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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 200 mv, 20 µA für SPS Verstärken. Wie? (Anfänger)


Autor: Markus Paals (scheunenfund)
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Hallo Community,


ich habe ein Problem mit meiner Schaltung.
Und zwar soll eine Fotodiode einen Helligkeitswert analog messen und an 
die SPS weitergeben (0-10V)
Die Fotodiode gibt als Dunkelwert ca 200 mV und Hellwert ca 350 mV. 
Gemessener Kurzschlussstrom bei Max. Belichtung sind 20 µA.
Gibt es eine Möglichkeit diesen Wert mit OP`s auf annehmbare Spannung 
und Strom zu bringen? Notfalls kann ich noch 2 Baugleiche Fotodioden 
zuschalten für mehr Spannung/Strom. Was auch immer Benötigt wird.

das Problem was ich sehe sind das die werte Utopisch klein sind. Und da 
ich keine Ahnung von OP`s etc habe bräuchte ich eure Hilfe.

Welche OPs brauche ich dafür?
Und wie sollte die Schaltung dazu aussehen?



Danke für Hilfen! :)

Autor: peterhoppe59 (Gast)
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Hallo,
versuchs erstmal mit einem billigen Wald+Wiesentypen (LM324 o.ö), und 
schau Dir das Ergebnis an. Später kannst Du dich dann immer noch nach 
teuren Spezialtypen umsehen.

Peter

Autor: 8421 (Gast)
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Nein. ein LM324 ist hier genau der Falsche, der hat zuviel bias Strom. 
Hier gehoert ein Fet OpAmp hin. zB ein LF356.

Autor: peterhoppe59 (Gast)
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Der LM324 ist angegeben mit 45nA. Bei einem Gegenkopplungswiderstand von 
5MOhm ergibt sich dann ein Ausgangsfehler von 0,23V. Zu viel für den 
Anfang? Gegen den LF356 ist natürlich nichts einzuwenden.

Autor: Frickelfeind (Gast)
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Nimm gleich was anständiges: OPA-627.
Die 30 Eu hast Du als Zeitvorteil binnen einer Stunde wieder raus.


Wenn Du 1 Euro-Jobber bist:
OP-177
(Für den schmalen Beutel.)

Der Nostalgiker würde vielleicht einen uA-725 in Betracht ziehen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Markus,

> Und zwar soll eine Fotodiode einen Helligkeitswert analog messen und an
> die SPS weitergeben (0-10V)
> Die Fotodiode gibt als Dunkelwert ca 200 mV und Hellwert ca 350 mV.
> Gemessener Kurzschlussstrom bei Max. Belichtung sind 20 µA.
> Gibt es eine Möglichkeit diesen Wert mit OP`s auf annehmbare Spannung
> und Strom zu bringen? Notfalls kann ich noch 2 Baugleiche Fotodioden
> zuschalten für mehr Spannung/Strom. Was auch immer Benötigt wird.
Die Ströme und Verstärkungen sind kein besonders großes Problem, es sei 
denn, Du willst eine extrem hohe Bandbreite realisieren. SPS hört sich 
allerdings nicht nach MHz-Bandbreiten, sondern maximal nach 
kHz-Bandbreiten an, so daß keine prinzipiellen Probleme auftauchen 
sollten.

Also bleiben die Fragen:

a) Welche maximale Bandbreite benötigst Du?

Das entsprechende Filter mußt Du darauf anpassen (ist unten genauer 
beschrieben).

b) Ist es eine Einzelanfertigung, bei der die Materialkosten eine 
untergeordnete Rolle spielen, oder geht es um Massenanfertigung, bei der 
die Entwicklungskosten eine geringere Rolle spielen.

Ich vermute Einzelanfertigung.

c) Geht es um eine ganz normale Photodiode wie
http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=4;GROUP=A54;G...
oder um eine Avalanche Photodiode (APD).

Ich vermute normale Photodiode.


> Welche OPs brauche ich dafür?
Grundsätzlich geeignet sind Operationsverstärker mit geringem 
Eingangsleckstrom. Für die Auswahl spielen außerdem das 
Eingangsstromrauschen (in nA/sqrt{Hz}), die benötigte Bandbreite, die 
Eingangsoffsetspannung und die Temperaturabhängigkeiten der 
entsprechenden Störgrößen eine Rolle.

