Hallo, beschäftige mich seit kurzem mit uControllern (AVR-8-Bit) und würde nun gerne (sehr) kleine Ströme (aus einem Silizium Fotoelement) messen. Bis jetzt habe ich Ströme immer mit Hilfe eines Spannungsteilers bzw. Shunts über den A/D-Wandlers des AVRs gemessen, was bei ein paar mA auch wunderbar funktioniert hat. Die Fotoelemente liefern jedoch nur sehr wenig Strom, die ich gerne auch mit einem AVR messen möchte, also irgendwie auf 0...5 V (=ADC des uC) bekommen muss. So etwas habe ich aber noch nie gemacht und habe deshalb keine Ahnung wie das geht. Bei einem Versuchsaufbau von "DMM - 1,5kOhm als Last - Fotoelement Anschluss 1 - Fotoelement Anschluss 2 - DMM" habe ich bei relativ schwacher Beleuchtung/fast dunkel einen Strom von 100nA messen können, bei voller Bestrahlung nahezu 100uA. Als DMM/Messgerät diente ein MY 68 ("Billigteil"), wobei ich als Maximalwert "nur" 82uA gemessen habe. Der Rest soll als Sicherheit dienen. Wenn ich mich also an meine erste OP Schaltung heranwage und <http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker> richtig verstehe, müsste mein R 50kOhm sein (Ua max = 5V / I max = 100uA). Bei 100nA Strom würde ich dann noch eine Spannung von 5mV am Ausgang des OPs erhalten. Nun meine Fragen dazu: 1) Welcher OP eignet sich für so eine (Mess-)Aufgabe (idealerweise SMD und bei Reichelt erhältlich)? 2) Kann ich die Ausgangsspannung des OPs auf 0...5V begrenzen? Wenn ja, wie? 3) Gibt es bessere Schaltungen, z.B. mit "log. Verstärkungsfaktor"(nicht linearem Faktor? 4 a) Wie wird die Stromquelle/Siliziumelement bei der OP Schaltung belastet? 4 b) Kann ich zum Testen (statt wie oben beschrieben 1,5kOhm) einfach mal 50kOhm als Last verwenden und dann Ströme messen? Freue mich über die Beantwortung der Fragen, aber auch über jeden Tipp, bzw. Schaltungsvorschlag. Gruß und Vielen Dank, Hans
@ Hans Maier (Gast) >gerne (sehr) kleine Ströme (aus einem Silizium Fotoelement) messen. Bis Lichtsensor / Helligkeitssensor >verstehe, müsste mein R 50kOhm sein (Ua max = 5V / I max = 100uA). Bei >100nA Strom würde ich dann noch eine Spannung von 5mV am Ausgang des OPs >erhalten. 50K sind viel zu wenig. 1MOhm ist da eher richtig. >1) Welcher OP eignet sich für so eine (Mess-)Aufgabe (idealerweise SMD >und bei Reichelt erhältlich)? Einer mit wenig Eingangsstrom ;-) >2) Kann ich die Ausgangsspannung des OPs auf 0...5V begrenzen? Warum? Damit dein AVR nicht kaputt geht? > Wenn ja, wie? Klemmdiode nach Vcc. >4 a) Wie wird die Stromquelle/Siliziumelement bei der OP Schaltung >belastet? Als Kurzschluss ;-) >4 b) Kann ich zum Testen (statt wie oben beschrieben 1,5kOhm) einfach >mal 50kOhm als Last verwenden und dann Ströme messen? Statisch ja, wenn man es richtig macht. MFG Falk
