Hallo, ich sitze gerade vor einem Problem, bei dem ich nicht weiter komme. Ich soll eine LED (Uf ca 2V) mit einer Frequenz von mindestens 1MHz schalten, um ein digitales Signal zu senden. Bis klappt das brauchbar mit einem kleinen FET (siehe 1) Nun habe ich aber die Aufgabe, dass die Sende- und später die Empfangslatenz gegen Null gehen soll. Da der HC125 nur einen geringen Strom liefert ist die Ladezeit des Gates recht hoch.Z.Zt. rechne ich da laut Oszi mit ca. 50-60ns Verzug durch die Gateladekurve. Mein Ziel wäre es, eine möglichst steile Schaltflanke für die LED zu bekommen, die mit minimalem Zeitverzug auf das Steuersignal an der Basis folg. Daher die Idee, einfach einen BC337-40 (25) oder BC547 C (B) NPN-Transistor im Kollektorschaltung zu betreiben (siehe Bild 2). Wie sich heute zeigte klappt das aber nur bis ca.50kHz ganz gut und das Emitterpotential sank wieder gegen Null. Bei höheren Frequenzen geht der Emitter immer weniger in Richtung Grundpotential.Bei 1MHz.ist es soweit, dass am Emitter nur noch auf ca.4,3V liegt, die LED nicht mehr erlischt. Wie kann ich diese Sättigung verhindern? Wie bekomme ich den Transistor schneller wieder gesperrt? Wie kurze Schaltzeiten sind realistisch bei einem Strom Ice von va. 5-10mA? Ich wäre für jeden Tipp dankbar. Gruß Mike
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Dein "kleiner FET" ist hoffentlich kein JFET wie gezeichnet, sondern ein MOSFET. Nimm mal statt dem LS125 (dessen OE keinerlei Sinn macht) einen HC04 und lass in beiden Fällen R7 weg. Der Trick wäre wohl bei beiden Schaltungen, den Transistor die LED nicht ganz ausschalten zu lassen, sondern knapp unter der Helligkeit zu halten, die für den Empfänger ein sicheres logisch 0 bedeutet.
Hallo MaWin, das JFet-Symbol sollte das N-Mos-Symbol sein. Leider habe ich auf diesem Rechner nur eine KiCad-Version von 2008. Da sah das Symbol noch so aus. Ich bin auf den HC125 angewiesen, da dieser an eine Busstruktur angeschlossen ist. Die Zeichnung ist nur ein Ausschnitt. Ein uC steuert die OE an und dann machen sie sehr wohl Sinn :) Es geht mir darum herauszufinden, wie ich den Transistor Beine machen kann, so dass dieser schneller wird. Alternativen zu diesem Transistortypen wären mir auch sehr recht. Laut LTSpice sollte gerade der 547 eine saubere und sehr zeitnahe (ca. 4-5ns) Schaltung durchführen. In Praxis tut er das aber nicht. Mit Gruß Mike
Ach ja... R7 weglassen. Hatte ich mir auch überlegt. Die habe ich nur zur Sicherheit drin. Da der HC125 sowieso nur 20mA liefern können soll, ist er und nicht der Widerstand das strombeschränkende Bauteil. Beim Emitterfolger soll der Ibe gerade mal um 2 uA betragen. Auch hier wäre ein Weglassen wahrscheinlich nicht entscheidend. Aber ich werde es versuchen. Gruß Mike
Die Variante für Faule: lass den Transistor weg und schliess Widerstand plus LED direkt an den Ausgang Deines Logikgatters an. Wenn der Strom nicht reicht, kannst Du mehrere Module des ICs parallel schalten oder auf HC- (ca. 4 mA pro Ausgang) oder gar AC-Logik (ca. 20 mA pro Ausgang) wechseln. Bei der FET-Variante: Gate-Widerstand runter, so auf 2-10 Ohm. Und nen stärkerer Teiber, auch hier entweder mehrere Module eines 74HC parallel oder gleich nen 74AC. Letzteres ist bei nem kleinen FET aber vielleicht etwas übertrieben. Wenn Du den Bipolartransistor weiter verwenden möchtest: setze nen kleinen Kondensator (probier mal so 470pF bis einstellige nF) parallel zum Basiswiderstand des Transistors. Ansonsten das was MaWin gesagt hat: nie ganz abschalten, es muß immer ein minimaler Strom durch Transistor und LED fliessen. Dann kannst Du schneller an- und abschalten.
