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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Auswertung Fotodiode


Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

so ich habe nun meine ersten Versuche durchgeführt, doch leider war das 
Ergebnis nicht so wie ich gehofft hatte.

Schaltung ist im Anhang.
Fotodiode ist, wie hier im Forum vorgeschlagen die BPW 21.
OP ist ein TL 081CP.

Widerstände hab ich variiert (22 kOhm bis 1,2 MOhm).

Bei Raumlicht hat es gut funktioniert, Wenn ich die FD leicht 
abgedunkelt habe, ist die Spannung weniger geworten.
Im Freien (bei Sonnenschein) hatte ich jedoch immer eine Spannung von 
~4,5V, egal wie stark ich abgedunkelt habe.

Wie oder was muss ich an der Schaltung ändern, damit ich auch 
Unterschiede bei starker Helligkeit erkenne?

Komisch war, dass die Spannung z.B. bei konstantem Raumlicht zu erst mit 
geringeren Widerstände (MOhm-Bereich) ebenfalls geringer geworden ist. 
Bei sehr geringen Widerständen (kOhm-Bereich) dann aber wieder größer 
wurde.

Viele Grüße
Michael

Autor: MaWin (Gast)
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> OP ist ein TL 081CP

Warum müssen unsere Hilfsingenieuere immer die ältesten Schrott-OpAmps 
aus der Wühlkiste nehmen, wenn sie was aufbauen ?

Der TL081 muss mit einer deutlich negativen Versorgungsspannung versorgt 
werden, wenn er was ab 0V messen soll, zumindest -3V.

Nimm was brauchbares, z.B. ein TS912, LMC6484, AD820,,wenn du bei deiner 
single supply Schaltung bleiben willst.

Autor: michael (Gast)
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wühlkiste trifft´s schon ganz gut.

sollte es also nur am OP liegen?

Autor: Michael (Gast)
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So hab heute das Ganze mal mit nem anderen OP versucht. Und zwar mit nem 
LM2904N. Einen TS912 werd ich noch bestellen. Das Ergebnis schaut besser 
aus, aber bin mir da immer noch nicht sicher was die Größenordnung 
angeht. Das Ganze bei 5V.

Im Freien mit Sonneinstrahlung (ca. 100.000lx):

Widerstände (2x 560k) = 368 mV
Widerstände (2x 1k)   = 487 mV

Im Zimmer mit Raumlicht (ca. 1000 lx):

Widerstände (2x 560k) = 317 mV
Widerstände (2x 1k)   = 389 mV


Mir erscheint die Reduzierung von 368mV im Freien auf 317mV drinnen zu 
gering zu sein.

Nach meiner Rechnung:

   Die BPW21:

   =>   9 nA pro 1 lx also 0,9 mA bei 100.000 lx
   (ca. Sonneneinstrahlung)
   100.000 lx sollen 3 V entsprechen!!

   => R = U/I = 2V/0,9mA = 2,22 kOhm, also 1,11 kOhm pro Widerstand

Ich messe aber ca. 500mV (s.o.), außerdem müsste die Messung im Zimmer 
um den Faktor (ca. 1000 lx) 1000 kleiner sein.


Was muss ich anders machen?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Der LM2904 ist nicht besser. Was du brauchst ist ein Low bias current 
OpAmp. Die haben in der Regel einen Fet Eingang. Zudem sollte er 
Rail-Rail sein.

Autor: Frank (Gast)
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Hallo Michael,

Ich arbeite seit ca. 1 1/2 Jahren an einem vergleichbaren Projekt.
Vier Dinge würde ich Dir vorschlagen:

1. Mache einen Offsetabgleich des OPV. Wie das geht findet man in 
verschiedenen Artikeln, manchmal auch im Datenblatt. Sollte kein Problem 
darstellen, dies hinzukriegen.

2.  Baue eine Bandbegrenzung ein, indem Du parallel zum 
Rückkoppelwiderstand eine Kapazität C schaltest. Damit dämpfst Du z.B. 
50Hz Störer.

