Simplen Signalverstärker bauen

[Patrick E. (p4trick)]

Hallo Zusammen,

die ist mein erster Beitrag, daher habt bitte etwas Nachsicht mit mir 
:-)

Ich habe schon gesucht, aber nicht exakt das gefunden, was ich suche- 
meistens waren ein oder zwei Parameter anders, was mich dann stutzig 
machte.

Also ich möchte mir eine Wetterstation bauen mit Tinkerforge und habe 
ein Problem beim WindRICHTUNGSmesser:

Dieser wird scheinbar durch eine simple Art von Lichtschranken 
realisiert:
auf einer Runden Platine habe ich innen in einem kleinem Kreis 4 Dioden 
die UV-Licht aussenden und außen Fotodioden die das Licht einfangen 
sollen.

In einem Zwischenraum zwischen den Sender und Empfangsdioden dreht sich 
ein Läufer, der in seindem Rand ein Loch hat. Je nachdem wie sich nun 
die Windfahne dreht, hat der Läufer sein Loch ein anderen Stelle und 
eine andere Fotodiode liefert Spannung die ausgewertet werden kann.

Nun zu meinem Problem:

die Spannung der Fotodioden liegt bei ca. 50mv. Das Board von 
Tinkerforge benötigt aber eine Spannung von 3,3 -5V um etwas erkennen zu 
können.

Nun möchte ich einen ganz einfachem OP nehmen - ich dachte an einen 
TL081 oder TL082 der eine Eingagnsspannung von 5V bekommt. An den Eingag 
gehe ich mit dem Sensor rein und der Ausgang sollte ja- da ich nicht 
begrenze- knapp unterhalb meiner Ub sein.

Ist das so richtig und kann ich das so einfach beschalten, oder fehlt da 
noch etwas?

Hoffe ich liege nicht ganz so falsch und ihr könnt mir helfen.

Danke und Gruß
Patrick

[Gregor B. (Gast)]

Schaltungsprosa ist schwer zu verstehen, mal auf, wie Du Dir das denkst.

[Patrick E. (p4trick)]

Hallo,

stimmt, da hast du recht. Ich habe es nun mal aufgezeichnet wie ich mir 
das Denke.

Jedoch hab eich mir nochmal das Board von Tinkerforge angeschaut und ich 
denke es braucht keinen OP.

das Baord liefert selbst schon eine Spannung von 3,3 V gegen GND und 
liefert mir bei Zustandswechsel einen Interruppt ( 3,3V Logisch 1 0V 
logisch 0)

Ich bräuchte also einen PNP-Transistor der einfach nur bei 0,05V 
durchgängig schaltet (Nennt sich glaube ich Sperrspannung oder ? )

Auf der CE Strecke habe ich ja dann meinen Schalter der geschaltet wird, 
sobald auf der BE Strecke eine Spannung >= 0,05 V anliegen?

Hoffe das hilft nun Licht ins Dunkel zu bringen.
Gruß
Patrick

[Hoher Stapel (Gast)]

Leider nicht. Nimm einen OpAmp.

[Patrick E. (p4trick)]

Danke für deine Antwort, aber ein opAamp liefert mir ja aber Spannung, 
und aufgrund meiner neuen Erkenntnisse brauche ich ja einen Schalter der 
mir die vom Board ausgesendete Spannung einfach nur schaltet (Durchgang 
und kein  Durchgang)

Oder kann ich das mit einem opAmp auch realisieren?

Könntest du da vielleicht mal etwas ausführlicher zu schreiben wie ich 
den opAmp zu verschalten hätte?

Danke

[Hoher Stapel (Gast)]

Ein Bipolartransistor wie gezeichnet benoetigt mindestens 0.7V um etwas 
zu machen, zuden noch einen kollektor Widerstand.

Eigentlich sollte man einen Komparator nehmen. zB einen LM339 oder so. 
Beschaltung gemaess Datenblatt, mit Hysterese

[Patrick E. (p4trick)]

hust

ähm, entschuldige wenn ich die doofe Frage stelle, aber für mich sieht 
der Komperator intern genau so aus wie ein Bipolartransistor( Außer das 
die Anschlüsse BCE alle auf einer Seite liegen) , wo ist der 
unterschied?

Und was meinst du mit Hysterese?

[Achim S. (Gast)]

Patrick Ehlers schrieb:
> UV-Licht aussenden

hoffentlich IR-Licht ;-) Das ist zwar auch unsichtbar, eignet sich aber 
viel besser für den Empfang mit Fotodioden und ist auch viel billiger.

Patrick Ehlers schrieb:
> die Spannung der Fotodioden liegt bei ca. 50mv

dann ist da was faul. Unbelastet müssten Fotodioden, die angestrahlt 
werden, mindestens einige hunder mV bringen. Wenn es wirklich nur 50mV 
sind, dann
- kommt entweder kein licht auf der Fotodiode an (vielleicht sind es ja 
wirklich UV-LEDs und die Fotodiode ist "blind" für diese Strahlung)
- oder die Fotodiode ist durch eine niederohmige Last kurzgeschlossen.