Hallo, wenn man eine LED sehr schnell ein- und ausschalten möchte sollte man die LED nie ganz abschalten. Stark vereinfacht ausgedrückt: Es ist nicht nötig die LED-Kennlinien jedesmal von 0 mA bis 40 mA zu durchlaufen. Der Weg von 1 mA bis 40 mA ist "wesentlich kürzer" (Dioden Kennlinie). Des Weiteren ist es sinnvoll die LED beim Einschalten zu übersteuern (Stichwort: "Peaking"). "Last but not least" spielt natürlich auch die (optische) Bandbreite der LED eine große Rolle. Wenn auch schon etwas älter, zum Einlesen jedoch recht interessant ist die Application Note von Avago (vormals HP): "Low Cost Fiber Optic Links for Digital Applications up to 155 MBd (Application Bulletin 78)" http://www.avagotech.com/docs/5965-6005E Mit freundlichen Grüßen Guido
Hallo Guido, das ist ja ein Superdokument. Das werde ich morgen gleich zum Frühstück studieren. Hast du noch weitere Links in dieser Richtung? Ich scheitere nämlich schön regelmäßig bei 2-3MHz mit den normal bekannten Methoden und habe schon manche Bibliothek nach Hochgeschwindigkeitsoptosendern- und empfängern durchsucht. Meist war 1MHz bereits eine magische Grenze oder es wurde sich um konkrete Schaltungen gedrückt. Das ist genau die Richtung die ich suche. ECL... heiß und .... bekomme ich solche Steine überhaupt im regulären Handel? Muss ich morgen auch gleich recherchieren. Um auf die obigen Schaltungen zurück zu kommen: D.h., dass ich die BE-Strecke immer vorgespannt lassen sollte mit etwa Ubasis >= Uforwarddiode +Ube? Da ich einen TTL-Bus habe, brauche ich eine DC-Kopplung zum Transistor. Wie würdet ihr das machen? Querstrom an der Basis durch einen Spannungsteiler an VCC und GND und dann mit einer schnellen Diode das TTL-Signal an die vorgespannte Basis legen? Mit vielem Dank und Gruß Mike
@ Mike (Gast) >Ich soll eine LED (Uf ca 2V) mit einer Frequenz von mindestens 1MHz >schalten, Eher langsam. >um ein digitales Signal zu senden. Bis klappt das brauchbar >mit einem kleinen FET (siehe 1) Mit 100 Ohm Angstwiderstand. Der ist überflüssig bis kontraproduktiv. >Empfangslatenz gegen Null gehen soll. Da der HC125 nur einen geringen >Strom liefert Nö, dem kann man schon 20mA abverlangen, auch wenn dann die Ausgangsspannung leicht einbricht. HC Schaltkrerise haben um die 30-50 Ohm Ausgangswiderstand. >bekommen, die mit minimalem Zeitverzug auf das Steuersignal an der Basis >folg. Wie bereits gesagt, kann das der 74HC125 allein. > Daher die Idee, einfach einen BC337-40 (25) oder BC547 C (B) >NPN-Transistor im Kollektorschaltung zu betreiben (siehe Bild 2). Geht auch. >sich heute zeigte klappt das aber nur bis ca.50kHz ganz gut und das >Emitterpotential sank wieder gegen Null. Bei höheren Frequenzen geht der >Emitter immer weniger in Richtung Grundpotential.Bei 1MHz.ist es soweit, >dass am Emitter nur noch auf ca.4,3V liegt, Ja. > die LED nicht mehr erlischt Falsch! Die Spannung am Emitter liegt vielleicht noch auf 4,3V, d.h. aber nicht, dass die LED noch Strom bekommt. Denn deine Kollektorschaltung ist eine Ein-Quadrantenschaltung, die nur Strom in die LED pumpen kann, aber NICHT die parasitären Kapazitäten entladen kann. Wie auch? Durch die gesperrte Basis? Eher nicht. Ausserdem muss der Basiswiderstand