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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Fotodiode direkt an ADC ohne OPV oder Transistor


Autor: Timmo H. (masterfx)
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Hallo.
Ich wollte an meinen Atmega88 eine Fotodiode (SFH 203) an den ADC 
anschließen um z.B. Blitze (Gewitter) zu erkennen und entsprechend zu 
reagieren.
Das ganze soll mit möglichst wenig externen (und passiven) Bauteilen 
gemacht werden (da die Spannungsquelle nur eine CR2032 ist).

Es gibt also eigentlich nur die Möglichkeit die Fotospannung direkt zu 
messen oder über einen 1MOhm (oder auch 220k) Widerstand die Spannung 
abzugreifen. Den Gleichspannungsteil würde ich mit einem 100nF Kerko 
rausfiltern. Das Problem ist nun wenn ich einen schnellen Lichtwechsel 
von Hell nach Dunkel habe eine Negative Spannungspitze am ADC anliegen 
hätte. Also müsste ich über einen Spannungsteiler noch den 
"Arbeitspunkt" auf z.B. V_CC/2 legen.

Wenn ich jedoch die Lösung mit dem 1MOhm Widerstand wählen würde können 
die Spannungsspitzen jedoch um +- V_CC schwanken, was in einem Fall zu 
viel und im anderen Fall wieder zu einer zu geringen Spannung führen 
würde (-VCC/2 am ADC). Gut, jetzt könnte ich anstatt 1 MOhm den 
Widerstand so verkleinern, dass ich maximal ein delta U von +-V_CC/2 
bekomme.

Oder ich lasse den Kondensator weg und "eiche" per Software die 
"Grundspannung" bei gegebener Helligkeit.

Nur was ist nun die bessere Lösung bzw. wie würdet ihr das lösen? (im 
Hinterkopf immer eine möglichst geringe Stromaufnahme und einfacher 
Schaltungsaufbau)

Autor: Michael (Gast)
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Simpel: Kathode der FD an VCC, Anode der FD an ADC und Widerstand, 
Widerstand an GND.

Den Widerstand so hochohmig wie möglich wählen - hängt vor allem vom 
Umgebungslicht ab (Dunkelstrom wird sich erst bei höheren Temp. 
auswirken).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Timmo H. (masterfx)

>Ich wollte an meinen Atmega88 eine Fotodiode (SFH 203) an den ADC
>anschließen um z.B. Blitze (Gewitter) zu erkennen und entsprechend zu
>reagieren.

Macht man sowas nicht eher über eine Mittelwellenantenne?

>Das ganze soll mit möglichst wenig externen (und passiven) Bauteilen
>gemacht werden (da die Spannungsquelle nur eine CR2032 ist).

Hmmm.

>Es gibt also eigentlich nur die Möglichkeit die Fotospannung direkt zu
>messen oder über einen 1MOhm (oder auch 220k) Widerstand die Spannung
>abzugreifen.

220k sind zu hochohmig, dadurch wird das alles sehr langsam.

>Nur was ist nun die bessere Lösung bzw. wie würdet ihr das lösen?

Mit einem stromsparenden OPV, welcher als Transimpedanzversärker 
arbeitet. Der ist auch deutlich schneller und braucht bei Dunkelheit 
kaum Strom. Siehe Lichtsensor/Helligkeitssensor.

>Hinterkopf immer eine möglichst geringe Stromaufnahme und einfacher
>Schaltungsaufbau)

Was sich nahezu ausschließt ;-)

MFG
Falk

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Falk Brunner schrieb:
> Macht man sowas nicht eher über eine Mittelwellenantenne?
ich nicht, ich will nur das Licht beobachten, zudem soll es auch als 
Lichtschranke verwendbar sein.

>>Es gibt also eigentlich nur die Möglichkeit die Fotospannung direkt zu
>>messen oder über einen 1MOhm (oder auch 220k) Widerstand die Spannung
>>abzugreifen.
>
> 220k sind zu hochohmig, dadurch wird das alles sehr langsam.
Ne das geht schon, die Grenzfrequenz ist mir nicht so wichtig. Mein 
Blitgerät kann ich damit wunderbar detektieren.