Sind die Fotodioden irgendwie mit niederohmigen Widerständen beschaltet 
oder hast du Zugriff auf die nackten Dioden? Am einfachsten wäre es, du 
nutzt den Diodenstrom direkt um einen Transistor (als Stromverstärker) 
anzusteuern.

Oben siehst du eine kleine Schaltung, wie es funktionieren könnte. Mit 
R1 (je nach Empfindlichkeit der Fotodiode Widerstand im Bereich von 
einigen hunder kOhm) stellst du die Schwelle ein, ab der der Transistor 
schalten soll. R2 sind einige 10kOhm (evtl. reicht auch der interne 
Pullup deines µCs).

Das würde reichen, wenn du wirklich nur Schaltflanken erkennen willst. 
Wenn du stattdessen das Fotodiodensignal quantitativ auswerten willst 
(also den analogen Wert bestimmen), wäre wirklich ein OPV als Verstärker 
angesagt.

[Patrick E. (p4trick)]

>> UV-Licht aussenden

>hoffentlich IR-Licht ;-) Das ist zwar auch unsichtbar, eignet sich aber
>viel besser für den Empfang mit Fotodioden und ist auch viel billiger.

klar: IR-Licht.. mein Fehler

Ich habe die Spannung nur einmal gemessen als die Diode ausgeschaltet 
war nur mit Raumbeleuchtung- vielleicht lag es daran. Ich würde dann
später mal Spannung an die IR-Diode anlegen und dann mal an der 
Fotodiode Messen.

>Sind die Fotodioden irgendwie mit niederohmigen Widerständen beschaltet
>oder hast du Zugriff auf die nackten Dioden? Am einfachsten wäre es, du
>nutzt den Diodenstrom direkt um einen Transistor (als Stromverstärker)
>anzusteuern.

Nein, die Dioden sind einfach nur aufgelötet und "dumm" verschaltet und 
auf Kabel geleitet
Ich kann direkt an die Diodenkontake dran.
Das war ja meine Anfänglichen Idee, jedoch wollte ich nicht den Strom, 
sondern die Spannung abgreifen und verstärken.. geht das nicht mit einem 
Transistor?

Da meine Tinkerforge-Board wirklich nur auf Schaltvorgänge reagieren 
braucht, reichen mir die Schaltflanken aus.

Es gäbe(mit einem anderem Board welches Spannung messen kann) die 
Möglichkeit auch die Spannung direkt abzugreifen und zu verwerten, 
jedoch weitaus aufwendiger (programmiertechnisch) und vor
allem weitaus teurer (10 Euro für ein Board mit 16IO- schnittstellen 
gegenüber 8*6 Euro plus 2* 28 Euro für die Masterplatine)

Danke dir erstmal für die ausführlichere Beschreibung. Kannst du mir 
vielleicht noch die Formel für das Ausrechnen von R1 aufzeigen?
-ich habe nur welche gefunden, wo Frequenzen usw. mit einspielen- die 
sind ja für mich vollkommen uninteresant...

Danke und Gruß

[Michael W. (Gast)]

Patrick Ehlers schrieb:
> Das war ja meine Anfänglichen Idee, jedoch wollte ich nicht den Strom,
> sondern die Spannung abgreifen und verstärken.. geht das nicht mit einem
> Transistor?

Es ist bei Fotodioden üblich, den (Sperr-)Strom als Maß der 
Beleuchtungsstärke zu verwenden, nicht die Spannung.

Bei I=0 (Messen durch hochohmiges Voltmeter) legst du den Arbeitspunkt 
im zweiten Quadranten fest (=Solarzelle). Üblich ist es, durch eine 
negative Spannung in Sperrichtung in den 3. Quadranten zu kommen. Und da 
ist die Schaltung von Achim S. schon OK.



R1 wird einfach so dimensioniert, dass erst bei entsprechender 
Beleuchtung ein deutlicher Basisstrom fließt, und darunter alles über 
den Widerstand abfließt.  Also:

R1 = 0.65V / I(Fododiode-schwelle)

Ein klein wenig habe ich aber Bedenken, ob nicht eine leichte 
Schalthysterese sinnvoll wäre. Was passiert im "Dämmerungszustand" ? 
Oder kommt sowas nicht vor?


LG, Michael

[Patrick E. (p4trick)]

Michael W. schrieb:
> R1 wird einfach so dimensioniert, dass erst bei entsprechender
> Beleuchtung ein deutlicher Basisstrom fließt, und darunter alles über
> den Widerstand abfließt.  Also:
>
> R1 = 0.65V / I(Fododiode-schwelle)

wober bekommst du denn hier die 0,65V ? ist das die Übliche 
Sperrspannung von einem Transistor (denke ich jetzt mal)

Und wie bekomme ich die schwelle der Fotodiode heraus- ist das deine 
besschriebene Vorgehensweise oben?

Michael W. schrieb:
> Ein klein wenig habe ich aber Bedenken, ob nicht eine leichte
> Schalthysterese sinnvoll wäre. Was passiert im "Dämmerungszustand" ?
> Oder kommt sowas nicht vor?