raus, der ist hier unnötig bis kontraproduktiv. Wenn du wissen willst, ob die LED WIRKLICH Strom bekommt und damit leuchtet, musst du einfach die LED und R in der Reihenfolge tauschen und den Spannungsabfall über dem Widerstand gegen Masse messen. Damit hat man einen deutlich besseren Messwert für den Zustand der LED. (Jaja, ich weiß, die parasitäre Kapazität der LED spuckt hier ein bisschen in die Suppe, aber für's Erste ist das OK bei 1 MHz). >Wie kann ich diese Sättigung verhindern? Da sättigt nicht, es wird nur nicht entladen. Das ist aber eher unkritisch. Im Zweifelsfall schließt man 1K parallel zu deiner LED an, der entlädt die paar pF. Ist aber eher eine Schönheitskorrektur >schneller wieder gesperrt? Wie kurze Schaltzeiten sind realistisch bei >einem Strom Ice von va. 5-10mA? Hmmm, 20-50ns sollten machbar sein, ggf. weniger.
Hallo Falk, Das mit dem Reihenwiderstand bei der LED ist ein guter Vorschlag.Daran hatte ich gestern nicht gedacht. so wird die Strecke zwischen LED-Anode und Transistoremitter auf konstantem Spannungsniveau gehalten.Da sehe ich nix. Ich werde das umbauen und testen. Ebenso den Angstwiderstand entfernen. Die LED-Widerstandsschaltung sehe ich dann für nicht notwendig an. Sehr fein. Die Schaltzeiten von 20-50ns schaffe ich mit dem Mosfet bereits jetzt. Daher scheint die Kollektorschaltung wohl keine echten Vorteile zu bringen, oder? Die schnellste Ansteuerung scheint wohl direkt aus einem Logikgatter erfolgen zu können. Oder siehst du da noch eine schnellere/bessere Möglichkeit? Vielen Dankund mit Gruß Mike
@ Mike (Gast) >Die Schaltzeiten von 20-50ns schaffe ich mit dem Mosfet bereits jetzt. >Daher scheint die Kollektorschaltung wohl keine echten Vorteile zu >bringen, oder? Oder. Wie misst du denn? Hoffentlich mit einem 10:1 Tastkopf und eniem ausreichend schnellen Oszilloskop, so 50 MHz++.
Hallo Mike, Mike schrieb: > ECL... heiß und .... bekomme ich solche Steine überhaupt im regulären > Handel? Muss ich morgen auch gleich recherchieren. Auf ECL musst Du nicht umsteigen. In dem von mir verlinkten Dokument "Low Cost Fiber Optic Links for Digital Applications up to 155 MBd (Application Bulletin 78)" sind der optische Sender und der Empfänger so aufgebaut, dass sie auf der elektrischen Seite mit ECL-Signalen arbeiten. Die eigentliche Ansteuerung der LED erfolgt nicht mit ECL-Gattern. Für das Grundverständnis auch ganz nützlich ist das Script zur Lehrveranstaltung "Analoge und Digitale Schaltungen" der Technischen Universität Ilmenau. Du kannst das Skript hier http://www.tu-ilmenau.de/mhe/lehre/analoge-und-digitale-schaltungen/ herunterladen. Das Kapitel "8.4.2 Ansteuerung von LED in optischen Sendern" ist in Deinem Fall von Interesse. Für die Realisierung einer einfachen Ansteuerschaltung kann ich dir noch das Datenblatt der LED L9534 von Hamamatsu Photonics empfehlen. Die LED L9534 wird meines Wissens nicht mehr produziert. Du solltest die Infos jedoch auch in Datenblätter der Nachfolgemodelle finden. http://jp.hamamatsu.com/search/cs.html?charset=utf-8&url=http%3A//jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/l9534_kled1051e01.pdf&qt=l9534&col=en&n=1&la=en Mit freundlichen Grüßen Guido