Hallo, wow, das ging ja mehr als schnell. Erst mal Dank vorab. Noch ein Nachtrag: für das Fotoelement habe ich kein Datenblatt, kann also leider nicht mit weiteren Daten dienen. Die 1,5k Ohm Last waren ein Versuch von mir... @ Matthias: 1) Für allen anderen, bei Reichelt dürfte das der "TLC 272 CD SMD" sein. Im Datenblatt steht nun aber was von "Low-Cost" ;=) Der "bessere" 277 haben sie wieder nicht als SMD. Egal, werde ich mal genauer das Datenblatt lesen. 2) Wenn doch bloß alles so einfach wäre :=) @ Falk: - Danke für den Link, den hatte ich noch nicht gefunden. - Warum sind 50k zu wenig? Wenn der AVR max 5V haben darf, darf Ua ja auch "nur" 5V haben (außerdem würde der OP ja auch nicht mehr liefern können, da auch mit 5V betrieben). Und die 100uA sind auch gegeben => Mehrere OPs hintereinander schalten? (z.B. mit LM 324 D SMD (=4 OPs in einem Gehäuse)) - Wie finde ich den bei Reichelt? Gibt es dort eine Übersicht der technischen Daten? - Ja, der AVR (und andere Schaltungsteile) sollen geschützt werden, bzw. ich möchte sicherstellen, dass die Fotozellen (die ja immer aktiv sein können), auch im Ausgeschaltetem AVR Zustand nichts kaputt machen. - Schützt also nach VCC und GND (also 0...5V, bie 5V VCC) VCC | - |\| ^ -|-\ | | >-+----o -|+/ | |/| - ^ | GND Werde am Mo, bzw. jetzt am WE erst mal was über OP lesen (müssen). Danke, Hans
Hallo Hans, was Du brauchst ist ein Transimpedanzverstärker. Das ist ein Operationsverstärker mit geringem Stromrauschen und geringem Eingangsstrom. Als günstigen OPV kannst Du einen OP27 verwenden. Sinnvoll ist aber die Verwendung eines Spezialbausteins wie beispielsweise OPA380/OPA2380. Der hat insbesondere den Vorteil, daß Du mit nur einer Spannungsversorgung auskommst (5V/Masse). Im Anhang ist eine spezielle Beschaltung angegeben. Diese funktioniert prinzipiell auch mit dem OP27, allerdings brauchst Du dann den Pulldown-Widerstand mit Sicherheit nicht. Einfachster Fall Versorgungsspannung 5V (positiv), 0V (negativ) RF1 = Größenordnung 100k/1MEG CF1 = pF-Bereich (zur Unterdrückung der OPV-Eigenschwingung) ROUT1 = 47 (zur Unterdrückung der OPV-Eigenschwingung bei kapazitiver Last) RFIL1=0 CFIL1=Leerlauf R_PD1=Leerlauf COUT1=Leerlauf L100A=Kurzschluß L100B=Kurzschluß Ergänzungen in der vorliegenden Schaltung CF1/RF1 : 1. Ordnung des Tiefpaßfilters RFIL1/CFIL1: 2. Ordnung des Tiefpaßfilters R_PD1: Pulldown-Widerstand, um die Linearität der Schaltung im Bereich 0V zu verbessern; der OPV erreicht die 0V dann einfacher. L100A/L100B/COUT1: EMV-Schutzbeschaltung mit Ferritperlen Wenn Du einen Logarithmierer brauchst, kannst Du den in einer zweiten Verstärkerstufe einbauen; da ist es weniger kritisch. Gruß, Michael
Hallo, nun doch noch eine Frage, allerdings zu einem Logarithmierer, simuliert nach <http://books.google.de/books?id=h6A0HyamoTIC&pg=PA768&lpg=PA768&vq=Logarithmierer&dq=%2BLogarithmierer+%2BTemperaturkompensation&sig=ACfU3U1XDAAxFrgpn__9r47eLAhgMG09tg>. Als Strom-Spannungswandler habe ich zuerst einen OP mit den empfohlenen 1M Ohm als Rückkopplung (parallel dazu noch ein C von 5pF) genommen und diesen Ausgang dann auf den Eingang des Logarithmierers gelegt. Am Eingang des Logarithmieres stehen dann Spannungen zwischen 0 und -15V an. Das ist ja soweit richtig (obwohl ich später den LM 324 mit +V=5V und -V=AGND nutzen möchte). Aber was für Werte und Bauteile kann ich für den Logarithmierer verwenden? Ua ist bei mir immer auf 15V :=(, unabhängig von der Eingangsspannung... Folgende Teile habe ich (aus der Eval Edition) verwendet: für die beiden NPN Transistoren den Q2N2222, als OP den opamp. Uref = 5V (mit Hilfe einer VDC Quelle), R1=1k, R2=1k, R3=15,7k und R4=1k. Anbei noch kurz die Netzliste: I_I1 0 Iin DC 1uA C_C1 Iin Uoutstage1 5p R_R7 0 $N_0001 1k R_R12 $N_0001 Uout 15.7k Q_Q5 $N_0002 0 $N_0003 Q2N2222 D_D3 0 $N_0003 D1N4148 Q_Q7 $N_0004 $N_0001 $N_0003 Q2N2222 R_R1 Iin Uoutstage1 1Meg E_U10 Uoutstage1 0 VALUE {LIMIT(V(0,Iin)*1E6,-15V,+15V)} E_U12 $N_0005 0 VALUE {LIMIT(V(0,$N_0004)*1E6,-15V,+15V)} E_U11 Uout 0 VALUE {LIMIT(V(0,$N_0002)*1E6,-15V,+15V)} V_V4 $N_0006 0 5V R_R10 $N_0003 $N_0005 1k R_R2 Uoutstage1 $N_0002 100k R_R11 $N_0004 $N_0006 100k Hans
Hallo Hans, > nun doch noch eine Frage, allerdings zu einem Logarithmierer, simuliert > nach > <http://books.google.de/books?id=h6A0HyamoTIC&pg=PA768&lpg=PA768&vq=Logarithmierer&dq=%2BLogarithmierer+%2BTemperaturkompensation&sig=ACfU3U1XDAAxFrgpn__9r47eLAhgMG09tg>. > Als Strom-Spannungswandler habe ich zuerst einen OP mit den empfohlenen > 1M Ohm als Rückkopplung (parallel dazu noch ein C von 5pF) genommen und > diesen Ausgang dann auf den Eingang des Logarithmierers gelegt. Am > Eingang des Logarithmieres stehen dann Spannungen zwischen 0 und -15V > an. Das ist ja soweit richtig (obwohl ich später den LM 324 mit +V=5V > und -V=AGND nutzen möchte). wozu brauchst Du denn jetzt den Logarithmierer genau? Deine Überlegungen sind mir noch nicht ganz schlüssig. Ein Logarithmierer ist sinnvoll, wenn der Photostrom über mehrere Dekaden hinweg variiert und Du mit der Auflösung des ADU Probleme bekommst. Wenn der Photostrom aber über so viele Dekaden relevant ist, wird er - entweder sehr groß. Dann ist 1MOhm Transimpedanz wahrscheinlich zu viel, weil Du bei starkem Licht schnell in die Sättigung kommst. - oder Du willst sehr kleine Photoströme noch auflösen. Dann wundert es mich, daß das kein Thema bei der OPV-Auswahl ist. > Aber was für Werte und Bauteile kann ich für den Logarithmierer > verwenden? Als Logarithmierdiode eignet sich am besten ein Transistor. Im folgenden Link steht eine temperaturkompensierte Schaltung. http://www.elexs.de/messen6.html Gruß, Michael
Hallo Michael, den Logarithmierer wollte ich nachschalten, da ich eben Ströme von 100nA bis hin zu 100uA habe (also über eine Dekade), bei gleichzeitig "nur" 10-Bit ADC. Bei einer Uref von 5V macht das also 5V/1023=4,9mV als Auflösung des ADCs. Je nach eingesetztem Widerstand in der 1. OP Stufe (Transimpedanzwandler), reicht diese Auflösung also ggf. nicht aus. Danke für den Link, schaue ich mir auch mal an. Hans
Hallo Hans, um 3 Dekaden geht's also. Das ist schon was für einen Logarithmierer. Eine Alternative wäre ein ein Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor. Zunächst der Logarithmierer Der Logarithmierer an sich ist schon ein Transimpedanzwandler: Er hat einen Stromeingang und gibt eine Spannung aus. Also brauchst Du dann gar keinen speziellen Transimpedanzwandler mit einem Widerstand. Wenn Du Dir das Beispiel anschaust (unteres Bild) http://www.elexs.de/messen6.html siehst Du, daß der Meßbereich 100nA ... 100µA vom unteren Eingang schon abgedeckt wird. Ich denke, Du kannst die Schaltung ähnlich nachbauen. Evtl. nimmst Du als OPV einen Verstärker, den Du schon hast. Wichtig sind ein geringer Leckstrom und ein geringes Stromrauschen. *Transimpedanz mit einem Widerstand und einer veränderlichen Verstärkung* Wenn Du mit einem Widerstand arbeitest, nimmst Du R=47k. Dann ergibt sich: U = 47k*100E-6 = 4,7V 100µA zusammen mit einer Transimpedanz von 1MEG macht 100V, das ist ein bißchen viel. Als zweite Stufe nimmst Du dann einen Variable Gain Amplifier (z. B. erhältlich bei www.analog.com). Gruß, Michael
