Hallo,
ich habe eine grundlegende Frage zum Transimpedanzwandler, den ich mit
einem TLC 274 aufbauen will (später x4).
Dazu habe ich die im Artikel "Lichtsensor / Helligkeitssensor" stehende
Schaltung aufgebaut, muss aber feststellen, dass sich am Ausgang nix
tut. Messe ich aber am invertierenden Eingang, so kann ich mit dem
Handschatten auf der Fotodiode die Spannung variieren.
Die Ausgangsspannung bleibt konstant auf hohem Pegel.
Werte: C=10pF, R=1,5MOhm, Diode= SFH 205 (Für IR).
Ich dachte, dass der TIW eine virtuelle Masse am (-)Eingang erzeugen
will und darüber dann die lichtabhängige Ausgangsspannung resultiert.
Oder übersteuert mein OPV die ganze Zeit?
Was kann ich tun?
Danke im Voraus
Hannes
5V <-> 0V habe ich erstmal zu Testzwecken beschaltet, im Artikel habe
ich nichts zur Notwendigkeit von ner negativen Spannung gelesen. Oder
wird diese still und heimlich vorrausgesetzt?
Nein, die Schaltung sollte auch ohne symmetrische Spannungsversorgung
funktionieren. Funktioniert dein OPV, bzw. bist du dir sicher, dass du
die Eingänge richtig beschaltet hast?
Du solltest am invertierenden Eingang keine Spannung gegenüber der Masse
messen dürfen, stichwort hast du ja schon richtig genannt -> virtuelle
Masse. Also wenn du da eine Spannung messen kannst, funktioniert
irgendwas nicht richtig.
Was meinst du mit übersteuern? Was misst du denn am Ausgang? Wenn nichts
misst, dann übersteuert er auch nicht. Wenn du deine Versogungsspannung
misst, dann übersteuert er.
Die übertragungsfunktion eines inv. Verstärkers ist ja normal U_a=-U_e*
R_rueckkopplung/R_sensor. In deinem Fall R1/Rdiode.
Wenn der OPV also funktioniert und alles richtig angeschlossen ist,
probier mal den R1 anzupassen, also größer, wenn du nichts misst, und
kleiner wenn du Versorgungsspannung misst.
Hoffe ich hab nix verdreht, ist schon spät ...
Grüße
Heinz W.
> Was meinst du mit übersteuern? Was misst du denn am Ausgang?
Er hatte im ersten Post schon geschrieben: HIGH!
Hallo Hannes:
Der TLC 274 benoetigt - wie Heinz schon schreibt - in dieser Schaltung
kein "hochlegen" wie Jo meinte!
Das Datenblatt erlaubt eine negative Eingangsspannung von -0.2V auch bei
einseitiger Betriebsspannung.
Der Hinweis von Heiz ist hier zielfuehrend:
1. Was misst Du an (-)?
2. Schliesse die Fotodiode kurz. -> Ausgang sinkt?
3. Verkleinere den Widerstand R1. -> Ausgang sinkt?
Im Prinzip ist alles richtig....vielleicht nur zu viel Licht?
Oder R1 nicht richtig verloetet?
Gruss
Michael
Hallo,
vielen Dank für die zahlreichen Antworten!
Ich habe es an mehreren OPVs im selben IC-Package (ist ein quad opv)
probiert: je nach Helligkeit kann ich zwischen 0,1V (stark beleuchtet)
und weit über 2V (weniger bel.) an (-) - Eingang messen: Das darf ja
nicht sein :-(
IC-Wechsel bringt auch nix :(
wenn ich die versorgungsspannung abschalte, messe ich 0,3V je nach
Beleuchtung -> Fotodiode scheint zu funktionieren.
Am Ausgang messe ich um die 4,4V;
ich kann mit meinen Beleuchtungsspielchen die Ausgangsspannung um 50mV
variieren, der Pegel bleibt also bei ~4,4V.
Schließe ich die Fotodiode kurz, kommen ungefähr 4,40V raus.
Bei R = unendlich kommen 4,47 raus, bei R -> 0 kommen 4,37 raus und bei
R = 2MOHM ~ 4,43V....
