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Dokumentenidentifikation DE102004015619A1 20.10.2005
Titel Schaltungsanordnung für eine Photodiode
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Glehr, Manfred, 93173 Wenzenbach, DE;
Heinrich, Stephan, 93053 Regensburg, DE
DE-Anmeldedatum 30.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004015619
Offenlegungstag 20.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.10.2005
IPC-Hauptklasse G01J 1/44
IPC-Nebenklasse G01M 11/02   
Zusammenfassung Eine Schaltungsanordnung (1) für eine Photodiode (2) umfasst einen Mikroprozessor (3) mit einem Ausgang (4), der ein pulsbreitenmoduliertes Spannungssignal über einen Tiefpass (5) an die Kathode der Photodiode (2) ausgibt. Die an der Kathode der Photodiode (2) anliegende Spannung wird von einem Eingang (12) des Mikroprozessors (3) erfasst und durch Einstellen des Spannungssignals am Ausgang (4) des Mikroprozessors (3) auf einen Sollwert geregelt. Die Schaltungsanordnung (1) verfügt über einen besonders hohen dynamischen Messbereich.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Strahlungsleistung von auf einer Photodiode einfallenden Strahlung, die eine Kathode der in Sperrrichtung gepolten Photodiode mit einem Spannungssignal beaufschlagt und die eine über die Photodiode abfallende Photodiodenspannung erfasst.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus TIETZE, Ulrich; SCHENK, Christoph: Halbleiterschaltungstechnik, 9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1989, Seite 107–108 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung umfasst einen Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang mit der Kathode der Photodiode verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers und die Anode der Photodiode sind auf Masse gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Ohmschen Rückkopplungswiderstand auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgekoppelt.

Bei Lichteinfall auf die Photodiode fließt über die Photodiode und den Rückkopplungswiderstand ein Photostrom, wobei sich der Ausgang des Operationsverstärkers auf einen Spannungswert einstellt, der dem durch den Photostrom verursachten Spannungsabfall über den Rückkopplungswiderstand entspricht. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ist dann ein Maß für den Photostrom und damit ein Maß für die Strahlungsleistung des auf die Photodiode einfallenden Lichts.

Ein Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung ist deren begrenzter dynamischer Bereich. Insbesondere die Bestrahlungsstärke von Sonnenlicht variiert so stark, dass der Photostrom in einem Messbereich von 1 : 105 erfasst werden muss. Die bekannte Schaltungsanordnung ist daher für Anwendungen, bei denen der Photostrom von in Sonnensensoren eingebauten Photodioden erfasst werden soll, nur bedingt geeignet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für eine Photodiode mit einem möglichst großen dynamischen Messbereich anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Bei der Schaltungsanordnung für die Photodiode beaufschlagt ein Spannungsmodulator über einen Tiefpass die Kathode der Photodiode mit einem Spannungssignal. Eine Steuereinheit erfasst die über die Photodiode abfallende Photodiodenspannung und steuert den Spannungsmodulator in Abhängigkeit von der Photodiodenspannung mit Hilfe einer Stellgröße, die für die Bestimmung der Strahlungsleistung auswertbar ist. Ein Spannungsmodulator mit nachgeschaltetem Tiefpass wirkt als ideale Spannungsquelle, die in der Lage ist, unabhängig von Lichteinfall auf die Photodiode einen vorgegebenen Spannungswert an der Kathode der Photodiode aufrecht zu erhalten. Dies ist auch dann möglich, wenn der durch die Photodiode fließende Photostrom einen Messbereich von etwa 1 : 105 umfasst. Durch Auswerten der den Spannungsmodulator steuernden Stellgröße kann daher der Photostrom in einem Messbereich von 1 : 1015 bestimmt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungsmodulator ein Pulsbreitenmodulator, dessen Pulsbreite entsprechend dem vorgesehenen dynamischen Messbereich variierbar ist. Derartige Pulsbreitenmodulatoren sind kommerziell allgemein erhältlich.

