Hallo zusammen, ich habe die folgende Schaltung nachgebaut: http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/thumb/6/68/Photo_diode_tia.png/220px-Photo_diode_tia.png VCC ist 12 V und als negative Versorgungsspannung dient GND. Der Kondensator hat 100 pf und der Widerstand 1M. Als Photodiode kommt eine SFH 203 zum Einsatz. Prinzipiell funktioniert die Schaltung, aber die Spannung, die ich nach dem OPV messe ist viel zu niedrig! Ich möchte gerne irgendwas im Bereich von ganzen Volt + Nachkommastellen messen, aber momentan kommen da nur Werte von 0,00025 V oder so raus! Je nach Lichteinfall ändert sich die Spannung, aber sie ist um mehrere Potenzen zu gering. Meine Frage ist nun, muss der Widerstand kleiner oder größer werden? Ich verstehe nicht so wirklich, was der Widerstand überhaupt tut. Vielen Dank :-)
Was passiert, wenn Du mit der Taschenlampe direkt drauf strahlst?
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Schaltung.gif
96 KB
Eine Taschenlampe hatte ich nicht zur Hand. Ich habe die Fotodiode aber vor eine Schreibtischlampe gehalten und dann stieg die Spannung von 0,0001 V (Umgebungslicht) auf 0,00024 V an. Ich glaube, dass ich die Schaltung richtig aufgebaut habe, aber vielleicht habe ich doch einen Fehler gemacht. Die Schaltung ist wie im Anhang aufgebaut. Zwischen allen GND-Klemmen ist natürlich eine Brücke. Beim LM358 liegen Pin 3 und 4 an GND. An Pin 2 liegt die Kathode der Fotodiode und Pin 1 ist mein Ausgang.
>Ich verstehe nicht so wirklich, was der Widerstand überhaupt tut.
Na, den Fotostrom natürlich in eine Spannung umwandeln.
Löte mal alles nach...
R. B. schrieb: > Meine Frage ist nun, muss der Widerstand kleiner oder größer werden? > Ich verstehe nicht so wirklich, was der Widerstand überhaupt tut. Guck die mal hier die Beschreibung an. Eine Formel zur Tätigkeit des Widerstandes findest du dort auch. http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker
Wunderbar, vielen Dank :-) Ich gehe jetzt erstmal davon aus, dass ich irgendwo einen Kontakfehler habe oder aber das R viel zu klein ist.
0815 schrieb: > R. B. schrieb: >> Meine Frage ist nun, muss der Widerstand kleiner oder größer werden? >> Ich verstehe nicht so wirklich, was der Widerstand überhaupt tut. > > Guck die mal hier die Beschreibung an. Eine Formel zur Tätigkeit des > Widerstandes findest du dort auch. > http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker Eine kleine Frage hierzu habe ich noch. In dem Wikipediaartikel sieht es so aus, als sei Ua nur vom Photostrom und dem Widerstand abhängig und die Versorgungsspannung des OPs irrelevant, aber dem ist nicht so, oder?
wir haben früher immer die Photodiode vorgespannt, d.h. eine Spannung in Sperrichtung angelegt. Im Halbleiter hat das 2 Effekte: a) der intrinsiche Bereich, d.h. der Bereich in dem Photonen zu nutzbaren Elektron-Loch-Paaren umgewandelt werden können, wird größer. b) so entstandene Elektronen und Löcher werden sofort in Richtung der P/N-Bereiche, d.h. zu den Anschlüssen gesaugt. Es wird damit sehr unwahrscheinlich, dass die Ladungsträger unbemerkt rekombinieren. Wenn du nur eine einfache Spannungsversorgung hast kannst du das erreichen indem du den + Eingang des OPs nach oben schiebst, z.B. mit einem Spannugsteiler. Berücksichtige aber dass das deinen Ausgangsspannungsbereich entsprechend verändert. Grüße, Joey
>a) der intrinsiche Bereich, d.h. der Bereich in dem Photonen zu >nutzbaren Elektron-Loch-Paaren umgewandelt werden können, wird größer. Damit sinkt zwar die Detektorkapazität, der Dunkelstrom und damit das Rauschen nimmt aber zu. Anlegen einer Sperrspannung macht die Fotodiode in der Tat schneller, aber nicht rauschärmer. >b) so entstandene Elektronen und Löcher werden sofort in Richtung der >P/N-Bereiche, d.h. zu den Anschlüssen gesaugt. Es wird damit sehr >unwahrscheinlich, dass die Ladungsträger unbemerkt rekombinieren. Auf die CCE (charge collection efficiency) hat das, wie man auch dem Datenblatt entnehmen kann, keinen Einfluß: Bei 1000_lx gibt es 80µA Fotostrom, ob mit oder ohne Sperrspannung. >In dem Wikipediaartikel sieht es so aus, als sei Ua nur vom Photostrom >und dem Widerstand abhängig und die Versorgungsspannung des OPs >irrelevant, aber dem ist nicht so, oder? Natürlich ist dem so. Schon merkwürdig worauf man als Anfänger so alles kommt. Ein OPamp ist so konstruiert, daß seine Verstärkungstätigkeit, also das Auswerten der Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen, von der Versorgungsspannung weitgehend unabhängig ist. Mach dich doch mal kundig, wie ein OPamp funktioniert. Es lohnt sich...