Ich habe noch vergessen anzumerken: Es ist als Prototyp auf nem
Steckbrett gebaut!! Kann das daran liegen? Ich messe mit dem Oszi aber
auch keine Schwingungen..
Noch eine Sache: Aufm Oszi kann man sogar die 50Hz Netzfrequenz meiner
Halogenlampe sehen, wenn ich am (-) - Zweig Messe :-D
Mit einer Taschenlampe verschwindet aber die Schwingung vollständig.
Ist da nun der IC kaputt oder doch mal wirklich löten??
Hannes schrieb:> probiert: je nach Helligkeit kann ich zwischen 0,1V (stark beleuchtet)> und weit über 2V (weniger bel.) an (-) - Eingang messen: Das darf ja> nicht sein :-(> IC-Wechsel bringt auch nix :(>> wenn ich die versorgungsspannung abschalte, messe ich 0,3V je nach> Beleuchtung -> Fotodiode scheint zu funktionieren.
Die Spannung am invertierenden Eingang sollte eigentlich immer 0V sein,
da der Verstärker das ausregelt.
Ist die Photodiode richtigrum angeschlossen?
Die Kathode zeigt zum invertierenden Eingang. Habe es inzwischen mal
aufgelötet, aber dasselbe Ergebnis bekommen :(
Muss man den Ausgang eigtl "belasten" ?
Oder liegt das vlt am Diodentyp?
Ich habe mal die Diode angehangen.
Irgendwie sehe ich da grad kein Land :(
Habe schon 3 ICs durchprobiert, daran kann es also nicht liegen. Blos 4
Bauteile zu verlöten kann doch jetzt nicht die Herausforderung sein,
oder?
vlt messe ich mit dem ADC einfach am invertierenden eingang, da habe ich
wie gesagt nen Spannungsbreich von >3V´, den ich mit Helligkeit
verändern kann.
Nach allem, was du bisher geschrieben hast, ist ein Fehler im Aufbau am
wahrscheinlichsten (falsche Verdrahtung, Wackelkontakt, falsch
angeschlossenes Netzgerät usw.). Mach doch mal ein Foto von deinem
Aufbau, vielleicht kann kann man den Fehler darauf erkennen.
> vlt messe ich mit dem ADC einfach am invertierenden eingang, da habe ich> wie gesagt nen Spannungsbreich von >3V´, den ich mit Helligkeit> verändern kann.
Das geht natürlich auch. Es reicht auch einfach eine Serienschaltung von
Widerstand und Fotodiode zwischen 5V und 0V, wobei die Ausgangsspannung
zwischen den beiden abgegriffen wird.
Die TIA-Schaltung hat im Wesentlichen zwei Funktionen:
- niederohmiger Ausgang
- Konstanthalten der Fotodiodenspannung, so dass deren Kapazität kaum
stört, was eine deutlich höhere Grenzfrequenz der Schaltung ergibt
Wenn der Ausgang nur an den hochohmigen ADC-Eingang geht, und die
höchsten Frequenzen unter 100Hz liegen, kannst du dir den Opamp sparen.
Trotzdem würde ich dem Fehler auf den Grund gehen.
Hallo,
Ich wollte auf Nummer sicher gehen und daher nicht dein einfachen Ansatz
mit dem Widerstand wählen. Es kann auch hoch bis 10-15 khz gehen und da
soll die Schaltung noch akkurat funktionieren.
Ich habe mal die Bilder angehangen - da kann man doch einfahc nciht viel
falsch machen, oder??
Es ist ein quick&dirty Prototyp, sollte doch aber seine Funktion
erfüllen?
Langsam zweifle ich an meiner Kompetenz..
Vielleicht habe ich aber auch wirklich einen prinzipiellen Fehler
gemacht.
Ich fasse nochmal zusammen:
- Die Schaltung verbraucht ca. 4,5mA.
- Die anderen 3 OPVs sind unbeschaltet
- Ein IC-Wechsel brachte gar nichts.
- C=10pF, R=0..1MOhm, Diode=SFH205F
- Diode funktioniert wie zu erwarten
- invertierender Eingang ändert Spannungspegel mit untersch. Beleuchtung
mit ca. 3V Aussteuerung
- Betr.-Spannung: Vdd(+)=5v, Vdd(-)=0v
- Ausgangs-Aussteuerung: ~50mV
Nochwas ist mir aufgefallen: Ich habe bei Reichelt den TLC274 bestellt,
geliefert wurde mir aber ein TL074CN, pinout ist aber dasselbe..
