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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Anschluß Phototransistor für high-speed?


Autor: Jörg H. (idc-dragon)
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Hallo,

ich habe hier eine bestimmte Reflexlichtschranke (HOA1405), mit der ich 
möglichst präzise die Flanken einer rotierenden Marke messen will. Der 
Empfänger ist ein NPN-Fototransistor ohne Basis. (Ich weiß, Fotodioden 
sind schneller, aber ist halt so.)

Wie schließe ich den Fototransistor an, so daß er möglichst schnell ist? 
In der "Standardschaltung" ist der Fototransistor mit dem Emitter an 
Masse und quasi der untere Widerstand eines Spannungsteilers, der obere 
ist ein echter Widerstand mit z.B. 10kOhm nach +5V:
http://www.create.ucsb.edu/~dano/594O/phototransistor.gif

Ich habe verstanden, daß der Transistor umso schneller ist, je kleiner 
dieser Widerstand ist. Hat aber vermutlich seine Grenzen, denn der 
Stromfluß bei "hell" darf nicht zu groß werden und sollte den Transistor 
vermutlich besser nicht in die Sättigung treiben?

Sollte ich dann vielleicht statt dem Widerstand eine Konstantstromquelle 
nehmen? Ich dachte an diesen "Trick" mit FET und Widerstand:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0207011.htm

Oder wie macht man so was üblicherweise?


Danke,
Jörg

Autor: Andi ... (xaos)
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um welchen frequenzbereich geht es ?
emitter negativ vorladen und das ganze dann an einen 
transimpedanzwandler dran..

Autor: Jörg H. (idc-dragon)
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Negativ vorladen, transimpedanzwandler, das verstehe ich so noch nicht, 
muß mal googeln...

Der Timer, mit dem ich das messe, hat eine Auflösung von 2,5 MHz. Davon 
möchte ich natürlich möglichst wenig verschenken. ;-)

Das Datenblatt vom HOA gibt bei Vcc=5V und R=1kOhm eine rise/falltime 
von 15 us an. Wenn nicht allzuviel Noise/Jitter dazukommt könnte das für 
sub-us Auflösung reichen. Es gibt noch ein Diagramm "non-saturated 
switching time vs. load resistance", da geht es runter bis 10 Ohm und 2 
us. Mit 10 Ohm sollte man den Fototransistor aber wohl besser nicht 
zuviel Licht aussetzen, sonst erst Sättigung und dann Zerstörung. Daher 
die Idee mit der Konstantstromquelle.

Die Signalaufbereitung incl. Schmitt-Trigger soll auf ein kleines 
Platinchen am Sensor, um Störungen zu vermeiden. Die Schaltung soll 
möglichst einfach werden, damit sie auch klein ist.

Jörg

Autor: ulrich (Gast)
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Damit der Fototransistor schnell ist, sollte die Spannung nicht zu klein 
sein (d.h. ab etwa 5 V). Außerdem sollte sich die Spannung nicht viel 
ändern - deshalb der Vorschlag mit dem Transimpedanzverstärker.

Die Idee mit der Konstantstromquelle geht also genau in die falsche 
Richtung.

In der einfachsten Form ein Transistor in Basisschaltung (Emitter als 
Eingang), oder wohl besser ein Operationsverstärker als 
Transimpedanzverstärker.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  ulrich (Gast)

>In der einfachsten Form ein Transistor in Basisschaltung (Emitter als
>Eingang), oder wohl besser ein Operationsverstärker als
>Transimpedanzverstärker.

Ja, aber auch damit wird man kaum einen Phototransistor mit 15 µs 
Anstiegszeit auf ~400ns trimmen, was ja dem Messtakt von 2,5 MHz 
entstpricht.

Dafür braucht man schlicht einen anderen Phototransistor oder gleich 
eine Photodiode. Siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor.

MFg
Falk

Autor: ulrich (Gast)
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Mit dem Transimpedanzverstärker wird man in die Nähe der 2 µs Schaltzeit 
kommen, die man sonst mit einem 10 Ohm Widerstand kriegen würde, mehr 
nicht, aber immerhin.

Die 2,5 MHz beim Timer würde ich eher als Takt des Timers sehen, was 400 
ns Auflösung für die Zeit sehen.  Bei wenig Störungen durch Fremdlicht 
usw. wären die 400 ns als Auflösung drin, nicht als Pulslänge, Abstand 
oder gar Periode.

Autor: Jörg H. (idc-dragon)
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Ja, die 400 ns sind die Zeitauflösung meines Capture-Inputs. Die 
Frequenz des Meßsignals ist viel niedriger.

Um die Auflösung nicht mehr als nötig zu verschlechtern sollte die 
Flanke des Meßsignals möglichst steil sein. Aus Sicht der 2,5 MHz ist 
das sonst bildlich gesprochen nur ein flacher Hügel, wann der 
Schmitt-Trigger schaltet wird dann mehr von überlagertem Rauschen 
bestimmt als vom Meßsignal selbst.

Ich habe nach Transimpedanz-Verstärker gegoogelt und wurde (natürlich) 
bei Wikipedia fündig:
http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker
Ah so, das ist ein I/U Wandler. Aber mir ist nicht klar, wie ich den 
Fototransistor da anschließen soll? Der ist ja erstmal keine 
Stromquelle.