Für die Implementierung des Spannungsmodulators und der Steuereinheit kann ein handelsüblicher Mikroprozessor verwendet werden. Derartige Mikroprozessoren bieten Ausgänge, auf denen sich beispielsweise Pulsbreitensignale mit variabler Breite erzeugen lassen. Derartige Mikroprozessoren können auch Analog-Digital-Wandler enthalten, die sich dazu verwenden lassen, die Photodiodenspannung zu erfassen. Bei der Verwendung eines Mikroprozessors für die Steuereinheit und den Signalmodulator kann ein Großteil der Funktionalität der Schaltungsanordnung in Software implementiert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform regelt die Steuereinheit das Ausgangssignal des Spannungsmodulators auf eine vorbestimmte Photodiodenspannung. Diese Ausführungsform bietet eine große Genauigkeit bei der Bestimmung des Photostroms.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Steuereinheit den Spannungsmodulator nur dann nach, wenn die Photodiodenspannung um ein vorbestimmtes Maß von einem vorgegebenen Sollwert abweicht. Da bei dieser Ausführungsform der Spannungsmodulator in der Regel nur selten nachgestellt werden muss, verkürzt sich die Reaktionszeit der Schaltungsanordnung bei kleinen Schwankungen des Photostroms erheblich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer Schaltung für eine Photodiode, in das die verwendeten Bauelemente eingetragen sind;

2 ein Schaltbild, in das die Funktion eines für die Schaltung aus 1 verwendeten Mikroprozessors im Einzelnen dargestellt ist; und

3 ein Kennlinienfeld einer für die Schaltung aus den 1 und 2 verwendbaren Photodiode, in das die Arbeitspunkte der Photodiode für unterschiedliche Bestrahlungsstärken eingetragen sind.

1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung 1, die dazu dient, die Strahlungsleistung von auf eine Photodiode 2 einfallender Strahlung zu bestimmen. Zu diesem Zweck weist die Schaltung 1 einen kostengünstigen Mikroprozessor 3 auf, der intern mit 8 Bit arbeitet und der an einem Ausgang 4 ein modulierbares Pulsbreitensignal ausgibt.

Das Pulsbreitensignal läuft über einen Tiefpassfilter 5. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tiefpassfilter 5 ein so genanntes T-Filter, das zwei Ohmsche Widerstände 6 und eine Kapazität 7 umfasst. Anstelle des Tiefpassfilters 5 können auch Filter höherer Ordnung verwendet werden, die jedoch nach Möglichkeit so dimensioniert sind, dass an einer Kathode 8 der Photodiode 2 möglichst auch dann nur ein Gleichspannungssignal anliegt, wenn die Pulsbreite des Pulsbreitensignals auf den kleinsten vorgesehenen Wert gesetzt ist.

Da eine Anode 9 der Photodiode 2 mit einer Masse 10 verbunden ist, ist die über die in Sperrrichtung gepolte Photodiode 2 abfallende Photodiodenspannung UD gleich der an der Kathode 8 anliegenden Spannung. Die an der Kathode 8 anliegende Spannung wird einem Impedanzwandler 11 zugeführt, dessen Ausgang einen Eingang 12 des Mikroprozessors 3 beaufschlagt. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ist dem Eingang 12 die Funktion eines Analog-Digital-Wandlers zugeordnet.

Das Tiefpassfilter 5, die Photodiode 2 und der Impedanzwandler 11 bilden ein Diodenmodul 13, das mehrfach vorhanden sein kann, um beispielsweise verschiedene Photodetektoren 14 eines Sonnensensors, die jeweils die Funktion einer Photodiode 1 aufweisen, auszulesen.

Die Schaltung 1 kann durch zusätzliche nützliche Komponenten ergänzt werden. Bei der Schaltung 1 aus 1 ist beispielsweise ein elektrisch löschbarer Festwertspeicher 15 (EEPROM) vorgesehen, der an einer seriellen peripheren Schnittstelle 16 (SPI) des Mikroprozessors 3 angeschlossen ist. Im Festwertspeicher 15 können die zum Betrieb des Mikroprozessors 3 erforderlichen Programme gespeichert werden.