R. B. schrieb: > Ich habe die Fotodiode aber vor eine Schreibtischlampe gehalten und dann > stieg die Spannung von 0,0001 V (Umgebungslicht) auf 0,00024 V an. Und das bei einem LM358? Das ist praktisch auf dem negativen Rail. Bist du dir sicher, dass die Fotodiode richtig herum angeschlossen ist? Hast du auch sicher einen 1 Megaohm Widerstand eingebaut? Den Kondensator würde ich im ersten Schritt auch weg lassen (wobei er mir so schon mit 100 pF recht groß vorkommt). Was willst du denn mit der Schaltung machen, also welchem Zweck dient sie? Hast du außerdem einen großen Metallkäfig in den du die Schaltung reinsetzen kannst? Bei 1 Megaohm Feedback-Widerstand bist du schon im Bereich in dem eine Schirmung sicher empfehlenswert ist.
Michael Köhler schrieb: > Den Kondensator würde ich im ersten Schritt auch weg lassen (wobei er mir > so schon mit 100 pF recht groß vorkommt). Dann rechne dir mal für 1MΩ die Zeitkonstante aus ;-) Der Kondensator bildet mit dem Widerstand einen Tiefpass. Für Gleichlicht ist der Wert ziemlich schnuppe, solange die Leckströme nicht in die Größenordnung des Photostromes kommen, es um die Grundfunktion geht und nicht um die Optimierung der Bandbreite.
Wolfgang schrieb: > Dann rechne dir mal für 1MΩ die Zeitkonstante aus ;-) Hab ich schon Wolfgang schrieb: > Der Kondensator bildet mit dem Widerstand einen Tiefpass. Yo, ist natürlich nen TP. Hab ja nix anderes behauptet. Wolfgang schrieb: > Für > Gleichlicht ist der Wert ziemlich schnuppe Und was spricht nun dagegen ihn erstmal weg zu lassen? Nur mal so als Tipp: So lustige Energiesparlampen arbeiten im kHz-Bereich. Was wohl der TP mit sowas machen würde.
Also noch mein Senf dazu: Wenn dein Aussteuerungsbereich zu niedrig ist, versuch mal anstelle des 1MOhm einen 10MOhm einzulöten, dann sollte das Signal auch in etwa um den Faktor 10 steigen, falls das nicht so ist, muss irgendwas mit der Schaltung kaputt sein. Klar sind 10MOhm viel zu groß für eine reale Schaltung aber zum testen sollte das ja kein Problem sein. Mit dem C kann man eben schnelle Signale rausglätten, wenn man zB ein EVG betriebene Lampe doch glatt sehen will am Transimpedanzausgang. Weglassen würde ich ihn nicht unbedingt, dann könnte die Schaltung schwingen, auch wenn ich nicht weiss wie sich das weiter auswirkt :) Aber für deine Zwecke sollte es vollkommen egal sein ob da 10pF oder 100nF drinstecken, wenn du ne Lampe dranhälst muss dein Signal steigen und entsprechend fallen.
Vielen Dank an alle. Nun funktioniert alles! Zuerst habe ich die 100 pf ausgelötet und dies machte keinen Unterschied. Anschlißend habe ich den Widerstand von 1 M durch 10 M ersetzt. Dies brachte eine Änderung der Messpannung von maximal 0,002 V auf 10 V vor einer Taschenlampe. Ich habe nun noch einen kleineren Kondensator hinzugefügt und festgesellt, dass nun schon sehr wenig Licht ausreicht, um eine maximale Verstärkung zu erreichen. Vielleicht muss ich nochmal einen Wert zwischen 1 M und 10 M probieren ;-) Vielen Dank auch für die ganzen zusätzlichen Informationen :-)
R. B. schrieb: > Dies brachte eine Änderung der Messpannung von maximal 0,002 V auf 10 V > vor einer Taschenlampe. Das kann eigentlich nicht sein, dann war der 1MHom Widerstand entweder defekt, oder wahrscheinlicher du hattest eine kalte Lötstelle.