Nein, so etwas kommt nicht vor- die gesammte Platine ist in einem 
schwarzen Röhrchen mit Deckel verschlossen und vor Außenlicht 
abgeschirmt. Zusätzlich ist dieses "Sensoreinheit" (also das schwarze 
Röhrchen mit allem drum und dran ) noch im eigentlichen Gehäuse des 
Windrichtungsmessers eingebaut- also praktisch doppelt vor Licht 
geschützt.

Das einzige (was aber denke ich vernachlässigbar ist, ist das 
"Nachglimmen" oder Streulicht welches in dieser Sensoreinheit auftreten 
kann und durch die Öffnung des Läufers austritt und auf eine benachbarte 
Fotodioden scheinen könnte. Aber das bekomme ich durch messen im 
eingebauten zustand heraus.

[Michael W. (Gast)]

Patrick Ehlers schrieb:
> Nein, so etwas kommt nicht vor- die gesammte Platine ist in einem
> schwarzen Röhrchen mit Deckel verschlossen und vor Außenlicht
> abgeschirmt.

Außenlicht meinte ich auch nicht. Du sagtest, mehrere Dioden werden 
durch verschiedene Lochblenden beleuchtet. Kann es nicht passieren, dass 
der Verdreh-Winkel gerade so ungünstig in einer Art "Mittelstellung" 
steht, sodass zwei Dioden zu je 50% bestrahlt werden, statt eine Diode 
zu 100% ?? Dann wäre der Ausgang u.U nicht mehr ganz sauber definiert 
und es kommen zwei oder keine Diode zum Zug und es "flattert".

UBe ist die Basis-Emitterspannung in Vorwärtsrichtung und die beträgt 
0.65...0.7V (typisch). Das sollte aber nicht kritisch sein.

Du musst mit dem vorhandenen Fotostrom ID den Transistor nur sicher 
durchschalten können:

R2 >~ 3.3V / (50*ID)

Du solltest also schauen, wie groß der Fotostrom wird. Beliebig 
belastbar wird der Ausgang dann also nicht mehr; als IO Port für eine 
MCU reicht es aber völlig.

LG, Michael

[Michael W. (Gast)]

Nur falls es interessiert: Hier eine leicht modifizierte 
Transistorschaltung, die eine Schalthysterese aufweist. R2 und R4 
skalieren natürlich mit dem zu erwartenden Fotostrom.

LT Spice Simulation:
Es wurde dem Fotostrom ein Rauschen von 10% überlagert. UB=3,3V
Oben: Signalverlauf ohne R2 (keine Hysterese), unten mit Hysterese.
Ich würde schon sagen, dass das Ergebnis die kleinen Mehrkosten 
rechtfertigt.

Liebe Grüße
Michael

[Achim S. (Gast)]

Michael W. schrieb:
> jedoch wollte ich nicht den Strom,
>> sondern die Spannung abgreifen und verstärken.. geht das nicht mit einem
>> Transistor?
>
> Es ist bei Fotodioden üblich, den (Sperr-)Strom als Maß der
> Beleuchtungsstärke zu verwenden, nicht die Spannung.

Im Prinzip kann man auch die Leerlaufspannung einer Fotodiode nutzen. 
Allerdings sind der Sperrstrom bzw. der Kurzschlussstrom über einen 
riesigen Bereich proportional zur Beleuchtungsstärke. Die 
Leerlaufspannung springt hingegen schon bei geringer Beleuchtung fast 
auf ihren Endwert und ändert sich nur sehr wenig, wenn die 
Beleuchtungsstärke zunimmt.

Allerdings glaube ich, dass bei dir wahrscheinlich gar keine Fotodioden 
verbaut sind sondern Fototransistoren (denn dein Messwert von 50mV passt 
überhaupt nicht zu bleuchteten Fotodioden). Fototransistoren sind für 
diese Anwendung auch ein viel sinnvollerer Sensortyp. In dem Fall macht 
eine Spannungsmessung gar keinen Sinn, du musst praktisch den Strom 
verwenden. Die bisher vorgeschlagenen Schaltungen passen auch für 
Fototransistoren (die Widerstandswerte sollten dann ca. einen Faktor 10 
kleiner gewählt werden).

Allerdings könntest du bei Fototransistoren auch auf den Verstärker 
verzichten, weil sie den durch die Stromverstärkung des Transistors 
sozusagen schon eingebaut haben. Einfach den Emitter auf GND, den 
Kollektor über einen Arbeitswiderstand (einige hundert Ohm ... einige 
kOhm) nach 3,3V und mit dem Kolletor auf den µC-Pin.

Auch wenn du momentan nur das Umschalten der Sensoren auswerten willst, 
solltest du das Signal auf diejenigen Pins des µC geben, die mit dem ADC 
verbunden werden können. Vielleicht willst u ja später mal doch den 
Analogwert auswerten und damit die Winkelstellung wesentlich genauer 
bestimmen.