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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik SF203 + OPV = ?


Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo zusammen,

ich habe ein Problem beim Aufbau eines Transimpendanzverstärkers zum 
Erfassen der Lichtintensität an einer SF203 Fotodiode. Im Grunde muss 
ich nur das (sichtbare) Aufblitzen einer LED erfassen, die, gegen 
Streulicht abgeschirmt, mit der SF203 optisch verbunden ist. Über die 
Länge der "Blitzdauer" habe ich noch keine weiteren Informationen.
Ich kann mir denken, dass man dieses Problem bei den verlangten 
Frequenzen (max. ~150 Hz) auch mit Fototransistor oder LDR lösen kann, 
allerdings habe ich mich jetzt an der Thematik festgebissen und möchte 
nun auch wissen wo mein Denkfehler ist.

Aufgebaut habe ich einen Transimpedanzwandler, so wie er in Wikipedia 
beschrieben ist. Die Wandlung sollte bei einem Photostrom >5µA eine 
Ausgangsspannung >2V liefern. Dies ist wichtig für den nachgeschalteten 
Schmitt-Trigger (LS7414). Bei den gegebenen Werten habe ich den 
Widerstand R zu R = U / |I| = 2V/5µA = 400k berechnet. Ich habe die 
Schaltung so aufgebaut, dass der OPV mit einer asymetrischen 
Versorgungsspanung auskommen muss. Dies sollte m.E. für diesen 
Anwendungsfall auch möglich sein.
Als OPV hatte ich zuerst den Urahn 741 eingesetzt, dieser hat allerdings 
eine doch recht kleinen Eingangsimpedanz. Daher habe dann aber auch mal 
andere Typen (TL061, TL071, TL081) ausprobiert. Das Problem ist jetzt 
allerdings, dass die Ausgangsspannung des OPV sich nicht in Abhängigkeit 
des Photostroms ändert. Sobald (+) des OPV an GND liegt, geht der 
OPV-Ausgang auf Vmax (ca. 4,3V). Eine Änderung der Beleuchtungsstärke 
(und somit des Spannungsfalls an R) ändert daran nichts.

Im Internet habe ich zahlreiche verschiedenen OPV-Schaltungen gefunden 
und habe testhalber mit denselben Bauteilen mal Spannungsfolger etc. 
aufgebaut und alle funktionieren. Allerdings habe ich noch nirgendwo 
eine (funktionierende) Schaltung mit einem Transimpedanzverstärker und 
einer Photodiode gefunden, die für einen konkreten Anwendungsfalls 
konstruiert war. Hat da mal jemand eine Quelle? Ich stelle mir vor, dass 
dies eigentlich eine Standardschaltung sein sollte, da doch praktisch 
jeder IR-Empfänger für die Fernbedienungen so funktionieren sollte.

So, jetzt habe ich viel geschrieben und hoffe, dass mir evtl. jemand mit 
einer konkreten Schaltung helfen kann oder mir noch einen entscheidenden 
Hinweis zum Aufbau geben kann. Was z.B. darf/muss ich mit den 
Offset-Eingängen machen? Ich habe irgendwo (Franzis Werkbuch?) gelesen, 
dass man die unbeschaltet lassen darf.
Ich verstehe auch schon nicht so wirklich warum OUT gegen 4,3V geht, 
wenn (+) an GND angeschlossen wird. Die Spannung an (+) ist doch 
definitiv niedriger als an (-), selbst wenn dieser offen ist. Also 
sollte der OPV die Spannung an OUT doch verringern? Oder muss ich die 
Spannung an (+) oder (-) zu einem anderen Bezugspotenzial als GND sehen?

Es dankt herzlich
Marcel

: Verschoben durch Admin
Autor: Wilhelm F. (ferkes-willem)
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Marcel Sz schrieb:

>Daher habe dann aber auch mal andere Typen (TL061, TL071, TL081)
>ausprobiert. Das Problem ist jetzt allerdings, dass die
>Ausgangsspannung des OPV sich nicht in Abhängigkeit des
>Photostroms ändert. Sobald (+) des OPV an GND liegt, geht der
>OPV-Ausgang auf Vmax (ca. 4,3V).

Das riecht stark nach einer einzigen 5V-Betriebsspannung für den OP.

Laut Datenblatt muß man die TL0xx mit mindestens +/-3,5V betreiben, oder 
7V pos. Spannung auf Masse bezogen.

Transimpedanzwandler und Fotodiode sind ausgezeichnet z.B. in Wikipedia 
beschrieben. Den positiven Input des OP würde ich zum Test mal etwa in 
die Mitte der Versorgungsspannungen legen.

Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo!

Ich werde das mal testen. Den Wiki-Artikel kenne ich und ich habe auch 
danach aufgebaut. Du hast völlig recht: Ich betreibe den OPV mit nur 
einer Betriebsspannung von 5V. Aber auch dies sollte lt. Wiki gehen:

Zitat Anfang:
Im Quasikurzschluss betriebene Fotodioden werden üblicherweise mit ihrer 
Kathode an den Eingang und mit der Anode an Masse angeschlossen, sodass 
sich bei Lichteinfall eine positive Ausgangsspannung ergibt und der OPV 
zudem meist keine symmetrische Betriebsspannung benötigt.
Zitat Ende.