Ein paar OPV wurden schon genannt. Ich habe in einer ähnlichen Anwendung 
einen OPA380/OPA2380 genommen.

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/opa2380.html

Er ist für das schnelle Auslesen von Photodiodenströmen optimiert, 
rauscharm und hat sehr kleine Leckströme. Als Versorgungsspannungen 
benötigt er nur 5V und Masse. Das war in meiner Anwendung von Vorteil, 
bedeutet aber, daß die Ausgangsspannung nicht +10V erreicht, sondern 
etwa 4.4V (bei belastetem Ausgang weniger, siehe Datenblatt; ich denke 
aber, daß Du den Ausgang nur hochohmig belasten willst). Außerdem wird 
die Schaltung im Bereich von 0V Ausgangsspannung geringfügig 
nichtlinear.

Wenn Dich das nicht stört, kannst Du direkt diesen OPV nehmen. Sonst 
nimmst Du einen anderen OPV (ggf mit +/- Versorgungsspannung).

> Und wie sollte die Schaltung dazu aussehen?
Um von 20µA nach 4V zu verstärken, benötigst Du im Rückkopplungszweig 
eine Transimpedanz von

R = 4V/20µA = 200k

Für die Verstärkung auf +10V benötigst Du im Rückkopplungszweig
entsprechend R = 500 kOhm. Ich würde den Meßbereich nicht komplett 
ausnutzen, damit Du nach oben etwas Spiel hast (d. h. einen etwas 
kleineren Widerstand im Rückkopplungszweig benutzen).

Ich habe in der Schaltung einen Tiefpaß 2. Ordnung integriert, um das 
höherfrequente Rauschen zu unterdrücken. Die Bauteilwerte hängen von der 
Bandbreite ab. Anhand der Formeln 4 und 5 auf Seite 13 des Datenblattes 
kannst Du Dir die Werte ausrechnen.
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/opa2380.html

Da es sich um einen normalen Butterworth-Tiefpaßfilter handelt, dürfte 
der TP mit den anderen OPV genauso funktionieren.


Gruß,
  Michael

Autor: Markus (Gast)
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Wie gesagt. Bin Anfänger in der Analogtechnik. Also nicht steinigen bei 
Fehlern. :P

a) Welche maximale Bandbreite benötigst Du?

Die Bandbreite geht gegen 0 oder? Das Signal der Fotodiode ist ja 
Gleichspannung linear zur Belichtungsstärke.
Also ist imho die Frequenz = 0 Hz.

b) Ist ne Einzelanfertigung. :)

c) Ne Normale Fotodiode.


Der Ausgang des OPs wird wirklich nur Hochohmig belastet. Also wäre der 
Spannungsknick kein Prob.

Das ganze Ding ist Sensorik von einem Greifarm, welcher die Farben des 
aufgenommenen Werkstücks misst und am Abstellplatz vergleicht.

Ich werde mal versuchen mir den von dir empfohlenen opa2380 zu holen und 
passende Widerstände dazu.
Im genauen Aufbau bräuchte ich dann aber nochmal hilfe, meld mich dann 
wieder. :)

Besten dank erstmal!

Lg

Markus

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Die Bandbreite geht gegen 0 oder?

Das würde bedeuten, dass du eine Helligkeitsänderung nur in unendlich 
langer Zeit wahrnehmen willst.

Ich habe diese schon vorgeschlagene Schaltung öfters erfolreich mit 
einem TLC272 aufgebaut. Nur so als Tipp. Ich würde dir aber raten, einen 
Kondensator parallel zum R zu verbauen.

Autor: Markus Paals (Gast)
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Wollte mir die Teile bestellen die angegeben wurden.
Aaaber.. Leider find ich keine Bauteile die die Exakte Bezeichnung 
haben. Weder bei Reichelt noch bei CSD.
Dann nochwas.

Es müssen insgesamt 3 Fotodioden so ausgewertet werden. Alle 3 geben 
unterschiedliche Werte.
Gibts da nen IC der nen 3fach OP integriert hat?

Zum Verständnis.. Der IC aus deiner Schaltung über dem OP. Dient der zum 
Entstören des Signals?