Autor: lköweh (Gast)
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Autor: Timmo H. (masterfx)
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lköweh schrieb:
> http://thomaspfeifer.net/tochterblitz_ausloeser.htm#Hardware
Ist zwar geschickt, aber hier muss man jedesmal über den Poti die 
"Schwellspannung" anpassen. Das würde ich mir natürlich sparen wollen, 
darum die Idee mit dem Kerko um die Gleichspannung rauszufiltern

Autor: Michael (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> 220k sind zu hochohmig, dadurch wird das alles sehr langsam.

3,5pF*220kOhm=770ns (VR=5V). Klar ist das zu langsam, um 40Gbit/s zu 
übertragen, aber das war ja auch nicht die Forderung...

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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>> Macht man sowas nicht eher über eine Mittelwellenantenne?
>ich nicht, ich will nur das Licht beobachten, zudem soll es auch als
Lichtschranke verwendbar sein.

Die eierlegende Wollmilchsau ... soll alles koennen, und nichts 
kosten... kannten wir, hatten wir, bis wir sie erschiessen mussten.
Das geht so nicht. Glaubs mir. Lichtschranken benoetigen moduliertes 
Licht.

Autor: Timmo H. (masterfx)
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O.. oha Jetzt ! schrieb:
> Die eierlegende Wollmilchsau ... soll alles koennen, und nichts
> kosten... kannten wir, hatten wir, bis wir sie erschiessen mussten.
> Das geht so nicht. Glaubs mir. Lichtschranken benoetigen moduliertes
> Licht.
Ist doch kein Problem. Mein 36 KHz Moduliertes Signal von meiner FB kann 
ich damit noch fast auflösen. Also sollte 10 kHz kein Problem sein...
Darum gehts mir aber auch nicht vorrangig.
Anbei ein 36 kHz IR Signal mit 280k und über 100nF Kerko

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Hier das Bild

Autor: ingo (Gast)
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Um den Gleichanteil zu entfernen, hatte ich mal folgendes getestet:
Beitrag "Re: Fotodiode Gleichanteil entfernen"
Am Kollektor stellt sich statisch die Spannung ein, die sich durch den 
Basisspannungsteiler*Basisflussspannung ergibt, schnellen Änderungen 
kann er wegen dem Kondensator an der Basis nicht folgen. ich gehe davon 
aus, das die Fotodiode in Sperrichtung gegen die Betriebsspannung 
geschaltet ist (also nicht selbst als Generator wirkt).
mfG ingo

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

>> 220k sind zu hochohmig, dadurch wird das alles sehr langsam.

>3,5pF*220kOhm=770ns (VR=5V). Klar ist das zu langsam, um 40Gbit/s zu
>übertragen, aber das war ja auch nicht die Forderung...

Bla.
3,5 pF aus welchem Hut hast du die gezaubert? Eine Photodiode + 
CMOS-Eingang + bissel Layout macht mal fix in Summe 10-20pF. Faktor FÜNF 
gegenüber deiner Rechnung, tau~4us. OK, reicht vielleicht noch.

Wenn ja, einfach die Diode + Arbeitswiderstand direkt an den uC hängen, 
der Rest ist Software.

MFG
Falk

Autor: Timmo H. (masterfx)
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ingo schrieb:
> ich gehe davon
> aus, das die Fotodiode in Sperrichtung gegen die Betriebsspannung
> geschaltet ist (also nicht selbst als Generator wirkt).
> mfG ingo
Ja genau, momentan habe ich es so beschaltet wie im Bild

Autor: Michael (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> OK, reicht vielleicht noch.

Gut, dass das geklärt ist...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Timmo H. (masterfx)

>Ja genau, momentan habe ich es so beschaltet wie im Bild

Lass den C weg, dann gibt es auch keine negative Spannung.

Autor: ingo (Gast)
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> Ja genau, momentan habe ich es so beschaltet wie im Bild

So genau meinte ich es auch, wenn Du jetzt den Ballastwiderstand durch 
die "Spulennachbildung" (gibt auch andere Bezeichnungen dafür, finde die 
aber am treffendsten) aus meinem Beitrag, ersetzt, sollte sie sich den 
wechselnden Umgebungslichtverhältnissen ganz gut anpassen, die statische 
Kollektorspannung sollte so bei 1,5-2V bleiben.
mfG ingo

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Falk Brunner schrieb:
> @  Timmo H. (masterfx)
>
>>Ja genau, momentan habe ich es so beschaltet wie im Bild
>
> Lass den C weg, dann gibt es auch keine negative Spannung.
Das ist zwar schon richtig, jedoch wird es dann schwieriger kleine 
Helligkeitswechsel zu erkennen, die gehen dann quasi im Rauschen unter. 
Wäre die Negative Spannung nicht könnte man gut die interne Verstärkung 
verwenden. Zudem habe ich mit den Kondensator davor auch noch die 
Möglichkeit andere "wechselquellen" wie Mikrofon etc. dort 
anzuschließen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Timmo H. (masterfx)

>> Lass den C weg, dann gibt es auch keine negative Spannung.
>Das ist zwar schon richtig, jedoch wird es dann schwieriger kleine
>Helligkeitswechsel zu erkennen, die gehen dann quasi im Rauschen unter.

