Photochopper

Ein Photochopper ist eine optoelektronische Schaltung, die einen konstanten Gleichstromeingang nimmt und ihn mit hoher Geschwindigkeit in ein wechselndes oder gepulstes Signal im Kilohertz- bis Megahertzbereich umwandelt. Das Gerät unterrichtet dies, indem es einen Lichtstrahl mechanisch oder elektronisch mit hoher Geschwindigkeit unterbricht, wobei eine Photodiode oder ein Fotovervielfacher die Unterbrechungen erfasst und das Signal regeneriert. Das Ergebnis ist ein Rechteck- oder gehacktes Signal, das nachgelagert verstärkt, gefiltert oder demoduliert werden kann.

Der klassische mechanische Photochopper verwendet eine rotierende Scheibe oder eine Stimmgabel mit undurchsichtigen und transparenten Abschnitten, die das Licht einer Lampe vor einem Fotodetektor abwechselnd blockieren. Die Scheibendrehzahl bestimmt die Chopperfrequenz. Moderne Halbleiterversionen ersetzen das mechanische Element durch eine Leuchtdiode (LED), die elektronisch ein- und ausschaltet, oder einen Halbleiterlichtmodulator. Beide Ansätze entkoppeln den langsam schwankenden Gleichstromeintrag von hochfrequenten Detektionsschaltungen, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und Wechselstromverstärkung ermöglicht, bei der eine Gleichstromverstärkung driften oder ausfallen würde.

Photochopper erscheinen häufig in Präzisionsinstrumenten: Synchrondetektoren verwenden sie, um schwache, im Rauschen begrabene Signale zu modulieren und zu demodulieren, während optische Messsysteme sie nutzen, um Wechselkomponenten aus Photodiodensignalen ohne Verluste durch kapazitive Kopplung zu extrahieren. Medizinische Geräte und Analyseinstrumente verwenden Photochopper auch, um Messsignale vom Gleichstromhintergrund und von Temperaturdrift zu trennen. Das Verfahren ist besonders wertvoll, wenn die Eingangsimpedanz sehr hoch ist oder wenn Kondensatoren nicht verwendet werden können.

Verschleiß und Einschränkungen

Mechanische Photochopper leiden unter Lagerverschleiß, Staubverschmutzung des optischen Strahlengangs und Drehzahlinstabilität, wenn die Motoransteuerung verrauscht ist. Die Synchronisierung mit externen Schaltungen erfordert sorgfältige Abstimmung der Chopperfrequenz. Halbleiterversionen vermeiden diese mechanischen Probleme, führen aber Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit in der LED oder dem Modulator ein, und die Schaltgeschwindigkeit setzt eine harte Obergrenze für die erreichbare Frequenz. Fehler im Tastgrad (ungleiche Ein- und Ausschaltzeiten) beschädigen die Ausgangssymmetrie und führen zu harmonischen Verzerrungen.

Der Begriff Photochopper spiegelt seine duale Natur wider: Er ist grundsätzlich ein Chopper (eine Schaltung, die ein Signal schaltet), implementiert mit Photonik (der Fotodetektor und die Lichtquelle). In älterer Fachliteratur kann er als Optical Chopper oder Photomultiplier Chopper erscheinen, wenn ein Fotovervielfacher das Sensorelement ist. Das Gerät liegt an der Grenze zwischen mechanischer und elektronischer Messtechnik, und moderne Entwürfe tendieren zu vollständig elektronischen Implementierungen, bei denen das optische Element zu einem nebensächlichen Detail des Schaltmechanismus wird.