Bräuchte dann nochwas.. :P
Optokoppler die mir erlauben mit 24 Volt SPS Ausgangsspannung ne 12 Volt 
Spannung Ein/Aus zu schalten. Der muss keine Leistung bringen, sondern 
nur andere Transistoren schalten.
Welche nimmt man da? Habe bei Conrad mehr als Genug gefunden. Prob ist 
nur das  die Spannungen Uceo mit 50VOlt ++ angegeben werden. Und ich 
bräuchte mit dem Koppler einen Durchgangswiderstand gegen 0 bei Ein.

Dann wäre es noch nett wenn ihr mir die genauen Widerstands und 
Kondensatorkapazitätswerte geben könntet. Das ich danach bestellen kann.

Stelle mir das so vor:

150 mV - OP - <1 V
400 mV - OP - 10 V

Maximale Kurzschlussstromstärke war 20 µA.
Also andersrum.
3  µA - OP - <1V
23 µA - OP - 10 V


Bin da leider echt blutiger Anfänger. Hab versucht mich in die Materie 
reinzulesen bei Wikipedia und mit Crocodile Physics was zu Probieren zum 
Verständnis.. Aber ich komm nicht drauf wie sich die Verstärkung der 
Spannung berechnet, vorallem die Funktion des Rückkopplungszweig..

Außerdem frage ich mich welche Funktion die Kondensatoren haben sollen. 
Denn wir arbeiten ja im Gleichstrom, da würde der Kondensator doch 
einfach nur die Veränderung von Spannung bzw Stom träger machen, sonst 
Isolieren.

Mein Gedanke ist:
Der OP hat am Eingang eine Spannungsdifferenz von 150 mV glatte 
Gleichspannung. Dann sollte doch am Ausgang eine dementsprechend 
Verstärkte
glatte Gleichspannung herauskommen die sich linear mit kurzer 
Verzögerung  mit dem Udiff Eingang bewegen oder?
Die Rückkopplung würde doch die Verstärkung hochschaukeln ins 
Unendliche?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Markus,

> Aaaber.. Leider find ich keine Bauteile die die Exakte Bezeichnung
> haben. Weder bei Reichelt noch bei CSD.
Welche Bauteile meinst Du? Bei Widerständen/Kondensatoren nimmst Du 
einfach die nächsten erhältlichen Werte.

Ich habe die Schaltung abgeändert und den von Lippy vorgeschlagenen OPV 
genommen. Der ist soweit ich das sehe sehr gut geeignet. Dann kannst Du 
auch mit Durchsteckbauteilen experimentieren. Außerdem kannst Du dann 
auch höhere Ausgsangsspannungen nehmen.

> Es müssen insgesamt 3 Fotodioden so ausgewertet werden. Alle 3 geben
> unterschiedliche Werte.
> Gibts da nen IC der nen 3fach OP integriert hat?
Dreifach-OPV sind selten, es gibt aber welche. Zweifach- oder 
Vierfach-OPV sind häufiger. Dann bleibt eben ein OPV übrig. Ich habe Dir 
aufgemalt, wie Du ihn beschaltest.

> Zum Verständnis.. Der IC aus deiner Schaltung über dem OP. Dient der zum
> Entstören des Signals?
Der 7805 ist ein Spannungsregler für 5V. Er regelt eine Spannung von 
7...32V auf 5V herunter. Ich habe im neuen Vorschlag einen 7815 (für 
15V) genommen, da der von Lippy vorgeschlagene OPV diese Spannung 
verträgt.

Die Spannungsregler regeln die 50/100Hz Netzstörungen recht gut weg und 
lassen variable Eingangsspannungen zu.

> Stelle mir das so vor:
> 150 mV - OP - <1 V
> 400 mV - OP - 10 V
Die Diode wird im Kurzschlußbetrieb ausgelesen. Die Spannung ist 
ungefähr gleich Null. ;-)

> Maximale Kurzschlussstromstärke war 20 µA.
> Also andersrum.
> 3  µA - OP - <1V
> 23 µA - OP - 10 V
Die Schaltung, die ich Dir angegeben habe, ist ein linearer Verstärker, 
d. h. die Ausgangsspannung ist proportional zum Strom. Wenn die 
Schaltung bei 23µA 10V ausgeben soll, wird die 1V Schwelle erst bei 
2,3µA unterschritten.

Der gewählte Proportionalitätsfaktor in der Schaltung ist:
R = 430kOhm = 8,6V/20µA. Was das für 3µA heißt, kannst Du Dir dann 
einfach berechnen.

