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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Photodiode erzeugt Spannung


Autor: Marcus B. (xeed)
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Hallo,

kann mir jemand sagen, warum meine Photodiode eine Spannung erzeugt??? 
Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?

Danke schonmal für eure Hilfe!

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?
Und was passiert, wenn du diesen Strom über den Innenwiderstand des 
Messgerätes schickst? U=R*I, mit R=10M Ohm, was kommt dabei raus?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> kann mir jemand sagen, warum meine Photodiode eine Spannung erzeugt???
> Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?

Hallo Marcus,

den Strom erzeugt sie, wenn Du sie kurzschließt.

Gruß,
  Michael

Autor: Josef Huber (Gast)
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weil es sonst keine Fotodiode wäre. Aber linear zum Licht, ist nur der 
Strom bei Kurzschluss.

Autor: Route_66 (Gast)
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Der Photoeffekt wird sogar im großen ausgenutzt: Solarzellen.

Autor: Marcus B. (xeed)
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Lothar Miller schrieb:
>> Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?
> Und was passiert, wenn du diesen Strom über den Innenwiderstand des
> Messgerätes schickst? U=R*I, mit R=10M Ohm, was kommt dabei raus?

ah, genau!!! deswegen, okay! manchmal kommt man nicht aufs einfachste!

wenn ich zu der photodiode nun kein datenblatt habe, ist dann die 
annahme richtig, zu sagen, wenn auf dem messgerät was negatives steht, 
dann muss ich sie auch so anschließen? ich weiß ja ohne datenblatt 
sozusagen nicht, was die sperrrichtung ist!

Autor: MaWin (Gast)
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Einfach den Diodentest im Messgerät anwerfen,
eine Photodiode ist im dunklen ja zunächst mal eine normale Diode.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Marcus,

>wenn ich zu der photodiode nun kein datenblatt habe, ist dann die
>annahme richtig, zu sagen, wenn auf dem messgerät was negatives steht,
>dann muss ich sie auch so anschließen?

Wo mußt du denn die Fotodiode anschließen?

Kai Klaas

Autor: Tom (Gast)
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>kann mir jemand sagen, warum meine Photodiode eine Spannung erzeugt???
>Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?

Gehe zurück auf LOS, ziehe eine Tietze-Schenk ein, ein starte erneut. 
Wann kann ein Strom fließen? Welche Rolle spielt die Potentialdifferenz 
(aka Spannung) dabei?

Das sind die absoluten (absolutesten von mir aus) Grundlagen!

Autor: Marcus B. (xeed)
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Die Photodiode soll an einen Transimpedanzverstärker. Ich habe die 
richtige Photodiode da liegen, da diese aber ~20 Euro kostet, will ich 
die ungern zerstören.
Also habe ich in meinem Funduskoffer alte Photodioden gefunden. In 
diesem Koffer liegen natürlich keine Datenblätter. Deswegen stell ich 
mich da etwas schwer an.

Autor: Matthias W. (fralla)
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>Die Photodiode soll an einen Transimpedanzverstärker.
Jetzt weist du warum, der hat null Eingangswiderstand, also Kurzschluss, 
und erzeugt ein Strom-proportionale Spannung. (ideal gesehen)

MFG

Autor: Christian Funke (funke)
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Jede Diode ist eine Fotodiode, nur sind die anderen halt gut gegen Licht 
geschützt. Eine Fotodiode wird generell in Sperrichtung betrieben. In 
Durchlassrichtung funtkioniert sie wie eine Solarzelle mit einer 
Ausgangsspannung von bis zu 0,7V.
Und die Sperrichtung kannst du einfach ermitteln, indem du sie an einen 
Diodentester klemmst und dabei den Finger drauf hälst.
Nicht böse sein, aber das hab ich, aus Spaß, in 2 Minuten alles 
ergoogelt.
Wobei ich persönlich Fachbücher vorziehe.

Autor: Anatomiker (Gast)
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> und dabei den Finger drauf hälst

da halst du Marcus B. viel zu

was hat das mit dem Hals zu tun?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Marcus,

>kann mir jemand sagen, warum meine Photodiode eine Spannung erzeugt???
>Ich dachte eine Photodiode erzeugt einen kleinen negativen Strom?

Eine Photodiode besteht wie jede andere Diode auch aus zwei 
unterschiedlich dotierten Hälften, "p" (Anode) und "n" (Kathode). Im 
Kontaktbereich kommt es durch Rekombination zur Ausbildung einer 
Raumladungszone, die frei ist von beweglichen Ladungsträgern, und vor 
allem zur Ausbildung eines "Gegenfeldes" (Antidiffusionsspannung). Bei 
einer Diode setzt daher erst ein Stromfluß ein, wenn man an die Anode 
ein Potential anschließt, das um die Antidiffusionsspannung größer ist 
als das Potential an der Kathode.