Irgendwann koennte man den LM358 noch durch einen Fet-OpAmp ersetzen. zB etwas in der Richtung von LMC 6462 oder so.
Udo Schmitt schrieb: > R. B. schrieb: >> Dies brachte eine Änderung der Messpannung von maximal 0,002 V auf 10 V >> vor einer Taschenlampe. > > Das kann eigentlich nicht sein, dann war der 1MHom Widerstand entweder > defekt, oder wahrscheinlicher du hattest eine kalte Lötstelle. Ich bin darüber auch verwundert, aber ich habe den Widerstand hinterher gemessen und er hatte ca. 1M und kalte Lötstelle glaub ich auch nicht, da sich ja was geändert hat, wenn die Phtotodiode mehr Photonen bekam!
Taugenichts hat übrigens recht. Der LM358 hat für einen solchen Transimpedanzverstärker einen viel zu hohen Eingangsstrom. Du brauchst auf jeden Fall einen OP mit Fet Eingängen.
Udo Schmitt schrieb: > Taugenichts hat übrigens recht. Der LM358 hat für einen solchen > Transimpedanzverstärker einen viel zu hohen Eingangsstrom. Du brauchst > auf jeden Fall einen OP mit Fet Eingängen. Dann wundert es mich, warum er hier auf dieser Hompage in dieser Schaltung als Beispiel genannt wird. Mit dem 10M Widerstand funktioniert es ja nun und wenn ich es richtig sehe, habe ich dadurch nicht wirklich einen Nachteil, außer dass die Schaltung langsamer ist als mit 1M. Die Grenzfrequenz liegt mit meinen Komponenten noch immer bei 18 kHz. Darüber hinaus bin ich froh, dass es jetzt so funktioniert und den angegebenen OP führt weder Conrad, noch reichelt ;-)
R. B. schrieb: > Dann wundert es mich, warum er hier auf dieser Hompage in dieser > Schaltung als Beispiel genannt wird. Weil er für 08/15 Fotodioden wie die BPW34, die idR einen Fotostrom im µA-Bereich aufweisen, mehr als ausreichend ist. ;) R. B. schrieb: > Darüber hinaus bin ich froh, dass es jetzt so funktioniert und den > angegebenen OP führt weder Conrad, noch reichelt ;-) Es hies ja auch nur "wie". Einen AD820 hat aber bestimmt das große C und der wäre auch klasse ;) Außerdem ganz toll: OPA380, kann man sich als Sample von TI schicken lassen ;)
Michael Köhler schrieb: > R. B. schrieb: >> Dann wundert es mich, warum er hier auf dieser Hompage in dieser >> Schaltung als Beispiel genannt wird. > > Weil er für 08/15 Fotodioden wie die BPW34, die idR einen Fotostrom im > µA-Bereich aufweisen, mehr als ausreichend ist. ;) Ok, das sehe ich ein ;) Aber habe ich denn jetzt wirkliche Nachteile bei meiner Variante, außer dass die Schaltung nicht die schnellste ist?
R. B. schrieb: > Michael Köhler schrieb: >> R. B. schrieb: >>> Dann wundert es mich, warum er hier auf dieser Hompage in dieser >>> Schaltung als Beispiel genannt wird. >> >> Weil er für 08/15 Fotodioden wie die BPW34, die idR einen Fotostrom im >> µA-Bereich aufweisen, mehr als ausreichend ist. ;) > > Ok, das sehe ich ein ;) > > Aber habe ich denn jetzt wirkliche Nachteile bei meiner Variante, außer > dass die Schaltung nicht die schnellste ist? Wenn du eh nur statisch messen willst sehe ich keine Probleme. Würde ich dann genauso machen wie du. Wozu misst du es denn? Willst du die UV-Leistung eines LED-Belichters regeln? Fänd ich grad ne spannende Idee ;)
Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss.