Bin echt ratlos!
Hallo Hannes,
die Schaltung wie Du sie verwendest ist schon korrekt. Nur kann sie mit
einer nur positiven Betriebsspannung nicht funktionieren! Damit der OPV
den Photostrom der Diode kompensieren und seinen minus-Eingang auf 0 V
ziehen kann, muß sein Ausgang negativ werden können!
Die übertragungsfunktion der Schaltung die Du benannt hast lautet
Ua = -I*R
Ein Widerstand von 1 MOhm erscheint mir allerdings bei einem
Kurzschluss-Photostrom der Diode (lt. Datenblatt) von 25µA etwas hoch.
Ich würde hier mal mit 47 KOhm beginnen. Das würde eine theoretische
Ausgangsspannung von -1,175 V erzeugen.
Den TL074 kannst Du bedenkenlos benutzen. Er arbeitet (wie der TLC 274)
auch mit nur einer pos. Betriebsspannung korrekt.
Aber wie oben schon gesagt, in diesem Fall muß Du unbedingt eine
symmetrische Versorgungsspannung an den OPV anlegen, damit er die
geforderte negative Ausgangsspannung liefern kann.
mfg
Lothar
schudi schrieb:> Hallo Hannes,>> die Schaltung wie Du sie verwendest ist schon korrekt. Nur kann sie mit> einer nur positiven Betriebsspannung nicht funktionieren!
Klar.
> Damit der OPV> den Photostrom der Diode kompensieren und seinen minus-Eingang auf 0 V> ziehen kann, muß sein Ausgang negativ werden können!
Das kommt darauf an, wie herum man die Diode einbaut und wie herum
demnach der Strom fließt. Wenn der Strom aus dem Ausgang raus fließt
(und durch Widerstand und die Diode gegen Masse), dann ist der Ausgang
im positiven Bereich. AFAIK müssen aber die OP-Eingänge ein wenig unter
0V gehen. Zum Beispiel CA3130.
> Den TL074 kannst Du bedenkenlos benutzen. Er arbeitet (wie der TLC 274)> auch mit nur einer pos. Betriebsspannung korrekt.
Aber nicht im unteren Spannungsbereich.
> Aber wie oben schon gesagt, in diesem Fall muß Du unbedingt eine> symmetrische Versorgungsspannung an den OPV anlegen, damit er die> geforderte negative Ausgangsspannung liefern kann.
Nein, muss nicht AFAIK.
@ MaWin:
Laut Datenblatt des OPVs ist im ersten Foto die Pinreihe ab der
Masseversorgung(weißes Kabel): GND; (+); (-); OUT.
(+) ist nach GND mit einer Brücke gezogen, Die Kathode der Fotodiode ist
nach (-) geschalten. Warum soll ich die beiden Eingänge tauschen?
Ich habe das mit der unsymmetrischen Spannungsversorgung so verstanden
(wie Simon schon erwähnt hat): Je nach Polarität der Fotodiode entsteht
nach den Maschengleichung ein positiver oder negativer Strom, der in
einer positiven oder halt (soweit für den OPV möglich) negativen
Ausgangsspannung resultiert. Nun ist aber eigentlich für diese Schaltung
eine positive Ausgangsspannung vorhergesagt afaik.
Ich hatte die Diode auch testweise mal umgedreht, keine nennenswerten
Verbesserungen..
Ich schaue mal, ob ich eine symmetrische Versorgung auftreiben kann..
Grüße Hannes
Simon K. schrieb:
>Das kommt darauf an, wie herum man die Diode einbaut und wie herum>demnach der Strom fließt. Wenn der Strom aus dem Ausgang raus fließt>(und durch Widerstand und die Diode gegen Masse), dann ist der Ausgang>im positiven Bereich. AFAIK müssen aber die OP-Eingänge ein wenig unter>0V gehen. Zum Beispiel CA3130.
Ich gehe von der Schaltung aus, wie sie im 5. Beitrag gezeigt ist.