Hallo, @Falk: ja, ich messe über 10:1 Tastköpfe und das mir zur Verfügung stehende Oszi ist hinreichend schnell. @Guido: ich werde weiter lesen. Vielen Dank für deine Links. Mich würde im laufe der Lektüre interessieren, welche Arten von Sende- und Empfangsdioden für derartige Geschwindigkeiten verwendet werden können. Mal sehen. @Peter: Die Schaltung möchte ich gerne verstehen. Denn laut der einhelligen Meinung hier liegt der Schlüssel zur Geschwindigkeit darin, den Strom über die Diode nie ganz abreißen zu lassen. 1. Am Gatterausgang liegen 0V: Als Emitterfolger liegt damit am Emitter und damit auch an der Anode der Diode eine Spannung von ca. 0,7V an. Da die Basis unter der Schaltschwelle liegt kommt es zu einem Stromfluss von R in die Masse. Aufgrund des geringen Anodenpotentials sperrt die LED vollkommen. 2. Am Gaterausgang liegen 5V: Mit steigender Spannung an der Basis steigt auch das Emitterpotential. Erreicht das Emitterpotential die Schwellwertspannung der LED wird diese Leitend und hält damit das Emiterpotential auf einem fixen Wert. Da die Basisspannung weiter steigt sperrt der NPN und der Stromfluss setzt sich nur durch die LED fort. Folglich müsste es einen kurzen "schleichenden" Wechsel der Stromsenken geben. Vom PNP zur Diode und umgekehrt. Aber damit wäre ja noch immer eine Stromfreie Phase für dieLED vorhanden, eben wenn die Vorwärtsspannung der LED unterschrittten wird. Auch wenn diese die gesamte Zeit vorgespannt bleibt. Habe ich diese Schaltung richtig verstanden? Wäre da bereits eine optimale Methode? Ich bin weiterhin sehr dankbar für alle Hinweise und Tipps Mit Gruß Mike
Hallo Guido, ich habe mit gerade das Datenblatt zur L9534 von Hamamatsu angesehen und die darin enthaltene Schaltung. So einfach geht das bei den Profis? Mei mei mei. Hast du auch vielleicht Unterlagen, Appnotes oder Beschreibungen vom Gegenstück dieser Schaltung? Also von optischen Hochgeschwindigkeitsempfängern? Es reicht, wenn diese schnell und empfindlich (das schließt sich ja eigentlich aus) digitale Signale detektieren können. Differenzierte analoge Signale brauche ich nicht auszuwerten (ist ein digitaler Signalstrom). Das wäre für mich gerade super hilfreich, da ich auch hier gerade an meiner Grenze bin. Zur Zeit habe ich einen Empfänger aufgebaut, der etwa 5 MHz bei einer Verstärkung von über G=10⁵ noch sehen kann, dabei aber eine Latenz von gut 150-200ns aufweist bis das Signal sauber auf TTL-Pegel ist. Das ist für mein Projekt nicht hinreichend. Der Aufbau besteht derzeit aus einer Kaskodeschaltung mit Photodiode(SFH203), einem TIA (OPA656) und einem Komparator (AD8561). Die Verstärkung der Schaltung ist absolut hinreichend, aber die dabei resultierende Geschwindigkeit des OPA656 ist einfach schlecht. Viellicht muss ich da, wie bei den LEDs, einfach anders denken. Solltest du zu Empfängern auch Infos haben, so wäre ich die sehr dankbar, wenn du mir ein paar Links zukommen lassen könntest. Die anderen waren schon Gold wert. Mit Gruß Mike
Hallo Guido, das Kapitel 8.4.2 ist leider weder in der HTML- noch in der PDF-Verions enthalten. Nach Kapitel 8.3.4 kommen Übungen zur Vorlesung. Hast du den Rest evtl. ? Mit Gruß Mike
Hat sich erledigt. Da sind zwei Dokumente verlinkt. Danke.