Ich habe derweil einen Steckbrettaufbau gemacht:
Die Lichtschranke hat einen festen Reflektor bekommen, als Simulation 
für "hell". Statt des echten Meßsignals pulse ich die Sende-LED mit 
einem 32kHz Oszillator, der sich in der Kiste fand. Der macht ein sehr 
steilflankiges Signal, die LED wird ja auch schnell genug sein. Aus 
Sicht des Fototransistors sollte das also genauso aussehen, als ob da 
eine Marke mit 32kHz rotiert.
Empfängerseitig habe ich erstmal die Standardschaltung mit dem 
Widerstand nach Plus und mir mit dem Oszi das Signal dazwischen 
angesehen. Oh Graus, da kommen nur Dreiecke raus. Der Widerstand ist 
ziemlich egal. Die Amplitude ist ca. 5 mal geringer als im statischen 
hell/dunkel Fall. Der Fototransistor schafft also schon bei 32kHz den 
Anstieg nicht. Wie kommt Honeywell bloß auf den Wert im Datenblatt?


Jörg

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jörg H. (idc-dragon)

>Ah so, das ist ein I/U Wandler. Aber mir ist nicht klar, wie ich den
>Fototransistor da anschließen soll?

"Ganz normal". Kollektor geht an den OPV, der Emitter an eine negative 
Betriebsspannung. Damit wird er zur Stromquelle.

>Widerstand nach Plus und mir mit dem Oszi das Signal dazwischen
>angesehen. Oh Graus, da kommen nur Dreiecke raus.

Was für ein Taskkopf? Da muss man einen 10:1 nehmen, wegen der 
Eigangskapazität. 1:1 verschlechtert deine Anstiegszeit immens!

>ziemlich egal. Die Amplitude ist ca. 5 mal geringer als im statischen
>hell/dunkel Fall.

Was bedeutet, dass du die Grenzfrequenz deutlich überschritten hast.

>Anstieg nicht. Wie kommt Honeywell bloß auf den Wert im Datenblatt?

Richtig gemessen.

MFG
Falk

Autor: ulrich (Gast)
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Auch die Marke, die sich mechanisch bewegt und dann in den endlich 
breiten Strahl kommt gibt schon einen langsamen Anstieg. 
Überschlagsmäßig bekommt man aus 0,1 mm Breite des empfindlichen 
Bereichs und einer Geschwindigkeit von 10 m/s auch schon eine 
Anstiegszeit von 10 µs. Je nach Detektor und Anwendung kann das auch 
deutlich mehr werden.

Der Detektor und Verstärker müssen nur schneller sein, um die von der 
Mechanik/optik gegebene Anstiegszeit nicht wesentlich zu vergrößern.

Autor: Jörg H. (idc-dragon)
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Ich lese selbst gern "vollständige" Threads mit Auflösung, daher 
schreibe
ich nun wie ich es denn schlußendlich gemacht habe:

Es wurde so ein Transimpedanverstärker (Dank an Ulrich und Falk). Die
resultierenden Anstriegs-/Abfallzeiten übertreffen sogar nun die Werte
des Datenblatts deutlich! Ich komme auf ca. 6 us.

Allerdings habe ich das mit der Stromquelle anders gemacht, weil ich
keine negative Betriebsspannung einführen mochte. Der Fototransistor
hängt mit seinem oberen Punkt (Kollektor) an der Betriebsspannung Ub,
den unteren Punkt (Emitter) regelt der OP auf halbe Betriebsspannung.
Dabei kann er selbst Ausschläge von Null bis Ub/2 machen. Ich verschenke
die halbe Ausgangsdynamik und betreibe den Fototransistor nur mit halber
Spannung, aber komme mit einfacher Versorgung aus.

Der Gegenkopplungswiderstand wird für möglichst großen Hub am Ausgang
möglichst groß gewählt, aber klein genug das am Emitter noch keine
Spannungsänderung stattfindet, nur Ub/2 Gleichspannung anliegt, der
Regler also noch voll wirksam ist.

Nicht mehr im Bild ist ein Schmitt-Trigger, der das endgültige
Ausgangssignal formt.

Jörg

Autor: Anja (Gast)
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Jörg H. schrieb:
> "vollständige" Threads mit Auflösung,

Welchen OP hast du hier für IC1 verwendet?

Gruß Anja

Autor: Jörg H. (idc-dragon)
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Anja schrieb:
> Welchen OP hast du hier für IC1 verwendet?

Darüber ist das letzte WOrt noch nicht gesprochen.
Ich habe verschiedene Reichelt-Typen ausprobiert, die eine Suche nach 
"op-amp speed" ausgespuckt hat, OPA2350, AD712, OPA2132, TS272. War 
interessant, wie unterschiedlich die sich die doch verhalten.

Meine momentane Wahl ist der OPA2350, aber der ist recht teuer. Ich 
finde meine Aufzeichnungen nicht, meine aber mich zu erinnern daß der 
billige TS272 auch nicht soo schlecht war.

Jörg

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