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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Photodiode Rauchmelder


Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Hallo Forum,

es geht darum, das Signal einer Photodiode eines Rauchmelders mittels 
eines Transimpedanzverstärkers aufzunehmen und so in einen 
Microcontroller zu führen. Die Photodiode (PD) soll weitestgehend in 
ihrer "gewohnten", d.h. angestammten Platine erhalten bleiben. Auch soll 
die Messzelle des Rauchmelders weiterhin durch den 
Standardrauchmelder-IC MC145010 angesteuert werden, d.h. die sendende 
IR-Diode soll durch ihren normalen Chipsatz versorgt werden. Einzig das 
Signal der empfangenen Photodiode, die das Streulicht wahrnimmt, soll in 
einen Transimpedanzverstärker geführt werden (und ggf. nicht mehr in den 
Rauchmelder-IC)

Nun habe ich ein paar Strom-Messungen an der Photodiode durchgeführt 
(innerhalb der Schaltung, also einfach Messgerät auf die beiden Pins und 
somit PD (fast) kurzgeschlossen). Ich habe die Rauchmeldermesszelle 
sowohl im geöffnetem, als auch im geschlossenen Zustand durchgemessen. 
Geöffnet tritt eine Menge Licht in die Photodiode, mein Messgerät zeigt 
an der Photodiode bis zu 500uA an. Je weiter ich den Deckel über die 
Messzelle gleiten lasse, desto dunkler wird es und der gemessene Strom 
wird kleiner, bis er erwartungsgemäß Null wird.

Nun habe ich auch die IR-Diode getetstet, indem ich die Funktionalität 
des Rauchmelders mittels eines Streichholzes getestet habe. Mit einer 
gewissen Verzögerung tritt der Rauch in die Zelle und löst den Alarm 
aus. Somit ist die Funktionalität sowohl der IR-Diode, als auch der 
Photodiode nachgewiesen. Dummerweise verbleibt mein Amperemeter bei 
geschlossener Zelle stets bei einer Anzeige von 0uA, offenbar ist der 
Anzeigebereich noch zu groß, bzw. die Empfindlichkeit meines Messgerätes 
zu klein...

Probleme bereiten mir aber nun also folgende Dinge:

Ich müsste wissen, wieviel Strom die Photodiode aufgrund ihres 
augenommenen Streulichtes abgibt, wenn sich Rauch in der Zelle 
befindet... Kann es sein, dass die rauchgefüllte Zelle die Photodiode 
ernsthaft nur im sub-mikro-amperebereich anregt, Strom abzugeben und der 
Chip auf dieses winzige Signal dann reagiert, oder habe ich irgendeinen 
Fehler in meinem Messverfahren, letzenendes habe ich ja nur mein 
Amperemeter direkt auf die beiden Pins der Photodiode gelegt, diese 
befindet sich ja kathodenseitig immernoch am Detektoreingang des 
Rauchmelder-IC's und Anodenseitig an Widerstand + Kondensator + Rest der 
Schaltung... fraglich ist, ob ich die Photodiode von der kompletten 
Schaltung trennen müsste und auch, ob ich das überhaupt darf, 
schließlich soll die Gesamtfunktionalität nicht gefährdet werden, 
insbesondere soll die Funktionalität der IR-Diode erhalten bleiben (wird 
von Mutter-IC gepulst), weiß nicht ob ich einfach ein paar Leitungen im 
Gesamtchipsatz durchtrennen darf ohne dabei diese Bereiche mit zu 
zerstören...

Ideen, Erfahrungen?

Angenommen die Schaltung läuft auch, wenn ich die Photodiode komplett 
aus dem Rest heraustrenne.
Würde es dann reichen, diese direkt zwischen Masse und Eingang des 
Transimpedanzverstärkers zu klemmen, oder benötige ich für hier eine 
bestimmte getrennte Masse?
Letztenendes wäre es schön, wenn ich die Ansteuerelektronik der 
IR-Diode, meinen Mikrocontroller für die Signalauswertung und den 
Transimpedanzverstärker möglichst aus ein und derselben 9-Volt 
Blockbatterie betreiben könnte...

möglich?