Die Schaltung kann nur dann stabil arbeiten, wenn der OPV-Ausgang so
weit negativ werden kann, daß die Spannung, die dann über dem Widerstand
abfällt, einen Strom erzeugt, der den Photostrom (Sperrstrom) der Diode
kompensiert. Nur dann wird der Spannungsabfall über der Diode ungefähr 0
V und die Regelschleife ist stabil, weil sich der - Eingang des OPV auf
~ 0 V einstellen kann. Der Kurzschluß-Photostrom der Diode beträgt lt.
Datenblatt ca. 25µA. Bei einem Widerstand von 47 KOhm, wie ich
vorgeschlagen habe, stellt sich dann eine Ausgangsspannung von ungefähr
-1,175 V ein.
Wenn, wie Simon K. schrieb, der Ausgang des OPV bei regulärem Betrieb
positiv sein muß, dann würde das bedeuten, daß an der Diode immer eine
pos. Spannung abfällt (Egal wierum die Diode gepolt wäre) und der
(-) Eingang des OPV immer positiv ist. Das würde bedeuten, daß der
OPV-Ausgang immer auf 0 V hängen würde, weil die Rückkopplungsschleife
offen ist.
Daß der OPV-Ausgang in diesem speziellen Fall tatsächlich momentan in
der pos. Sättigung hängt, liegt daran, daß offensichtlich eine neg.
Offsetspannung des OPV vorliegt.
mfg
Lothar
Bei der Schaltung aus dem 5, Beitrag ist der Photostrom am Eingang
negativ, die Augangspannung sollte also schon positiv werden.
Man muß aber schon einen OP haben, der wie der TLC274 nahe GND arbeit,
und die Fotodiode muß richtigrum dirn sein.
Wenn der TE ohne Versorgung +0,3 V von der Fotodiode mißt, spricht das
gerade dafür das die Fotodiode falschrum war.
schudi schrieb:> Simon K. schrieb:>>>Das kommt darauf an, wie herum man die Diode einbaut und wie herum>>demnach der Strom fließt. Wenn der Strom aus dem Ausgang raus fließt>>(und durch Widerstand und die Diode gegen Masse), dann ist der Ausgang>>im positiven Bereich. AFAIK müssen aber die OP-Eingänge ein wenig unter>>0V gehen. Zum Beispiel CA3130.>> Ich gehe von der Schaltung aus, wie sie im 5. Beitrag gezeigt ist.
Ja, man misst aber den Sperrstrom der Diode. Also fließt der Strom vom
(-) Eingang gegen Masse bei dieser Schaltung.
Hallo Simon K.,
zur Einarbeitung in die Schaltungstechnik und Funktionsweise eines
Photodioden-Transimpedanzverstärkers empfehle ich folgede Diplomarbeit,
die ich gerade zufällig ergurgelt habe ;-))
http://www.znf.uni-hamburg.de/diplomPeters.pdf
Der Titel ist zunächst nichtssagend, aber wenn man etwas blättert findet
man auf der Seite 22 die hier vorgestellte Schaltung mit der
Übertragungsfunktion (wie ich sie schon in meinem ersten Beitrag
vorgestellt habe) und einer Beschreibung der Funktionsweise.
Ein paar Seiten weiter (26) findet sich diese Beispielschaltung auch mit
der Dimensionierung der Bauteilwerte (Der Dämpfungskondensator ist sehr
kritisch! Die Schaltung neigt zum Schwingen, ist aber sehr schnell).
Vielleicht wird die Funktionsweise dann für Sie deutlicher.
Ansonsten klinke ich mich jetzt aus dieser fruchtlosen Diskussion aus.
mfg
Lothar
Nachtrag:
Hannes schrieb:
<Ich hatte die Diode auch testweise mal umgedreht, keine nennenswerten
<Verbesserungen..
<Ich schaue mal, ob ich eine symmetrische Versorgung auftreiben kann..
Ob die Schaltung mit einer "umgekehrt" gepolten Photodiode dann auch mit
einer unipolaren Spannungsversorgung funktioniert müsste man
ausprobieren.
Ich kenne die Schaltung nur in der dargestellten Form.