Das Grundprinzip habe ich nun verstanden. Die Schaltungen von Peter und Guido verfolgen alle den selben weg. Sei es mit Spannungsteilern oder Transistoren in Kollektorschaltung. In der Literatur scheinen jedoch auch hier gerne Emitterschaltungen verwendet zu werden. Da ich hier gerade nichts messen kann: Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine möglichst schnelle schaltung erfolgt. Peters Schaltung bringt hier ca. 0,7V Vorspannung. Hamamatsu arbeitete mit zund 1,8V. Beide liegen damit wohl deutlich oder gerade noch unter der Vorwärtsspannung. Also kein Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren? Mit Gruß Mike
Wie wäre es denn mit einer Kollektorschaltung? Masse ist an Plus, um die LED-Spannung zu messen und die Schottky ist drin, damit bei 1ps Anstiegszeit die Parasitären Elemente nicht allzu verrückt spielen. Klappt leider nicht ganz an den Schaltflanken und beim Rückwärtsstrom, der aber in der Realität besser aussehen dürfte. Arno P.S. zu lange simuliert, wie ich sehe
Hallo, Mike schrieb: > Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine > möglichst schnelle schaltung erfolgt. Peters Schaltung bringt hier ca. > 0,7V Vorspannung. Hamamatsu arbeitete mit zund 1,8V. Beide liegen damit > wohl deutlich oder gerade noch unter der Vorwärtsspannung. Also kein > Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren? An der Helligkeit der LED. Vereinfach gesprochen gilt: Die Vorspannung und somit der Vorstrom durch die LED sollte so groß sein, dass Dein Empfänger gerade noch eine "0" detektiert. Natürlich bleibt man in der Praxis etwas darunter. Beim Bau des Empfängers kann ich Dir leider nicht viel weiterhelfen. Nur so viel, Du solltest die Photodiode unter Vorspannung betreiben. Mit freundlichen Grüßen Guido
@ Mike (Gast) >Habe ich diese Schaltung richtig verstanden? Wäre da bereits eine >optimale Methode? Eine ausreichende. 1 MHz ist ja nun weiß Gott nicht soooo wild. >Transistoren in Kollektorschaltung. In der Literatur scheinen jedoch >auch hier gerne Emitterschaltungen verwendet zu werden. Eben weil sie den Transistor nicht sättigen und damit schnell sind. ECL macht es ja auch so. >Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine >möglichst schnelle schaltung erfolgt. Naja, bei 1 MHz braucht man das nicht wirklich. Sowas macht man eher bei Lasern für Datenübertragung bei 100 Mbit/s++. LEDs werden bis ca. 155 Mbit/s eingesetzt und dort hart ON/OFF geschaltet. Natürlich sind das spezielle, kapazitätsarme LEDs, keine 0815 IR-LEDs vom Conrad ;-) >Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren? Ich würde einfach per Widerstand einen Rihestrom fließen lassen, der ca. 5% des Maximalstroms entspricht. >detektieren können. Differenzierte analoge Signale brauche ich nicht >auszuwerten (ist ein digitaler Signalstrom). Die erste Sufe ist dennoch ein linearer TIA. >Zur Zeit habe ich einen Empfänger aufgebaut, der etwa 5 MHz bei einer >Verstärkung von über G=10⁵ noch sehen kann, dabei aber eine Latenz von >gut 150-200ns aufweist bis das Signal sauber auf TTL-Pegel ist. Das ist >für mein Projekt nicht hinreichend. Was ist denn das Ziel? Ausserdem sollte man besser von Anstiegszeit und Verzögerungszeit reden, denn 5 MHz können je nach