ágban az Rí első és az R2 második hídellenállás helyezkedik el. A javasolt kapcsolási elrendezés alapváltozatában (1. ábra) a visszacsatoló ág az Rk kompenzáló ellenállásból áll, az 1 első és 2 második műveleti erősítők neminvertáló bemenete főldpotenciálra van kötve. Itt lényeges, hogy a Di első és a D2 második fotodióda egymással azonos pólusokon, mégpedig katódjukon keresztül kapcsolódik, az 5 bemeneti pont az Rs referenciaellenálláson keresztül a Di első és a D2 második fotodióda közös pontjára van vezetve. Amikor a Di első és a D2 második fotodióda a mérésre szolgáló szerkezet alapállapotában azonos értékű Ii és I2 rövidzárási árammal jellemezhető, célszerű lehet a 2. ábra szerinti kapcsolási elrendezés alkalmazása. Ennél a megoldásnál az 1 első műveleti erősítő neminvertáló bemenete a Di első fotodióda és az egyik hídellenállás közé van becsatlakoztatva, míg a 2 második műveleti erősítő neminvertáló bemenetével az Rs referenciaellenállás és a 3 műveleti erősítő közös pontjára van vezetve, amelynek révén az 5 bemeneti pont az egyik hídellenállás (az Rí első hídellenállás) és a Di első fotodióda közös pontjával kapcsolódik. A visszacsatolást ennél az elrendezésnél szintén az Rk kompenzáló ellenállás biztosítja, amely azonban a D| első és a D2 második fotodióda közös pontján át az 1 első műveleti erősítő invertáló bemenetére van kapcsolva. Itt a Di első fotodióda anódja a D2 második fotodióda katódjával van összekötve. Mind az 1., mind a 2. ábra szerinti megoldásban az 1 első műveleti erősítő kimenete az Rí első és az R2 második hídellenállás közös pontjára van vezetve. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés működése a következő: A S fényforrással megvilágított Di első és D2 második fotodióda Ii és I2 rövidzárási áramainak Ii + I2 összege a mérés során állandó értéken marad. Ezt az áramot az Uo referenciafeszültség és az Rs referenciaellenállás hányadosaként kapjuk, értékét előzetes mérésekből választjuk meg. Az S fényforrás mindig olyan intenzitású fényáramot juttat a Di első és a D2 második fotodiódára, aminek hatására azok összegezett rövidzárási árama éppen Ii + I2. Ez optoelektronikai jellegű visszacsatolást is jelent. Általában az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezést használjuk, amelynél jellemző, hogy Ii és I2 értéke nem egyenlő, vagy ha egyenlő is, az Rí első és az R2 második hídellenállás értékei eltérnek. Ha Ii*l2, a 6 kimeneti ponton zérus szintű alapállapoti kimenő jelet biztosíthatunk az R1/R2 = I2/I1 arány választásával. Ha a két arány eltérő, az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezés 6 kimeneti pontján nem zérus szintű alapállapoti kimenő jelet kapunk, függetlenül az It és I2 rövidzárási áramok alapállapotban mérhető azonos vagy eltérő értékétől. A 2. ábra szerinti kapcsolási elrendezés alapállapotára célszerűen teljesül az It = I2 és Rt = R2 összefüggés. A Dt első és D2 második fotódiódára eső fény áramok intenzitásának változásakor az Ii és I2 rövidzárási áramok aránya megváltozik. Ez a hídkapcsolásban kiegyenlítetlenséget okoz, amit a 2 második műveleti erősítő és az Ik árammal jellemzett Rk kompenzáló ellenállás együttesen egyenlít ki. Eközben az 1 első műveleti erősítő a Dt első fotodióda rövidrezárt állapotát tartja fenn (célszerűen ez a fotodióda a kisebb rövidzárási árammal jellemezhető a Dt első és a D2 második fotodióda közül). A kompenzálás révén a D2 második fotodióda is rövidzárban üzemel. A 2. ábra szerinti elrendezésben az Rk kompenzáló ellenállásról az Ii és I2 rövidzárási áramok különbségének megfelelő áram jut az 1 első műveleti erősítő invertáló bemenetének, a Di és a D2 második fotodióda közös pontjára. Az 1. ábra szerinti megoldásnál a 2 második műveleti erősítő a 6 kimeneti ponton I1+I2 U = Ali-------Rk Ii szintű jelet biztosít, ahol Ali a Di első fotodióda rövidzárási áramának a beeső fényáram erősségének megváltozásával járó változása, Ii az első fotodióda rövidzárási-árama az S fényforrás által biztosított megvilágítás mellen, továbbá a rövidzárási áramok 11 + I2 összegére teljesül az Ii + I2 = állandó összefüggés, míg Rk a kompenzáló ellenállás értéke. Az Ii + I2 összeg állandóságát a 3 harmadik műveleti erősítővel hajtőn S fényforrás teszi lehetővé a Di első és a D2 második fotodióda változó szintű megvilágításával. A megvilágítás intenzitása ugyanis a visszacsatolás miatt úgy változik, hogy a fotodiódák mérési elrendezésének, illetve hőmérsékletének változásával, valamint azonos jellegű öregedési folyamataival járó hatások döntően kiegyenlíthetők, míg a rövidrezárt állapot fenntartásával a 6 kimeneti ponton kapón jel szintje az ismert elendezésekhez viszonyítva sokkal szélesebb értéktartományban függ lineárisan a Di első és a D2 második fotodiódára jutó fényáramok erősségének különbségétől. A gyakorlatban az (Ii + \2)fl\ arány nagy, akár az 5... 6 tartományba eső értéket is felvehet. Ennek eredményeként az U jelszintnek az ismert megoldásokhoz képest igen magas értéke erősítés nélkül biztosítható (az ismert megoldásoknál pédául a szükséges magas kimenő jelszintet viszonylag kis különbségi jelszintek erősítésével érik el, ami komoly hibaforrás lehet). Egyúttal a 3 harmadik műveleti erősítő által hajtott S fényforrás a rövidzárási áramok Ii + 12 összegének állandóságát tartja fenn, a fotodiódák rövidzárási üzemét teszi lehetővé. Egy kiviteli változatban a műveleti erősítőket RCA gyártmányú CA 3130 jelű integrált áramkörökkel, Di első és a D2 második fotodiódát a Siemens cég BPX48 típusú, differenciális mérésekhez kifejlesztett fotodiódapárjával valósítottuk meg (ez utóbbi azonos szilíciumlapkán létrehozott kettős elem, amelynél az öregedési folyamatok valószínűsíthetően mindkét részben hasonlóan zajlanak le). 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