Die oben zitierte Aussage des TE spricht allerdings dagegen.
mfg
Lothar
Mir ist die Funktionsweise ziemlich deutlich. Im Anhang hoffentlich die
Erkenntnis, dass der Ausgang positiv sein wird, wenn die Diode so wie
oben angegeben verschaltet wird.
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kennlinie_Photodiode_1.png&filetimestamp=20070126104221
Hier auch noch die Kennlinie einer Fotodiode. Die Fotodiode wird als
Fotoelement benutzt (unten Rechts). Der Strom der Diode ist also negativ
und demnach in Sperrrichtung.
Ein letzter Erklärungsversuch:
Ich beziehe mich nach wie vor auf die Schaltung im 5. Beitrag mit den
Werten von Iphoto = 25µA und R=47KOhm.
Insofern ist Ihre Simulationsschaltung völlig richtig, auch in Bezug auf
die Stromrichtung durch die Photodiode (Sperrstrom).
Nur haben sie das wichtigste außer acht gelassen. Die Diode ist KEINE
ideale Stromquelle, wie in der Simulationsschaltung zugrundegelegt,
sondern sie erzeugt bei dem angegebenen Photostrom von 25µA lt.
Datenblatt eine SPERRSPANNUNG von ca. 300 mV.
Da liegt m.E. der Fehler in Ihrem Erklärungs- und Simulationsversuch.
Diese 300 mV Sperrspannung verschieben das Potential des (-) Eingangs
des OPV potentialmäßig "nach oben". Der OPV muß diese Spannung
kompensieren, um seinen (-) Eingang wieder auf ca. 0 V (Virtuelle Masse)
zu bringen (Das ist das Funktionsprinzip eines OPV). Um das zu
erreichen, muß er seinen Ausgang in den negativen Spannungsbereich
schieben und zwar solange, bis durch den Widerstand und die Photodiode
ein KOMPENSATIONSSTROM in Höhe des Photostroms fließt (also -25µA).
Sobald dieser Zustand erreicht ist, schlißt sich die
Gegenkopplungsschleife und der OPV stabilisiert seinen
(-) Eingang bei ca. 0 V. Über der Photodiode liegen jetzt nahezu 0 V
(Nahezu wegen der Offsetspannung des OPV). Die Photodiode arbeitet jetzt
im Kurzschlußbetrieb. Die Gegenkopplungsschleife schließt sich und
stabilisiert das ganze in diesem Zustand (Vorausgesetzt der
Kompensationskondensator ist korrekt dimensioniert. Andernfalls schwingt
die Schaltung, weil sich die Gegenkopplungsschleife immer wieder
öffnet).
Wenn alles eingeschwungen ist, werden am OPV-Ausgang die von mir
angegebenden -1,175 V zu messen sein. Damit der OPV die negative
Ausgangsspannung bereitstellen kann, muß folglich auch eine negative
Versorgungsspannung eingespeist werden.
Jetzt sind alle meine Formulierungsmöglichkeiten zu diesem Thema
erschöpft und ich klinke mich aus.
Gute Nacht
Lothar
Ja, die Diode arbeitet im Fotoelement-Betrieb, dass heißt es liegt eine
positive Spannung an (also U_AK > 0) und der Strom fließt in
Sperrrichtung.
Das heißt, dass die Schaltung nur einschwingen kann, wenn der (-)
Eingang unter den (+) Eingang fällt.
Ich glaube ich weiß jetzt, worauf du hinaus willst: Ja, es kann gut
sein, dass der Einschwingvorgang mit dem LM358 und unipolarer Versorgung
nicht funktioniert, da dessen Eingangs Spannungsbereich zu klein ist.
Von daher hast du schon Recht.
Aber wie ich oben schon vermutet hatte (und es immer noch tue ;-))
müsste man dann einen OPAMP nehmen, der auch noch ein wenig in den
negativen Bereich "sehen" kann. Wie zum Beispiel der CA3130. Dessen
Common Mode Input Voltage Range bis -0.5V Bei unipolarer Versorgung (und
V- = 0V, bei V+ = 15V) reicht.
Hi!
Ein TL074 ist kein TLC274!
Wie wäre es denn mal mit Datenblatt lesen.