3. Schirmung!!! Dein Eingang ist extrem sensibel und jede Leiterschleife 
wirkt wie eine Antenne und sammelt alles ein, was an Feldern existiert. 
Ich dachte tagelang meine Schaltung geht nicht, aber nein, es waren 
Einkopplungen aus dem Messobjekt.

4. Miss am Ausgang mit einem Oszi, alles was dort nicht DC ist, ist ein 
Problem, welches Du beseitigen mußt.

Bitte schreibe mal, ob's geholfen hat und was eventuell wirksam war.

Gruss

- Frank

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Frank,
danke für deine Vorschläge. Bin gerade dabie sie umzusetzen, bzw. es zu 
versuchen.

Frank schrieb:
> 1. Mache einen Offsetabgleich des OPV. Wie das geht findet man in
> verschiedenen Artikeln, manchmal auch im Datenblatt. Sollte kein Problem
> darstellen, dies hinzukriegen.

So einfach scheint das gar nicht, hab ewig gegoogelt bis ich etwas 
Verständliches gefunden habe. Letzenendes habe ich eine Schaltung zum 
Spannungsabgleich gefunden (s. Anhang). Im Anhang ist auch der TS912. 
Blöde Frage, aber welche Pins nehm ich als Offset-Pins?

Frank schrieb:
> 2.  Baue eine Bandbegrenzung ein, indem Du parallel zum
> Rückkoppelwiderstand eine Kapazität C schaltest. Damit dämpfst Du z.B.
> 50Hz Störer.

(=> s. S2)
=> C2 = 1/(2PI*R2*50) ; oder muss ich R1 auch berücksichtigen?
Bsp:  R2 = 1kOhm; f = 50 Hz
=> C2 = 1/(2*3,14*50*1000) = 3,18*10-6 F = 3,18 µF !

Frank schrieb:
> 3. Schirmung!!! Dein Eingang ist extrem sensibel und jede Leiterschleife
> wirkt wie eine Antenne und sammelt alles ein, was an Feldern existiert.
> Ich dachte tagelang meine Schaltung geht nicht, aber nein, es waren
> Einkopplungen aus dem Messobjekt.

Reicht es wenn ich das Ganze einfach mit Alu-Folie einwickel?

Frank schrieb:
> 4. Miss am Ausgang mit einem Oszi, alles was dort nicht DC ist, ist ein
> Problem, welches Du beseitigen mußt.

Hab leider kein Oszi zur Verfügung.



Frank nochmals besten Dank. Werd mich jetzt mal ran machen und dich/euch 
auf dem Laufenden halten.

Grüße

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Nur Einfach-OpAmps haben Offsetkorrektur Eingange. Ueblicherweise 1 & 8.

Autor: Michael (Gast)
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ok, danke. aber was bedeutet das jetzt für die 
offsetspannungskompensation mit nem TS912? nicht notwendig?

Autor: Frank (Gast)
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Hallo Michael,

zu Deinen Frage:

1. Dein OPV hat keine dedizierten Eingänge dafür, schau Dich deshalb 
hier mal um: http://www.national.com/an/AN/AN-31.pdf    Seite 6

2. Ehrlich gesagt, würde ich R1 weglassen und er geht auch nicht mit in 
die Berechnung ein.

3./4. Alufolien hilft. Aber sie ist dünn und über Zuführungskabel 
(Stromversorgung, Fotodiode) kommen auch Störungen.
Ohne Oszi ist das gaaanz schlecht. Nehmen wir an Du hast eine Störung, 
dann ist sie am Eingang immer Gleichspannungsfrei (Mittelwert 0). Dein 
OPV kann aber am Ausgan nur in eine Richtung verstärken, und siehe da, 
plötzlich ist am Ausgang ein DC-Offset da. Den bekommst Du ohne Oszi 
zwar mit, aber Du weißt nicht, ob es ein echter DC ist. Letztlich wird 
es schwierig ohne vernünftige Messtechnik. Die Erfordernis bzw. 
Wirksamkeit Deiner Schirmmaßnahemn kannst Du auch nicht einschätzen.

Gruss

- Frank

(keep me up-to-date!)