Bei einer Fotodiode kommt es durch Bestrahlung in der Raumladungszone zu 
freien Ladungsträgern, die im "Gegenfeld" sortiert werden. Deswegen 
werden die Elektronen in den n-Bereich gedrückt und die Löcher in den 
p-Bereich. An den Kontakten kann also eine Spannung abgegriffen werden, 
die an der Anode positiver ist als an der Kathode. Gleichzeitg, kann der 
Fotostrom, der aus der Anode heraus und in die Kathode hinein fließt 
(technische Stromrichtung) an einem äußeren Verbraucher Leistung 
umsetzen.
Wie bei einer gewöhnliche Spannungsquelle auch, fließt der Fotostrom 
intern aber von der Kathode zur Anode.

>Die Photodiode soll an einen Transimpedanzverstärker.

Die Fotodiode kann man dort gewöhnlich in beiden Richtungen einsetzen, 
je nachdem, ob die Ausgangsspannung positiv oder negativ sein soll. Wenn 
du bei einem gewöhnlichen Transimpedanzverstärker die Anode an Masse 
hängst und die Kathode an den Eingang, dann fließt bei Bestrahlung in 
der Fotodiode ein Fotostrom von der Kathode zur Anode, und da der 
Transimpedanzverstärker die Kathode virtuell auf Masse halten will, muß 
er dazu einen Strom in Höhe des Fotostroms in die Fotodiode schicken, 
der gleichzeitig über den Gegenkopplungswiderstand zwischen 
invertierendem Eingang und Ausgang des Transimpedanzverstärkers fließt 
und am Ausgang eine positive Spannung verursacht.

>Jetzt weist du warum, der hat null Eingangswiderstand, also Kurzschluss,
>und erzeugt ein Strom-proportionale Spannung. (ideal gesehen)

Der Sinn des Transimpedanzverstärkers ist zweierlei:

1. Bestrahlt man eine Fotodiode mit Licht, werden in der Raumladungszone 
freie Ladungsträger erzeugt, die im "Gegenfeld" sortiert werden und zu 
den entsprechenden Anschlüssen gedrückt werden. An den Anschlüssen 
bildet sich also eine Spannung. Die Folge davon ist ein elektrisches 
Feld, daß nun seinerseits das "Gegenfeld" schwächt und eine 
Verkleinerung der Raumladungszone zur Folge hat. Damit sinkt aber der 
Wirkungsgrad der Fotodiode, weil nicht mehr alle Lichtquanten zum 
Fotostrom beitragen können. Nur die Photonen, die in der Raumladungszone 
Ladungsträger erzeugen, tragen zum Fotostrom bei. Anwendungen, bei denen 
mit Hilfe von Fotodioden beispielsweise Beleuchtungstärken gemessen 
werden sollen, würden unter dem schwankenden Wirkungsgrad sehr leiden. 
Deswegen verwendet man Meßschaltungen, die die Spannung über der 
Fotodiode auf 0V zwingen. Man wird dafür belohnt mit einer 
hervorragenden Linearität der Fotodiode.

2. Es gibt Meßanwendungen, bei denen eine Fotodiode AC-Komponenten 
liefert. Aufgrund der Detektorkapazität könnten Streu- und 
Schaltungskapazitäten die Messung erheblich beeinflussen und stören. Ein 
Transimpedanzverstärker löst auch dieses Problem. Da der Eingang 
virtuell auf Masse liegt und die an der Fotodiode anliegende Spannung 
daher 0V ist, können auch keine Streu- und Schaltungskapazitäten geladen 
werden. Der Einfluß dieser Kapazitäten wird damit nahezu bedeutungslos.

Die Polarität einer Fotodiode kannst du mit einer Spannungsmessung bei 
Bestrahlung bestimmen oder mit einem Diodentester (bei abgedunkelter 
Fotodiode). Bei Bestrahlung ist die Spannung an der Anode positiver als 
an der Kathode. Und beim Diodentest verhält sie sich wie eine normale 
Diode.

>Jede Diode ist eine Fotodiode, nur sind die anderen halt gut gegen Licht
>geschützt.

Oder auch nicht! Bei den Glaskörperdioden kann sich der Sperrstrom 
drastisch mit Bestrahlung erhöhen. Nicht nur sichtbares Licht ist hier 
kritisch, sondern auch unsichtbare Wärmestrahlung. In Schaltungen, bei 
denen dieser Sperrstrom kritisch ist, muß man die Dioden gegen 
Bestrahlung schützen oder besser Glaskörperdioden meiden.

Kai Klaas

Autor: Christian Funke (funke)
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@Kai
Ich schrieb gut, nicht komplett geschützt. Gut bedeutet das es noch 
besser geht.