An dem Mikroprozessor 3 ist ferner eine Sendeempfangseinheit 17 angeschlossen, die eine Kommunikation des Mikroprozessors 3 mit weiteren Geräten beispielsweise unter Verwendung des LIN-Protokolls erlaubt. Die Sendeempfangseinheit 17 ist über eine Datenleitung 18 und eine Weckleitung 19 mit dem Mikroprozessor 3 verbunden. Über die Weckleitung 19 kann der Mikroprozessor 3 die Sendeempfangseinheit 17 in einen zur Übermittlung von Daten bereiten Betriebszustand versetzen. Ein Sperrausgang 20 der Sendeempfangseinheit 17 dient unter anderem dazu, eine nicht dargestellte Stromversorgungseinheit zu steuern. Schließlich führt eine weitere Datenleitung 21 zu einem Datenanschluss 22, über den die Schaltung 1 von außen ansprechbar ist und über den von der Schaltung 1 gelieferte Daten entgegengenommen werden können.

Der Vollständigkeit halber ist in 1 auch ein gemeinsamer Masseanschluss 23 der Schaltung 1 dargestellt. Ein weiterer Batterieanschluss 24 dient dazu, die Schaltung 1 an eine Versorgungsspannung UBAT anzuschließen. Die über dem Batterieanschluss 24 eingespeiste Versorgungsspannung UBAT wird mit Hilfe von Zenerdioden 25, einem Kondensator 26, einem Elektrolytkondensator 27 und einem Spannungsregler 28 stabilisiert. Beim Hochfahren der Schaltung 1 setzt der Spannungsregler 28 über eine Rücksetzleitung 29 den Mikroprozessor 3 zurück. Über eine weitere Signalleitung 30 (LVD) zur Anzeige einer niedrigen Batteriespannung UBAT aufgrund eines niedrigen Ladezustands der Batterie kann der Mikroprozessor 3 dazu veranlasst werden, den Betrieb einzustellen und eventuell wichtige Registerinhalte im Festwertspeicher 15 zu sichern.

2 zeigt ein Blockdiagramm, in dem die Funktion des Mikroprozessors 3 im Einzelnen dargestellt ist.

Wie bereits erwähnt, führt der Eingang 12 des Mikroprozessors 3 zu einem Analog-Digital-Wandler 31, der die am Eingang 12 anliegende Diodenspannung UD in einen Spannungswert 32 wandelt, der in einem Subtrahierer 33 von einem Referenzwert 34 einer Referenzspannung US subtrahiert wird. Dadurch wird ein Differenzwert 35 erzeugt, der die Abweichung der Diodenspannung UD von der Referenzspannung US darstellt. Der Differenzwert 35 wird beispielsweise in ein Register 36 eines Pulsbreitenmodulators 37 übertragen. Der Pulsbreitenmodulator 37 stellt dann die Breite der am Ausgang 4 ausgegebenen Pulse entsprechend dem Inhalt des Registers 36 ein.

Das Register 36 des Pulsbreitenmodulators 37 kann beispielsweise 16 Bit breit sein. In diesem Fall weist die Schaltung 1 einen dynamischen Messbereich von etwa 1 : 6·104 auf.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist das Register 36 des Pulsbreitenmodulators 37 lediglich 8 Bit breit und wird jedes Mal inkrementiert oder dekrementiert, wenn der Differenzwert 35 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. In diesem Fall kann auch die Bit-Breite des Spannungswerts 32 auf 8 Bit begrenzt werden. Auch mit diesem Ausführungsbeispiel lässt sich ein dynamischer Messbereich von 1 : 105 erreichen.

Es sei angemerkt, dass die in 2 dargestellte Arbeitsweise des Mikroprozessors 3 der Funktion eines Proportionalreglers entspricht. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Mikroprozessor 3 jedoch auch die Funktion eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers übernehmen.