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Frank,

also hab heut meine ersten Versuche (mit LM2904) abgeschlossen. Es 
ergibt sich ein schöner Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der 
Helligkeit. Der Verlauf ist der eine e-Funktion (glaub e^-x oder so)

Als zweiten Versuch habe ich den Vorwiderstand weggelassen. Der Verlauf 
ähnelt sehr dem vom ersten Versuch. Draußen, also bei hoher Helligkeit 
sind die Werte ca. um die Hälfte kleiner. Im Zimmer ist kaum ein 
Unterschied zu sehen, die geringe Differenz die vorhanden ist könnte 
auch aufgrund der anderen Außenhelligkeit resultieren.

Bei Verwendung von nur 1 Widerstand scheinen mir so 6 kOhm die richtige 
Größenordnung zu sein.

Hab heut den TS 912 bekommen und werd den zweiten Versuch wiederholen.

Gruß

Autor: tt2t (Gast)
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> 1. Mache einen Offsetabgleich des OPV. Wie das geht findet man in
> verschiedenen Artikeln, manchmal auch im Datenblatt. Sollte kein Problem
> darstellen, dies hinzukriegen.

Nimm gleich einen "zero-offset-OP" 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Standardba..., 
mein Favoriten wären MAX4238 oder OPA333/335, mit denen habe ich schon 
einige Mess-Schaltungen aufgebaut.

Autor: tt2t (Gast)
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Das hier ist auch ganz interessant 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsenso... 
-> Konstantstromquelle mit Transimpedanzverstärker

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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>Nimm gleich einen "zero-offset-OP"

Mit der Offset Korrektur wollte man eigentlich den Dunkelstrom 
wegmachen... der auch noch Temperaturabhaengig ist.

Autor: Michael (Gast)
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hi, super danke. werd ich auch noch ausprobieren.

könnt ihr mir bitte nochmals in einfachen worten erklären, warum die OPs
TL 081CP oder LM2904 zu den von euch genannten nicht besonders geeignet 
sind.

gruß
michael

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

bin mir nicht sicher ob ich das mit dem Offset-Abgleich richtig 
verstanden habe.

Im Anhang ist die Schaltung 1 mit der ich die FD auswerten möchte. Wenn 
jetzt U1 = 0V (also ohne FD) habe ich bei U2 dennoch einen Spannungswert 
= Offset-Spannung. Dieser verfälscht mein Ergebnis und kann durch einen 
Abgleich ausgeglichen werden.

Abgleich:
Dazu die Schaltung 2. Den Poti so einstellen, dass U2 = 0V.

Dann den eingestellten Widerstand des Poti drin lassen und die FD ganz 
"normal" auswerten => Schaltung 3?

Ist das so richtig? Was ist denn ein geeignetes Poti?


Viele Grüße
Michael

Autor: Hermann E. (hermann_e)
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Hallo,

Falls von diesem Beitrag noch jemand am Leben ist - gibt's Fortschritte 
in euren Photodiodenausleseprojekten ?
Würde mich interessieren da ich an ähnlichen Problemen rumknappere !

Danke:  Hermann

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Erst sollte man spezifizieren was man denn messen moechte. Bandbreite, 
dynamischer Bereich des Stromes, usw.

Autor: hermann_e (Gast)
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Hm, dies war zwar nicht meine Frage aber in der Hoffnung auf 
konstruktive Beitraege warum nicht:
Ich will damit einen "Kleeblattdetektor" bauen. Vier Solarzellendie die 
an einer Ecken zusammenstossen sollen als Sonnenpositionsdetektor 
wirken. Ein durch einen kleinen Spiegel ausgesendeter Sonnenstrahl soll 
(ueber ein wenig Optik) auf den Kleeblattdetektor fallen. Ziel ist es 
durch eine entsprechende Mechanik das Bild (optisch gesprochen) der 
Sonne staendig im Stosspunkt der Solarzellen zu halten.
Dazu sollen die Zellen ausgelesen  (4xAVR ADC's) und die Mechanik so 
angesteuert werden so  alle 4 Zellen staendig gleich viel Licht 
abbekommen.
Die Bandbreite is dabei wurscht (1-2Hz reichen locker), auch die 
Linearitaet ist eher zweitrangig (habe eh' an einen logaritmischen 
Verstaerker gedacht) dafuer sollte die Stabilitaet (Temperatur-Drift, 
Langzeitstabilitaet)
Rauschunempfindlichkeit an oberster Stelle stehen.
Die Sollarzellen sind ca. 2x5cm gross und liefern wie eine Diode ca 0.6V 
Ausgangsspannung und einen Strom von max. 200 - 300 mA (wenn ich mich 
recht erinnere).