Autor: bla (Gast)
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Hallo.
Ist schon eine ganze Menge Text, den du da formuliert hast.
Mir ist die grundsätzliche Funktionsweise von Rauchmeldern bekannt. Was 
mir allergings recht schleierhaft vorkommt, ist deine Strommessung. Wie 
willst du denn den Strom, der durch die Infrarotdiaode fließt messen, 
wenn du dein Amperemeter parallel zur Diode schaltetst? Damit misst du 
im besten Falle garnichts und zerstörst im schlimmsten Falle die 
Versorgung der LED, da das Amperemeter fast wie ein Kurzschluss wirkt. 
Außerdem ist der Spannungsabfall über die IR-Diode zunächst irrelevant. 
Wichtiger -und das hast du richtig erkannt- ist der Strom der durch die 
Diode fließst. Denn, je mehr Rauch sich in der Zelle befindet, desto 
schlechter wird auch die Übertragungseigenschaften und somit wird auch 
der Strom der durch die Empfangsdiode fließt geringer. Dieser Strom muss 
auf irgendeine Wiese durch die Beschaltung in eine Spannung umgewandelt 
werden. Entweder ist der Widerstand, der nach deiner Beschreibung 
anodenseitig angeordnet ist dafür zuständig oder das IC, das die LED 
'pulst'. Hier solltest du irgedwo eine Spannungsdifferenz oder einen 
Pegel proportional zur Stromstärke messen können. Diese 
Spannungsdifferenz kannst du dann auch auf deinen 
'Transimpendanzverstärker', den ich nachfolgend mal als Impendanzwandler 
bezeichne, geben. Dies sollte die Funktionalität der Gesamtschaltung 
nicht tangieren, da der Eingangswiderstand des Impendanzwandlers gegen 
unendlich und die Stromaufnahme gegen Null geht. Ein einfaches anklemmen 
der Diode zwischen den Eingang des Impendanzwandlers und der Masse wird 
glaube ich kaum zu einer Lösung führen, denn dann misst du den 
Spannungsabfall über die Diode, aber nicht ihre Stromaufnahme. Schaltest 
du nun hingegen einen definierten Widerstand -sagen wir mal 100 Ohm- in 
Reihe zur Diode, dann kannst du über den Spannungsabfall des 
Widerstandes auf die Stärke des Stromflusses durch die Diode und damit 
direkt auf die Rauchintensität schließen. Diese Spannung kannst du dann 
nachfolgend in beliebige Bereiche verstärken. Dabei musst du aber die 
prozentuale Abweichung der Werte der Widerstände in deinem 
Verstärkungsfaktor berücksichtigen.

Vieleicht hat dir das geholfen dein Problem aus einer anderen Sichtweise 
zu sehen.

-bla-

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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Hallo bla,
ich glaube, Du hast das falsch verstanden.

Großes Fragezeichen (Sch&@%!#-Namen...koennt Ihr Euch nicht anstaendig 
anmelden?) hat - wie ich verstanden habe - in einen funktionierenden 
Rauchmelder eine Empfangsdiode gesetzt und deren Ausgangsstrom gemessen.


Soweit, sogut. Und JA, der Strom liegt im Nullkommamikroamperebereich.
Bau doch mal einen einfachen Stromverstaerker auf und schau, was 
rauskommt.

Hinweis: Du bekommst kein Dauersignal, denn die Sendediode ist gepulst 
um Strom zu sparen.


Gruss

Michael

Autor: Dieter Werner (Gast)
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> Denn, je mehr Rauch sich in der Zelle befindet, desto schlechter wird
> auch die Übertragungseigenschaften und somit wird auch der Strom der
> durch die Empfangsdiode fließt geringer.

Nein, das ist genau anders herum.
Um die Intensität zu dämpfen müsste das schon fetter schwarzer Qualm 
sein, hier wird aber die Streuung an den Rauch Aerosolen ausgenutzt.

Und wie schon von anderen gesagt, der Strom ist sehr gering und außerdem 
noch gepulst - mit einem Amperemeter ist da nichts zu erkennen.

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Also erstmal danke für die ersten Reaktionen.

Ich führe nochmal etwas weiter aus, da einigen der Aufbau nicht ganz 
klar zu sein scheint.

Es geht um insgesamt zwei Dioden, die beide in einer 
lichtundurchlässigen, schwarzen Kammer untergebracht sind. Sie sind fast 
rechtwinklig zueinenader angebracht und werden von einem Sichtschutz 
blockiert, so dass das Signal der IR-Diode die Photodiode nicht 
erreichen kann. Tritt aber Rauch in diese Kammer ein, so wird das 
IR-Licht gestreut und dieses Streulicht kann dann von der Photodiode 
detektiert werden.

Die IR ist also die Sendediode, die PD die Detektordiode. Beide hängen 
an dem Standard-Rauchmelder-Chip MC145012. Die IR wird gepulst.

Meiner Meinung nach empfängt die PD nichts, wenn kein Rauch in der Zelle 
ist, es geht also nicht um Absorbtion, sondern um Streuung. Dies wird ja 
auch dadurch bestätigt, dass ich bei geöffneter Messkammer ein 
Stromsignal von meiner PD empfange, im geschlossenen Zustand hingegen 
nicht.