Die Eingänge brauchen eine min 3V höhere Spannung gegenüber der neg. UB!
Das hast du nicht.
Viel Erfolg, Uwe
Reichelt stinkt manchmal -_-
Wenn es ein äquivalenter IC gewesen wäre, hätte ich damit kein Problem
gehabt. Oder hat ein TLC274 diese Bedingung auch mit den 3V?
Uwe, kannst du mir bitte sagen, welches der 10000 Parameter im
Datenblatt dir das mit den 3V gesagt hat?
Ich bin im Datenblatt eines OPVs noch nicht Zuhause, daher wählte ich
den TLC274 als quad variante des lm358 (der wiederum im Artikel
vorgeschlagen wurde), kann nur nicht mehr meine Quelle dazu bennen.
Ich teste das mal demnächst mit improvisierte symmetrischer Spannung.
Ansonsten: würde die von Jo K. (
Beitrag "Re: OPV Verständnisfrage" ) vorgeschlagene
Levelanhebung des nichtinvertierenden Eingangs das Problem des OPVs
lösen? (Unter der Hinnahme, dass damit meine maximal mögliche
Aussteuerung halbiert wird)
Grüße Hannes
PS: Vielen Dank bisher für die konstruktive Diskussion und
Unterstützung!
Hannes schrieb:> Uwe, kannst du mir bitte sagen, welches der 10000 Parameter im> Datenblatt dir das mit den 3V gesagt hat?
Der TLC274 ist für "Single-Supply Operation" gemacht. Das bedeutet, dass
die Eingangs- und Ausgangsspannung bis zur negativen Versorgungsspannung
herabreicht (die Eingangsspannung meist sogar noch etwas darunter). Die
Bezeichnung "Single-Supply" ist dabei etwas irreführend, weil auch ein
Nicht-Single-Supply-Opamp mit einfacher Spannungsversorgung betrieben
werden kann, wenn man eben die eingeschränkten Spannungsbereiche an den
Ein- und Ausgängen berücksichtigt.
In der Tabelle der Datenblätter sind die Werte "Common-Mode input
voltage range" und "Output voltage swing" bzw. "High/Low-level output
voltage" maßgeblich.
> daher wählte ich den TLC274 als quad variante des lm358 (der wiederum> im Artikel vorgeschlagen wurde)
Die Quad-Variante des LM358 ist eigentlich der LM324. Der TLC274 ist
aber für einen empfindlichen Fotodiodenverstärker die bessere Wahl, weil
seine Eingangsströme (Input bias current) praktisch 0 sind, so dass auch
sehr kleine Fotoströme unverfälscht gemessen werden können.
> Ansonsten: würde die von Jo K. ( Beitrag "Re: OPV Verständnisfrage" )> vorgeschlagene Levelanhebung des nichtinvertierenden Eingangs das> Problem des OPVs lösen?
Im Prinzip ja. Durch den Spannungsteiler am nichtinvertierenden Eingang
wird die Eingangs- und die minimale Ausgangsspannung auf die halbe
Versorgungsspannung angehoben, so dass auch der TL074 innerhalb seiner
Spezifikation betrieben wird. Allerdings kann dadurch nur ein kleinerer
Teil des ADC-Messbereichs genutzt werden.
Tatsächlich!!!
Die oben beschriebene Eingangsanpassung am nichtinvertierenden (+)
Eingang war die Lösung!!
Herzlichen Dank für die ausführlichen Erklärungen und die unendliche
Geduld, mit dem Thema sich auseinanderzusetzen!
Ich habe die Schaltung lediglich um die Eingangsstufe (simples 10k Poti
zwischen 5v und gnd mit dem schleifring am (+)OPV Eingang) erweitert und
schon kann ich perfekt mir die Einstellungen als Widerstände in
Experimenten zusammenfummeln, wie ich sie benötige.
Ich gehe damit stark davon aus, dass auch die symmetrische
Eingangsspannung das Problem gelöst hätte.
Klasse Forum, weiter so!
Das mit dem TL074 ist natürlich dementsprechend bescheiden, wenn man
nicht das bekommt, was man bestellt und die Unterschiede der ICs nicht
auf den ersten Blick sieht.
Beste Grüße
Hannes