Ich habe außerdem die Ausgangsspannung auf maximal 9,1V begrenzt, damit 
die SPS auf keinen Fall beschädigt werden kann. (Ist zwar 
unwahrscheinlich, aber der OPV könnte prinzipiell bis etwa 12...13V 
Ausgangsspannung erzeugen.)

> Bin da leider echt blutiger Anfänger. Hab versucht mich in die Materie
> reinzulesen bei Wikipedia und mit Crocodile Physics was zu Probieren zum
> Verständnis.. Aber ich komm nicht drauf wie sich die Verstärkung der
> Spannung berechnet, vorallem die Funktion des Rückkopplungszweig.
Ein einfaches Vorstellungsmodell geht so:

Der OPV mißt ständig die Spannung zwischen (+) und (-).
Ist sie positiv, so erhöht er die Ausgangsspannung.
Ist sie negativ, so erniedrigt er die Ausgangsspannung.

(In Wirklichkeit ist die Ausgangsspannung ein Vielfaches, z. B. 
100000mal die Eingangsspannung. Das obere Vorstellung ist zum ersten 
Verständnis aber leichter verdaulich.)

Wenn Du den OPV-Ausgang mit dem (-)Eingang verbindest, ergibt sich 
dadurch die folgende Situation:
- Eine Erhöhung der Spannung zwischen (+) und (-) (Ursache) führt zu 
einer
  Erhöhung der Ausgangsspannung am OPV (Wirkung).
- Eine Erhöhung der Ausgangsspannung am OPV (Wirkung) reduziert die
  Spannung zwischen (+) und (-). Schließlich erhöhst Du ja das
  (-)Potential.

Die Wirkung reduziert also ihre Ursache. Dieses Prinzip heißt 
"Gegenkopplung". Es hat eine stabilisierende Wirkung auf die 
Ausgangsspannung.

Das Gegenteil von Gegenkopplung heißt "Mitkopplung". In den 
OPV-Schaltungen erkennst Du das daran, daß eine Verbindung vom 
OPV-Ausgang mit dem (+)Eingang besteht. Mitkopplung führt zu extremen 
Ausgangsspannungen.

Der Oberbegriff zu beidem heißt Rückkopplung.

Bei Gegenkopplung (Verbindung des Ausgangs mit dem (-)Eingang) reagieren 
OPV folgendermaßen:
1) Der OPV regelt seinen Ausgang immer so, daß die Spannungsdifferenz 
zwischen (+) und (-)Eingang zu Null wird.
2) Außerdem gilt ohnehin immer: Beide OPV-Eingänge sind stromlos.

Wenn Du Dir die Schaltung ansiehst, erkennst Du, daß der (+)Eingang auf 
Masse liegt. Da der OPV die Spannungsdifferenz zu Null regelt, liegt 
auch der (-)Eingang auf Masse. Die Diode wird also quasi im Kurzschluß 
betrieben.

Der Rückkopplungswiderstand (hier: 430k) ist der eigentlich Pfiff bei 
der Operationsverstärkerschaltung:
Er bestimmt, wie sehr sich der Operationsverstärker anstrengen muß, um 
die Spannung von (+) nach (-) zu Null zu regeln.
Der OPV muß nämlich an seinem Ausgang den Diodenstrom von sagen wir 20µA 
zum Fließen bringen und ihn über die 430kOhm zum (-)Eingang 
transportieren.
Der Diodenstrom fließt notwendigerweise durch den 
Rückkopplungswiderstand. Der Grund ist, daß die OPV-Eingänge hochohmig 
bzw. stromlos sind, d. h. hier kann er nicht abzweigen.

Am Rückkopplungswiderstand fallen
U = 430k * 20µA = 8,6V ab.

Wenn am (-)Eingang also Massepotential anliegen soll, so muß der OPV 
dazu die Ausgangsspannung auf UA=8,6V erhöhen. Und genau das macht er 
auch.

Die Diode muß sich übrigens nicht "anstrengen", damit der Diodenstrom 
über die 430k fließen. Für die Diode sieht es so aus, als wäre auf 
beiden Seiten die Masse angeschlossen. Die eine Masse ist echt, die 
andere kommt durch eine Regelung zustande. Man nennt die Masse am 
OPV-Eingang daher auch "virtuelle Masse".