Was meint ihr, kann ich die Leiterbahnen die zu der PD hinführen 
schlichtweg unterbrechen, und dann einen Transimpedanzverstärker 
anschliessen?
Vorher müsste ich natürlich eine Idee von den Dimensionen der 
Photoströme gewinnen, d.h. hier wäre wohl eine Messung mit einem 
Oszilloskop angebracht, oder welches Verfahren würdet ihr anwenden?

mfg

Autor: David Madl (md2k7)
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Hallo Fragezeichen,

ich habe mich letztens mit etwas Ähnlichem (Reflexionslichtschranke) 
beschäftigt. Mir hat dabei die Schaltung im Thread 
Beitrag "Re: Photodiode als IR-Empfänger (Signalaufbereitung)" weitergeholfen. Je 
nach dem, wie lang die Impulse sind, brauchst du möglicherweise einen 
schnellen OPV.

Es bleibt allerdings die Frage, warum du nicht auch gleich die 
Auswertung dem Rauchmelder-IC überlässt, wenn sie doch bereits eingebaut 
(und getestet!) ist.

Gruß
David

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Es soll ja nicht mit einer festen Schwelle gemessen und ausgewertet 
werden, sondern die Stärke der Streuung soll abgebildet werden, d.h. es 
soll eine kontinuierliche Auswertung erfolgen, so dass schicke Graphen 
daraus hervorgehen können...

Mal eine Frage zwischendurch:
Grundsätzlich wäre es egal, ob die IR-Diode gepulst ist oder nicht? 
Einzige Auswirkung wäre eine Lebensdauerverlängerung der Batterie, ist 
dies richtig?

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Großes Fragezeichen schrieb:
> Grundsätzlich wäre es egal, ob die IR-Diode gepulst ist oder nicht?
> Einzige Auswirkung wäre eine Lebensdauerverlängerung der Batterie, ist
> dies richtig?

Nö. Man kann damit auch schwache Signale detektieren. Denn das 
Messsignal muss dann ja die gleiche Frequenz und Phasenlage haben wie 
der Sender. Störungen kann man so heraus filtern. Gockel doch einmal 
nach Lock-In-Verstärker und überlege dir, ob du dieses Prinzip nicht 
hier nutzen kannst.

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Nachtrag: Schaltungsidee für einen "Billig-Lock-In"

Das (verstärkte) Signal von der Photodiode wird mit einem Kondensator 
erst einmal vom DC-Teil-entkoppelt. Ein als Komparator (Schmitt Trigger 
mit sehr kleiner Schwelle?) geschalteter OpAmp "digitalisiert" das 
Signal. Die Multiplikation übernimmt dann ein Exclusiv-Oder, das neben 
dem Messsignal das Referenzsignal bekommt. Das Ergebnis schickt man in 
einen Integrator mit großer Zeitkonstante. Dessen Ausgangswert weicht 
dann nur vom Mittelwert ab, wenn ein Signal im Eingang ist, das die 
gleiche Frequenz und Phasenlage hat wie die Referenz. Das kann man dann 
in eine ADC schicken oder einen Komparator nachschalten.

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Ehrlich gesagt nehme ich an, dass der hier verwendete Chipsatz meines 
4-Euro-Russland-Importprodukt-Rauchmelders nicht über einen 
Lock-In-Verstärker verfügt, oder irre ich mich dort und die Dinger sind 
so unscheinbar, dass man sie leicht übersieht?

Von daher würde ich eher den Weg verfolgen, dass das Ding auch ohne 
Lock-In ein messbares Signal an meiner Photodiode erzeugen muss... zudem 
geht es ja nicht darum, das Ursprungssignal wieder zu bekommen, sondern 
das Streulicht aufzunehmen und zwar im wesentlichen rein leistungsmäßig 
quantitativ...

Wie kann ich eigentlich am einfachsten testen, ob eine IR-Diode sendet?

Autor: Guido (Gast)
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Hallo,

Großes Fragezeichen schrieb:
> Wie kann ich eigentlich am einfachsten testen, ob eine IR-Diode sendet?

Mit einer Digitalkamera.

Mit freundlichen Grüßen
Guido

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Großes Fragezeichen schrieb:
> Ehrlich gesagt nehme ich an, dass der hier verwendete Chipsatz meines
> 4-Euro-Russland-Importprodukt-Rauchmelders nicht über einen
> Lock-In-Verstärker verfügt, oder irre ich mich dort und die Dinger sind
> so unscheinbar, dass man sie leicht übersieht?

Viel braucht es ja nicht. Man muss die Diode pulsen und auf 
Empfängerseite braucht man ein Exklusiv-Oder und ein OpAmp als 
Integrator. Das ist alles. Vielleicht nennt man so etwas dann nicht 
"Lock-In", aber es ist das gleiche Prinzip.

Das wirkt dann wie ein Bandpass extrem hoher Güte plus Gleichrichter, 
wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich verbessert wird und so 
auch sehr kleine Signale gemessen werden können. Und als Ausgang erhält 
man sogar gleich eine Gleichspannung, deren Wert proportional zum 
gestreuten Licht ist. Was willst du mehr?

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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zum Testen der IR:

meine Kamera zeigt leider nichts an, liegt vermutlich daran, dass die IR 
nur in Pulsen von 100us sendet...

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