Und der Kondensator verstärlt diese? Nicht wirklich. Er verschiebt nur 
den Arbeitspunkt, was dir hier eher Probleme macht.

>Wäre die Negative Spannung nicht könnte man gut die interne Verstärkung
>verwenden. Zudem habe ich mit den Kondensator davor auch noch die
>Möglichkeit andere "wechselquellen" wie Mikrofon etc. dort
>anzuschließen.

Du bist auf dem Holzweg. Du willst die SuperDuperAlleskönnerlösung. Die 
wird am Ende aber eher schlecht funktionieren.

MFG
Falk

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Moin, ich nochmal.
Ich habe im Netz nun schon mehrere Schaltungen gefunden, die das einfach 
über einen RC Tiefpass gelöst haben, z.B. hier: 
http://thomaspfeifer.net/tochterblitz_ausloeser.htm (Bild 7)
Das funktioniert ja auch, nur passiert es ja trotzdem, dass wenn z.B. 
das Licht längere Zeit an war und dann Sprunghaft abgeschaltet wird 
(also z.B. schnelle Lichtquellen wie z.B. LED), dass eben eine Negative 
Spannung am ADC anliegt. Auch wenn es wohl eher selten vorkommen dürfte, 
möchte ich halt sichergehen, dass der Portpin das auch verträgt. Also 
ich würde das dann z.B. so wie in angehängter Schaltung machen.
Der Vorteil, wenn man den Gleichspannungsanteil entfernt ist eben, dass 
man über den Comparator eine relativ kurze Reaktionszeit erreichen kann, 
was durch das Pollen des ADCs eben nicht so einfach geht.

Autor: Michael H. (michael_h45)
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bau halt eine ordentliche schaltung für die photodiode auf und schalt 
die per controller an und aus.

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Dafür habe ich keinen Platz mehr. Ein paar Rs und Cs und vielleicht ne 
Transe bekomme ich noch unter, aber das wars.
Zwischen den 3,5mm Buchsen soll dann die Fotodiode

Autor: ♪Geist (Gast)
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Warum überhaupt diese Diode, die ist recht schmallbanding und Ihre 
Spitze liegt bei 800nm. Such dir eine breitbandige Diode mit einer 
annehmbaren Empfindlichkeit im 480-630nm Bereich. Wenn die 
Gewitter-Blitze einen enormen Lichtanteil bei 800nm haben ist deine 
Diode natürlich auch geeignet. Der Schaltung würde ich einen Monoflop 
verpassen, damit man ja alle Blitze detektiert. Ist der Monoflop 
gesetzt, mit dem uC nachmessen, was die Diode sagt. Ist das Licht immer 
noch da, war das kein Blitz :)

Autor: Timmo H. (masterfx)
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♪Geist schrieb:
> Warum überhaupt diese Diode, die ist recht schmallbanding und Ihre
> Spitze liegt bei 800nm. Such dir eine breitbandige Diode mit einer
> annehmbaren Empfindlichkeit im 480-630nm Bereich.
Die hatte ich gerade hier rumliegen und die Empfindlichkeit reicht mir 
eigentlich. Zudem ist der "Sichtwinkel" relativ groß. Ich sehe ja auf 
dem Scope dass es klappt.

Ich könnte es ja auch einfach mit VCC lassen und einfach die 
Fotospannung messen. Nach dem C einfach einen Spannungsteiler, so dass 
der Arbeitspunkt bei VCC/2 liegt. Maximal habe ich dann ja einen 
Ausschlag von +-0.7V. Am Comparator AIN0 mach ich dann das gleiche und 
ebenfalls über einen 100nF auf analog GND.
Ich denke das ist die einfachste Lösung...
Man könnte natürlich auch noch die internen Pullups missbrauchen...

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