Hallo, dann habe ich noch eine Frage zu den NPN/PNP Transistoren im Logarithmierer: reichen da "Wald-und Wiesen" Typen (habe z.B. noch BC 847C SMD, BC857C SMD)? Werde morgen Nachmittag mal zum C um die Ecke radeln und OPVs kaufen. Gruß, Hans
@ Hans Maier (Gast) >dann habe ich noch eine Frage zu den NPN/PNP Transistoren im >Logarithmierer: reichen da "Wald-und Wiesen" Typen (habe z.B. noch BC Nein. Du braucht ein "Matched Pair", vor allem zur Temperaturkompensation. MFG Falk
Hallo, mal wieder vielen Dank für die Antwort. Conrad hat so etwas (z.B. Art.Nr. 153210-62). Das war jetzt aber auch das einzige was ich gefunden habe. Hat Reichelt evtl. auch was im Angebot (habe nur einen für über 7€ gefunden), bzw. gibt es Alternativen? Über Google habe ich noch den BCV65 gefunden. Aber wo gibt es solche Bauteile? Steuere kein Atomkraftwerk, insofern werde ich morgen wohl erst mal einen OPV (ok, ein paar mehr...) kaufen und es mit einer "einfachen" Transimpedanzschaltung probieren. Robert
Hallo, > Conrad hat so etwas (z.B. Art.Nr. 153210-62). Das war jetzt aber auch > das einzige was ich gefunden habe. Hat Reichelt evtl. auch was im > Angebot (habe nur einen für über 7€ gefunden), bzw. gibt es > Alternativen? Probier's vielleicht zunächst mal mit einer normalen Diode. Bei Reichelt gibt's zum Beispiel ein günstiges Diodenpaar mit gemeinsamer Kathode: BAT54C Die Chancen stehen recht gut, daß die Eigenschaften beider Dioden sehr ähnlich sind. Gruß, Michael
Wir haben 2006 auch mal so etwas gemacht. Dieses Dokument fand ich hilfreich: http://focus.ti.com/lit/an/sboa061/sboa061.pdf Gruß, H
...ich habe mal sowas ähnliches gemacht (Überwachung der Signalstärke auf Glasfaser-Übertragungsstrecken zum Erkennen von Ausfällen oder Manipulationen), wo ich einen Eingangssignalbereich von 50nA bis 1mA abzudecken hatte. Gelöst habe ich es mit einem AD8551 als Eingangsstufe an der PIN-Diode und einem LOG102 als Logarithmierer. Das hätte sicher auch noch bei kleineren Eingangsstömen funktioniert, wenn man die Platinen besser gereinigt und lackiert hätte. So fingen bei ca. 50nA die Leckströme an das Signal zu überlagern.
Hallo, vielen herzlichen Dank für eure konstruktiven Vorschläge. Mittlerweile habe ich alle Teile hier und einen ersten fliegenden Aufbau mit dem TLC 272 CD SMD und der BAT 54C SMD aufgebaut. Und was soll ich sagen: dieser "Minimalaufbau" überzeugt mich bereits auf ganzer Linie. Sprich: für meine Zwecke vollkommen ausreichend. Selbst ein Fön verändert das Ausgangssignal nicht allzu stark. Bin super zufrieden, muss jetzt nur noch die Spindeltrimmer/Potis ausbauen und durch Rs ersetzen. Perfekt. Danke und genießt das lange Wochenende, Hans
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