Hermann

Autor: MaWin (Gast)
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> Falls von diesem Beitrag noch jemand am Leben ist -
> gibt's Fortschritte in euren Photodiodenausleseprojekten ?

Scheinbar nicht ,
offenbar bauen sie die Photodiode immer noch verpolt rein.

http://www.electrooptical.net/www/frontends/frontends.pdf

Autor: Hermann E. (hermann_e)
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Muchas Gracias:  Hermann

Autor: Mike Strangelove (drseltsam)
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>Ich will damit einen "Kleeblattdetektor" bauen

Sag das doch gleich! Vergebene Liebsmüh. Die einzig sinnvolle Methode 
Solarzellen nachzuführen ist über die Tageszeit. Die Sonnenbahn ist 
schließlich bekannt. Die ganzen Tracking-Applikationen bringen nix, da 
sie anfangen jeder Wolke hinterherzuhecheln.
Zudem reicht es bei Solartrackern, die Photodioden über einen hohen 
Widerstand kurzzuschließen und die Spannung zu messen. Es sollen ja nur 
4 x die gleichen Werte rauskommen, der genaue Wert ist ja Wumpe.

Autor: Hermann E. (hermann_e)
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Danke: "How I learned to stop worrying and to love the bomb"

Leider sind die Dinge etwas komplizierter: Der Heliostat wird nur dann 
den Wolken nachhecheln wenn ich ihn lasse ! Im Klartext heißt das dass 
sobald die Sonne weg is' (wird über unabhängige Diode gemessen) der 
Heliostat wie von dir erwähnt in den "mathematischen Modus" übergeht. 
Ich brauche aber eine Stellgenauigkeit von (deutlich) besser als 1/10 
Grad da der Abstand zwischen Spiegel und Target bei 200 bzw 400m liegt. 
Dies will ich über dieses System erreichen.
Zum Detektor: Wie du das beschreibst (hochohmiger R) habe ich schlicht 
und ergreifend die Befürchtung dass über mehrere Grössenordnungen an 
Photonenfluß (oder "Lichtstärke" für den der's anders will) immer nur 
0.6V rauskommen !
Falls ich etwas übersehen habe lasse ich mich aber gern etwas besseren 
belehren.

Grüäzi:  Hermann

Autor: MaWin (Gast)
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> Falls ich etwas übersehen habe

Na ja, du hast halt übersehen, daß Mike recht hat
und deine Vorstellungen nicht realistisch sind
bzw. glatt falsch (0.6V sind nicht 0.6000V und 1mV
ist für Komparatoren die leichteste Übung).

Autor: Hermann E. (hermann_e)
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Schon klar,

letztlich zuckle ich nur auf der I/U Kurve der Diode (ein wenig) hin und 
her.
Es tut mir aber in der Seele weh eine dynamische Breite von ein paar uA 
bis  mehrere hundert mA einfach zu verschenken wo ich denke das es 
möglich sein müsste diese mit wenig Aufwand weitgehendst zu erhalten !

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ich wuerd unterhalb einer gewissen Amplitude (Lichtleistung) gar nichts 
mehr machen. zB 5%. Einfach stehenlassen. Also nichts mit log-amp und 
so.

Autor: Hermann E. (hermann_e)
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Danke Oktav,

Du hast nicht völlig unrecht (schliesslich will ich ja nicht dem Mond 
folgen !) Dennoch bleibt die Frage: Wie ?
Ein hochohmiger R überzeugt mich nicht, wenn dann eher wenig Ohm und ein 
nichtinvertierenter Op-amp mit ca. 0.4V-0.5V Referenzspannung. Selbst 2 
Ohm gibt bei 300mA U=R.I theoretisch schon 0.6V.

Hermann

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