> Außerdem frage ich mich welche Funktion die Kondensatoren haben sollen.
> Denn wir arbeiten ja im Gleichstrom, da würde der Kondensator doch
> einfach nur die Veränderung von Spannung bzw Stom träger machen, sonst
> Isolieren.
Hochfrequente Stromänderungen an der Photodiode laden zunächst den 
Kondensator auf. Das hat dann nur einen geringen Einfluß auf die 
Ausgangsspannung und führt zu einer Signalglättung.  (Schau dazu unter 
dem Begriff Tiefpaß nach).

> Die Rückkopplung würde doch die Verstärkung hochschaukeln ins
> Unendliche?
Die Rückkopplung ist eine Gegenkopplung. Gegenkopplung hat eine 
stabilisierende Wirkung.


Gruß,
  Michael

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Markus Paals

Was du willst ist ein Transimpedanzverstärker, siehe Artikel 
Lichtsensor / Helligkeitssensor

MFG
Falk

Autor: Markus Paals (scheunenfund)
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Danke das du dir die Zeit für die lange Erklärung genommen hast. Die 
Beschaltung vom OP Sollte ich jetzt verstanden haben. ;)

Ein Paar Fragen bleiben aber noch.

Der Spannungswandler..
Bei dem Uin sind gegen Masse 1 Elko mit 100µF und parallel dazu ein 
Kondensator mit 100nF
Dieselbe Schaltung findet sich am Uout vom IC wieder.

Welche Funktion hat das? Glätten der Eingangs und Ausgangsspannung?

Wenn ja.. Warum wurde das hier mit einem Elko und einem normalen 
Kondensator beschaltet und nicht mit einem Größeren?


Und.. Die Diode die den Eingang und Ausgang in Sperrichtung überbrückt. 
Ist die nicht ohne Funktion? Denn die Ausgangsspannung kann ja nicht 
größer werden wie die Eingangsspannung.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Der Spannungswandler..
> Bei dem Uin sind gegen Masse 1 Elko mit 100µF und parallel dazu ein
> Kondensator mit 100nF
> Dieselbe Schaltung findet sich am Uout vom IC wieder.
>
> Welche Funktion hat das? Glätten der Eingangs und Ausgangsspannung?
ja, das ist eine Funktion. Die Kondensatoren verhindern außerdem ein 
Eigenschwingen des Linearreglers. Ohne diese Kondensatoren funktioniert 
der Spannungsregler nicht ordentlich. Am wichtigsten sind die 
100nF-Keramikkondensatoren. Sie gehören in die unmittelbare Nähe des 
Linearreglers (und natürlich jeweils ein zusätzlicher in die 
unmittelbare Nähe jedes OPV). Trotzdem würde ich bei den Elkos nicht 
sparen.

> Wenn ja.. Warum wurde das hier mit einem Elko und einem normalen
> Kondensator beschaltet und nicht mit einem Größeren?
Der Elko verliert mit steigender Frequenz mehr und mehr an Wirkung. Er 
reagiert dann zu träge. Das Problem ist die zu große Induktivität:
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Elko-Ersatzscha...

Die 100nF-Keramikkondensatoren (SMD) funktionieren noch bis etwa 
10...20MHz als Kondensatoren. Bis etwa 100MHz haben sie weniger als 1 
Ohm und filtern immer noch Störungen aus; siehe Abb. oben rechts, Seite 
3.
http://www.avx.com/docs/techinfo/parasitc.pdf

> Und.. Die Diode die den Eingang und Ausgang in Sperrichtung überbrückt.
Sie verhindert, daß die Ausgangsspannung deutlich größer als die 
Eingangsspannung wird; das verkraftet der Linearregler nämlich nicht 
lange.

> Ist die nicht ohne Funktion? Denn die Ausgangsspannung kann ja nicht
> größer werden wie die Eingangsspannung.
Sowas kann z. B. bei einem Kurzschluß am Eingang (parallel betriebenes 
Gerät) passieren. Die Eingangskondensatoren entladen sich dann sehr 
schnell über den Kurzschluß. Die Ausgangskondensatoren halten die Ladung 
aber noch. Die Diode verhindert in diesem Fall, daß das intakte Gerät 
Schaden nimmt.


Gruß,
  Michael

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