Als Maß für die Strahlungsleistung des auf die Photodiode 2 einfallende Lichts kann sowohl der Inhalt des Registers 36 des Pulsbreitenmodulators 37 als auch der Differenzwert 35 verwendet werden, wenn die Regelabweichung zwischen der Photodiodenspannung UD und der Referenzspannung US nicht auf Null geregelt wird.

3 zeigt schließlich ein Kennliniendiagramm einer für die Schaltung 1 verwendbaren Photodiode 2. In dem Kennliniendiagramm sind Arbeitspunkte 38 der Schaltung 1 für verschiedene Bestrahlungsstärken &PHgr; der Photodiode 2 eingezeichnet, die sich als Schnittpunkten der Kennlinien 39 mit einer durch die Referenzspannung US verlaufenden vertikalen Gerade 40 ergeben.

Die Schaltung 1 eignet sich insbesondere zum Betrieb von Photodetektoren 14, die sich in Sonnensensoren befinden. Derartige Sonnensensoren werden insbesondere zur Bestimmung der Bestrahlungsstärke von einfallendem Sonnenlicht und zur Bestimmung des Sonnenstands verwendet. Insbesondere, wenn derartige Sonnensensoren zur Steuerung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, muss die Schaltung 1 einen dynamischen Messbereich von wenigsten 1 : 104 aufweisen.

1Schaltung 2Photodiode 3Mikroprozessor 4Ausgang 5Tiefpassfilter 6Ohmscher Widerstand 7Kapazität 8Kathode 9Anode 10Masse 11Impedanzwandler 12Eingang 13Diodenmodul 14Photodetektor 15Festwertspeicher 16Schnittstelle 17Sendeempfangseinheit 18Datenleitung 19Weckleitung 20Sperrausgang 21Datenleitung 22Datenanschluss 23Masseanschluss 24Batterieanschluss 25Zenerdiode 26Kondensator 27Elektrolytkondensator 28Spannungsregler 29Rücksetzleitung 30Signalleitung 31Analog-Digital-Wandler 32Spannungswert 33Subtrahierer 34Referenzwert 35Differenzwert 36Register 37Pulsbreitenmodulator 38Arbeitspunkt 39Kennlinie 40Gerade

Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Strahlungsleistung von auf einer Photodiode (2) einfallenden Strahlung, die eine Kathode (8) der in Sperrrichtung gepolten Photodiode (2) mit einem Spannungssignal beaufschlagt und die eine über die Photodiode (2) abfallende Photodiodenspannung (UD) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (4) eines Spannungsmodulators (37) über einen Tiefpass (5) an die Kathode (8) der Photodiode (2) angeschlossen ist und dass eine Steuereinheit (31, 33) den Spannungsmodulator (37) in Abhängigkeit von der Photodiodenspannung (UD) mit Hilfe einer für die Bestimmung der Strahlungsleistung verwendbaren Stellgröße (35, 36) steuert.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (31, 33) und der Spannungsmodulator (37) in einem Mikroprozessor (3) implementiert sind.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmodulator (37) ein Pulsbreitenmodulator ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (31, 33) die Photodiodenspannung (UD) auf den Wert einer Referenzspannung (US) regelt.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert eines Registers (36) des Spannungsmodulators (37) zur Bestimmung der Strahlungsleistung der auf die Photodiode (2) einfallenden Strahlung auslesbar ist.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (31, 33) die Photodiodenspannung (UD) nachregelt, wenn die Abweichung der Photodiodenspannung (UD) von dem Wert einer Referenzspannung (US) um ein vorbestimmtes Maß abweicht.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert eines Registers (36) des Spannungsmodulators (37) zusammen mit einem Differenzwert (35), der die Abweichung der Photodiodenspannung (UD) von einer Referenzspannung (US) beschreibt, für die Bestimmung der Strahlungsleistung der auf die Photodiode (2) einfallenden Strahlung auslesbar ist.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen dynamischen Messbereich größer gleich 1 : 216 aufweist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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