Ich wollte nur zum Ausdruck bringen das pn-Übergänge immer 
lichtempfindlich sind, fotoelektrischer Effekt, nur das Fotohalbleiter 
besonders ausgeprägt sind (z.B. Wellenlänge des Lichtes) in ihren 
Eigenschaften und normale Halbleiter eben geschützt werden.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Christian,

>Ich schrieb gut, nicht komplett geschützt. Gut bedeutet das es noch
>besser geht.

Ich wollte lediglich unterstreichen und ergänzen, was du geschrieben 
hast. Daß nämlich jede pn-Diode eine Fotodiode ist, ist vollkommen 
richtig!

Kai Klaas

Autor: Christian Funke (funke)
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@Kai
Gut, wär das ja geklärt ;-)

Wäre übrigens toll wenn man erfahren würde wie Stand der Dinge ist 
Marcus B.!

Autor: Marcus B. (xeed)
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okay, die photodiode funktioniert und es ist möglich die richtung raus 
zubekommen. lt. multimeter funktioniert sogar der belichtungseffekt, 
sobald ich es etwas heller mache, dann habe ich auch mehr spannung :-) 
quasi genau so wie es sein soll. jedoch zeigt die diode an meiner 
schaltung nicht das gewünschte ergebniss. am ende kommen 4 V raus. 
jedoch erfolgt keine änderung des ergebniss, wenn ich die diode abdunkle 
oder beleuchte! das kann aber daran liegen, dass ich die schaltung für 
eine andere photodiode erstellt habe.

kritik, anregungen und vorschläge sind gern willkommen!

Autor: Christian Funke (funke)
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Evtl. ein Schaltplan? Was misst du den direkt an der Photodiode wenn sie 
eingebaut ist?

Autor: Marcus B. (xeed)
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wenn die diode an der schaltung hängt, kann ich ~ 1,2 V messen. und am 
ausgang liegen dann ~ 4 V an.

zur schaltung sei gesagt, dass ich nen transimpedanzverstärker habe und 
dann noch 2 invertierende verstärkerstufen.

Autor: Christian Funke (funke)
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Welche Eingangsspannung hat dein Transimpedanzverstärker? Nicht zufällig 
5V oder? Und wie hoch ist der Widerstand? Nicht das du im vollen 
Aussteuerbereich arbeitest.

Autor: Marcus B. (xeed)
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Ja der Transimpedanzverstärker erhält 5 V und der widerstand beträgt 
390kOhm. Ich glaube das Problem ist, dass die gesamte 
Verstärkerschaltung auf einen anderen Photodiodentyp ausgelegt ist. 
Deswegen wird sie nicht korrekt funktionieren. Ich möchte aber ungern 
die Original-Diode dafür verwenden. Sie ist einfach recht teuer!

Danke für die Hinweise und Antworten!

Autor: Christian Funke (funke)
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390k!?! Oha, dann ist der Fehler klar bei 5V. Da dürften durch die 
Photodiode nur noch max. 10µA fließen. Setz mal den Widerstand geringer, 
z.B. 100k. Dann dürftest du auch Änderungen warnhemen können. Natürlich, 
wie du schon indirekt gesagt hast, abhängig von der Fotodiode. Z.B. eine 
BPW 34S erzeugt bei 500Lux (Ungefähr Zimmerbeleuchtung) schon 25µA.
U=R*I = 390k * 25µA =9,75V!
Also, Widerstand ändern, Prinzip sollte aber klappen!!
Halt uns auf dem laufenden...

Autor: Marcus B. (xeed)
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Okay, dankeschön für deine Hilfe und Lösungsansätze!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Marcus,

ein Schaltplan wäre jetzt überaus hilfreich...

Kai Klaas

Autor: Christian Funke (funke)
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Und der Photodiodentyp, sowohl von der teuren als auch von der 
Testdiode!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Marcus,

es gibt verschiedene Möglichkeiten. Zur genauen Analyse brauchen wir 
unbedingt einen Schaltplan und folgende Angaben:

- Verwendest Du Entstörkondensatoren für die Versorgungsspannung in
  unmittelbarer Nähe des OPV? (Empfehlung: ja, solltest Du unbedingt, 
sonst
  kann es nicht klappen)
- Ist der OPV ein sogenannter "Rail-to-Rail"-Typ.
  (Wenn nein, +/- Spannungsversorgung wählen, beispielsweise +/-7V)
- Ist die Photodiode richtig herum gepolt.
  Damit die Schaltung bei einer 5V/0V-Versorgung funktioniert, muß der
  Diodenpfeil auf den (-)Eingang zeigen.
- Hast Du einen kleinen Kondensator parallel zum Rückkopplungswiderstand
  geschaltet. (Sollte sein.)


Gruß,
  Michael

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