Tastverhältnis alles sein. Auch wenn wir alle insgeheim von 5 MHz mit 0,5 Tastverhältnis ausgehen. >Der Aufbau besteht derzeit aus einer Kaskodeschaltung mit >Photodiode(SFH203), einem TIA (OPA656) und einem Komparator (AD8561). >Die Verstärkung der Schaltung ist absolut hinreichend, aber die dabei >resultierende Geschwindigkeit des OPA656 ist einfach schlecht. Ein Schaltplan sagt mehr als 1000 Worte. SFH203 ist sehr schnell, auch wenn hier im Datenblatt wahrscheinlich ein Tippfehler ist. "Anstiegs und Abfallzeit des Fotostromes Rise and fall time of the photocurrent RL= 50 kW; VR = 20 V; l = 850 nm; Ip = 800 mA 5 ns " Das sind eher 50 OHm, ohne Kilo. OPA656 hat je nach Datenblattseite 230-500 MHz Gain-Bandwidth Produkt. Da ist deutlich mehr drin, natürlich aber nicht mit 1 MOhm und 47pF. Die SFH203 hat 11pF bei 0V, bei 20V Sperrspannung vielleicht 2-3pF. Hier spielt das Layout eine wichtige Rolle. AD8561 ist ein 7ns Komparator! Alles in allem ist mit diesen Bauteilen deutlich mehr drin, ich würde mal 50ns Pulsbreite und weniger schätzten, macht 10 MHz++.
Hallo @Guido Schade.Die Photozelle spanne ich bereits vor. Ich befürchte es liegt derzeit auch einfach an einem sehr schwachen Eingangssignal. @Arno Ich habe mir deine Simulation angesehen. Das sieht in den Strom- und Spannungsverläufen sehr gut aus. Die Schaltungen sind ja sehr schnell. Ich sehe aber leider nicht den Trick hinter der Schaltung. Warum arbeitest du mit negativen Spannungsvorzeichen? Wozu nutzt du eine Schottkydiode? Mit Gruß Mike
Hallo, Mike schrieb: > Ich befürchte es liegt > derzeit auch einfach an einem sehr schwachen Eingangssignal. Wie wird das Licht den übertragen (Freiraum/Lichtwellenleiter)? Ist der Abstrahlwinkel der LED "passend"? Ist die maximale spektrale Empfindlichkeit des Empfängers (einigermaßen) passend? Was auch noch interessant wäre, welche LED verwendest Du? Wie Falk bereits erwähnt hat ist dies ein sehr wichtiger Punkt. Mit freundlichen Grüßen Guido
Mike schrieb: > Hallo > @Arno ... > Ich sehe aber leider nicht den Trick hinter der Schaltung. Warum > arbeitest du mit negativen Spannungsvorzeichen? Wozu nutzt du eine > Schottkydiode? Arno H. schrieb: > Masse ist an Plus, um die LED-Spannung zu messen und die Schottky ist > drin, damit bei 1ps Anstiegszeit die Parasitären Elemente nicht allzu > verrückt spielen. Klappt leider nicht ganz an den Schaltflanken und beim > Rückwärtsstrom, der aber in der Realität besser aussehen dürfte. Das sind einfach nur Hilfsmittel für die Simulation gewesen. Die Ansteuerspannung ist ja immer noch auf den Minuspol der 5V bezogen. Im realen Aufbau wird der Spannungsverlauf auch ohne Schottkydiode anders aussehen. Arno
Bei mehr als 1 MHz sollte man mal kontrollieren ob die LED überhaupt so schnell reagiert. Einiger der IR LEDs (vor allem 950 nm) sind relativ langsam. Ein erster grober Test wäre es die reverse recovery Zeit der LED zu messen. Wenn man die LED schneller als diese Zeit auschalten will sollte man über eine Schaltung wie oben (Datum: 05.02.2013 11:49) mit Transistor parallel zur Last nachdenken, nur dass man noch zusätzlich per Schottkydiode verhindern sollte das der Transistor in die Sättigung geht.
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