Viele Grüße
Marcel

Autor: Jens G. (jensig)
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>danach aufgebaut. Du hast völlig recht: Ich betreibe den OPV mit nur
>einer Betriebsspannung von 5V. Aber auch dies sollte lt. Wiki gehen:

Nein nein - doch nicht nach Wiki bauen. Wiki gibt allgemeine Infos, 
schön  detailiert, aber es gibt doch keine Infos über konkrete Bauteile 
ab ...
5V vertragen etliche OPV's, aber nicht alle. Da musste mal in deren 
Datenblätter schauen, mit welchen Grenz/Kennwerten die arbeiten 
(können).
Die 5V kann also Wiki nicht einfach so festlegen ...

Autor: Wilhelm F. (ferkes-willem)
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Die TL071 spielen erst richtig ab 7V Betriebsspannung laut Datenblatt. 
Grundsätzlich ist deine OP-Wahl ja gut, da der einen FET-Input mit 
niedrigen Verlustströmen hat. Das ist bei den niedrigen Strömen der 
Fotodiode nicht ganz unwichtig.

Ein CA3140 würde evtl. gehen, das ist ein verbesserter 741 mit 
FET-Inputs, der gerade noch mit 5V geht. Ein CA3160 hat MOSFET-Inputs 
und Outputs, und arbeitet auch mit 5V. Ich bin aber nicht auf dem 
neuesten Stand. Mittlerweile gibt es eine Menge OP, die auch mit 3,3V 
und Rail-to-Rail arbeiten. Das braucht man aber hier wohl nicht.

Der Transimpedanzverstärker an sich, wird kein Problem sein.

Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo zusammen,

erst einmal herzlichen Dank für die Antworten.

Ich habe ja echt viel getestet in den letzten Tagen, aber die Höhe der 
Versorgungsspannung habe ich nicht berücksichtigt. Das ist echt ein 
guter Hinweis und vermutlich die Lösung des Problems.

@Jens: Naja, ich meine, dass ich mir die generellen Infos von Wiki 
besorgt habe. Über konkrete Schaltungsaufbauten machen die ja auch keine 
Aussagen. Dort steht halt nur, dass Rail-to-Rail mit Photodioden im 
Allgemeinen funktionieren sollte. Nur habe ich als TTL-Bastler so schön 
fest an 5V geglaubt.

Also werde ich mir mal einen OPV heraussuchen, der mit 5V auskommt oder 
"irgendwie" aus meinen 5V ~10V machen.

Vielen Dank erst einmal!
Marcel

Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo!

Ich habe mir die Datenblätter des TL071 und des CA3140 noch einmal 
angesehen. Wo finde ich den Hinweis, ab welcher Mindestspannung die OPV 
funktionieren? Die absoluten Maximalwerte sind ja angegeben, aber die 
Mindestwerte habe ich nicht gesehen. Die einzige verwertbare Info finde 
ich bei den Testconditions, da dort beim CA340 5V/0V als Supply 
angegeben sind, also sollte das schon einmal klappen.
Kann ich die Mindestwerte aus den anderen Werten ableiten?

Vielen Dank
Marcel

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Mindest-Versorgungsspannung ist wirklich in manchen Datenblättern 
nicht expizit angegeben.  Man muß sie sich dann ableiten oder aus Kurven 
ablesen.
Ein Anhaltspunkt sind kurven wo die Eigenschaften als Funktion der 
Spannung angegeben sind. Wenn die Stromaufnahme unter einer gewisscen 
Spannung stark abnimmt ist das ein Zeichen: hier ist Schluß. Auch die 
anderen Kruven werden nur da Werte geben wo es geht.

Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo!

Ich habe mit +/-5V und einem TL071 getestet: Es funktioniert. Ich werde 
mir einen Spannungsinverter besorgen (habe nur +5V am USB Anschluss), 
dann sollte alles klappen.

Herzlichen Dank für die Hilfe!
Marcel

Autor: Marcel S. (marcel_74)
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Hallo!

Ich habe die Schaltung heute um einen ICL7660 Spannungsinverter 
erweitert. Seitdem funktioniert sie einwandfrei. Den Widerstand habe ich 
bei der Gelegenheit noch durch ein 1M Trimmpoti ersetzt (freies Ende mit 
Schleifer verbunden) um die Ausgangsspannung des OPV noch beinflussen zu 
können. So kann ich dann versuchen die Spannung so zu "schieben", dass 
der notwendige Hell-/Dunkelübergang einigermaßen zur Schalthystere des 
7414 passt. An dieser kann ich am 7414 ja leider nichts mehr ändern. 
Dies ist aber bei meinem Aufbau sowieso unproblematisch, da im 
Dunkelfall kaum Streulicht etc. auf die Photdiode fallen wird.

Ich möchte mich herzlich bei Ulrich, Jens und Wilhelm bedanken. Ohne 
Eure Hilfe wäre die Schaltung sicher noch nicht fertig und ich würde den 
Fehler in der Spannungsversorgung immer noch suchen. Danke!


Viele Grüße
Marcel

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