Michael Köhler schrieb: > Wenn du eh nur statisch messen willst sehe ich keine Probleme. Würde ich > dann genauso machen wie du. Wozu misst du es denn? Willst du die > UV-Leistung eines LED-Belichters regeln? Fänd ich grad ne spannende Idee > ;) Das wäre wirklich eine gute Idee, aber ich möchte die Reflektion von bestimmten Materialien messen. Diese befinden sich in Bewegung, aber höchstens mit ein paar km/h ;-)
Helmut S. schrieb: > Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der > BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb > ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier > einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt > noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. Gut zu wissen :-) Wie sieht denn deiner Meinung nach die Idealschaltung aus?
Helmut S. schrieb: > Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand > mit der > BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb > ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier > einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt > noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. Da sich der TO wohl kaum ein im Kalibrierlabor vermessenes Exemplar einer BPW34 gekauft haben wird, liegt die Ungenauigkeit intrinsisch schon einmal bei bis zu 20%. Auf 5nA Offsetstrom kommt es hier sicher nicht an. Offensichtlich reicht dem TO die jetzige Genauigkeit und hat nicht einmal einen zweiten 1MOhm-Widerstand eingebaut, um den Biasstrom von 45nA zu kompensieren - gut sind ja auch nur zusätzliche 2% FS-Fehler... Fazit: Alleine das Verlöten einen neuen OPVs zahlt sich nicht aus - geschweige denn der Kauf oder gar die Bestellung eines ebensolchen.
> Da sich der TO wohl kaum ein im Kalibrierlabor vermessenes Exemplar > einer BPW34 gekauft haben wird, liegt die Ungenauigkeit intrinsisch > schon einmal bei bis zu 20%. Auf 5nA Offsetstrom kommt es hier sicher > nicht an. Offensichtlich reicht dem TO die jetzige Genauigkeit und hat > nicht einmal einen zweiten 1MOhm-Widerstand eingebaut, um den Biasstrom > von 45nA zu kompensieren - gut sind ja auch nur zusätzliche 2% > FS-Fehler... > > Fazit: Alleine das Verlöten einen neuen OPVs zahlt sich nicht aus - > geschweige denn der Kauf oder gar die Bestellung eines ebensolchen. Ich möchte keinesfalls irgendwelche Lichtstärken genau ausmessen und bestimmen, sondern reproduzierbar Unterschiede zwischen verschiedenen Intensitäten feststellen können und ich denke das sollte mit der jetzigen Schaltung funktionieren. Die absoluten Werte interessieren micht nicht wirklich, genausowenig wie ein Offset. In sofern glaube ich auch, dass ich erstmal bei der Schaltung bleibt, aber vielleicht wächst ja noch der Anspruch und dann wäre ich schon an einer guten Alternativschaltung interessiert ;)
R. B. schrieb: > Helmut S. schrieb: >> Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der >> BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb >> ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier >> einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt >> noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. > > Gut zu wissen :-) > > Wie sieht denn deiner Meinung nach die Idealschaltung aus? Einfach einen "Singe Supply" (Eingang ab 0V) "Rail to Rail" Ausgang (Ausgang geht "fast" ab 0V) CMOS-Opamp nehmen, wenn man nur eine Versorgungsspannung hat. Grund: CMOS Opamps haben einen sehr kleinen Eingangsstrom.
>Ich bin darüber auch verwundert, aber ich habe den Widerstand hinterher >gemessen und er hatte ca. 1M und kalte Lötstelle glaub ich auch nicht, >da sich ja was geändert hat, wenn die Phtotodiode mehr Photonen bekam! Deine Schaltung hatte mit absoluter Sicherheit, vollkommen definitv einen Fehler, wenn die Ausgangsspannnung nun astronomisch viel größer ist als das Verhältnis von 10M zu 1M... >Dann wundert es mich, warum er hier auf dieser Hompage in dieser >Schaltung als Beispiel genannt wird. Das geht völlig in Ordnung. Der LM358 hat typisch 20nA Eingangstrom. An einem 1M Widerstand ergibt das einen Spannungsabfall von 20mV, was in der Größenordnung der Offsetspannung des LM358 liegt. Fotodioden geben üblicherweise mehr als 20µA pro 1000_lx ab. Das sind 1000 mal mehr als die 20nA Eingangsstrom des LM358. Der Fehler bleibt also unter 0,1%. Die angegebene Schaltung als Prinzipschaltung für den Anfänger, der durchaus mit typischen Werten aus dem Datenblatt arbeitet, macht also völlig Sinn. Natürlich ergeben sich für Präzisionsanwendungen ganz andere Anforderungen. Aber das weiß der Profi und sieht die Schaltung als das was sie ist, nämlich eine Infoschaltung für den Anfänger. Durch die Verwendung eines LM358 wird überdies deutlich, daß ein Transimpedanzverstärker auch mit ganz simplen OPamps funktionieren kann und man nicht automatisch einen OPamp von LT für 5 Euro kaufen muß. Das Bildchen hat dir als Anfänger letztlich also das Gefühl gegeben: "Mensch, das ist einfach, das bekomme ich auch hin." Und das war es, was dieses Bildchen bewirken sollte. Jetzt wo du schlauer geworden bist, kannst du ja in die Details gehen...
Moin, ohne alle 99 Kommentare gelesen zu haben, ist mir aufgefallen: Ist die Polarität der Fotodiode evtl. vertauscht? Den beschriebenen Effekt bekommt man auch wenn die Diode mit der Katode an Masse liegt. Vu= R1/R2 = 1M/Durchflußspg. Besser wird´s dann, wenn man R1 noch größer macht. fredl
fredl schrieb: > Ist die Polarität der Fotodiode evtl. vertauscht? Nein. Man könnte sie theoretisch umdrehen, dann würde aber die Ausgangsspannung der Schaltung negativ, und man bräuchte deswegen auch eine negative Versorgungsspannung. > Den beschriebenen Effekt bekommt man auch wenn die Diode mit der Katode > an Masse liegt. > Vu= R1/R2 = 1M/Durchflußspg. R2 = Durchflussspannung? =8-o
Helmut S. schrieb: > Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der > BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb > ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier > einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt > noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. Jetzt bin ich neugierig. Warum wäre ein LM358 als Transimpedanzverstärker falsch wenn man eine BPW34 benutzen will um die Helligkeit im Wohnzimmer zu messen?
Der Eingangsbiasstrom ist konstant in erster Näherung. Wenn nun die Änderung des Fotodiodenstroms klein gegenüber dem konstanten Biasstrom des OpAmps ist....
Vielen Dank für die ganzen tollen Informationen. Ich werde jetzt erstmal bei meiner Schaltung bleiben und wenn sie nicht mehr reicht, dann beschäftige ich mich mit den "besseren" OPAmps ;-)
Michael Köhler schrieb: > Helmut S. schrieb: >> Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der >> BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb >> ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier >> einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt >> noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. > > Jetzt bin ich neugierig. Warum wäre ein LM358 als > Transimpedanzverstärker falsch wenn man eine BPW34 benutzen will um die > Helligkeit im Wohnzimmer zu messen? Ibias maximal 500nA, Seite 6 in diesem Dokument unten. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf
Michael Köhler schrieb: > Nur mal so als Tipp: So lustige Energiesparlampen arbeiten im > kHz-Bereich. Was wohl der TP mit sowas machen würde. Zum Glück handelt es sich nicht um Wechsellicht im Sinne von abwechselnd positiver und negativ Helligkeit, sondern um pulsierendes Licht. Hinter dem TP wird also brav die mittlere Helligkeit herauskommen.
Helmut S. schrieb: > Michael Köhler schrieb: >> Helmut S. schrieb: >>> Das mit der BPW34 ist allerdings eher eine Ausrede. Wenn jemand mit der >>> BPW im Wohnzimmer Helligkeit misst, dann hat man 1uA Photostrom. Deshalb >>> ist der LM358 einfach falsch in dieser Anwendung auch wenn sich hier >>> einige winden. Dass eine Schaltung in einem Forum abgelegt ist heißt >>> noch lange nicht, dass die besonders gut sein muss. >> >> Jetzt bin ich neugierig. Warum wäre ein LM358 als >> Transimpedanzverstärker falsch wenn man eine BPW34 benutzen will um die >> Helligkeit im Wohnzimmer zu messen? > > > Ibias maximal 500nA, Seite 6 in diesem Dokument unten. > http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf Bei 1000 lx liefert die BPW34 wesentlich mehr als 1 µA. Und du glaubst da würden 500 nA stören? Mal ganz davon ab typisch sind 40 nA. Ganz zu schweigen davon, dass es da Schaltungen gibt um das zu kompensieren...Erwischt man wirklich einen LM358 mit 500 nA IBias und hat nur 1 µA Fotostrom dann ist das wirklich nicht seht schön aber die Regel ist eher dass man so 40/50 µA Fotostrom hat und IBias nicht mal die 100 nA knackt.
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