Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Photodiode auswerten mit Darlington-Schaltung


von Stefan K. (Gast)



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Hi zusammen!

Ich versuche eine Photodiode mit einem Mikrocontroller auszuwerten. Dazu 
habe ich die angehängte Schaltung in LT-Spice simuliert. Die Diode habe 
ich als Stromquelle mit paralleler Diode simuliert.

In dem Screenshot ist das Ergebnis zu sehen, wenn ich ein 1MHZ Signal 
draufgebe. Die grüne Kurve zeigt die Spannung über C. Diese Spannung 
werte ich aus, um die Intensität zu erfassen. Der Pin des uC wird nach 
der Erfassung auf Masse geschaltet, um den C zu entladen. Die blaue 
Kurve zeigt das Ausgangssignal.

Soweit alles wunderbar (siehe erstes Bild).

Ich habe allerdings in der Quelle ein SIN Signal eingestellt.
Wenn ich mich nicht irre, dann bekomme ich aber bei der echten Diode ein 
Pulssignal zwischen 0 und Imax (laut Datenblatt ca. 35uA).
Wenn ich das jetzt in LT-Spice einstelle, sieht mein Ergebnis aus, wie 
auf dem zweiten Bild. Damit kann ich leider nicht viel anfangen...
Die Spannung sinkt am Ausgang auf 0 und bleibt da auch...

Kann mir jemand einen Tip geben, was ich an der Schaltung ändern müsste, 
dass es funktioniert?

Danke
 Stefan

von Achim S. (Gast)


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Überleg dir zunächst mal, wo der Basisstrom herkommen soll, mit dem du 
den Arbeitspunkt von Q3 einstellst. Aus der Konstruktion mit D2 und dem 
nachgeschalteten 1nF Kondensator? Wie soll das gehen?

Dann überlege dir, welchen Spannungsabfall 15µA bzw. 35µA an einem 5MOhm 
Vorwiderstand bewirken und wie realistisch deine Simulation demnach ist.

von Stefan K. (Gast)


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Hi Achim,

danke schonmal für die Hinweise. Scheint dann wohl eher nicht zu 
funktionieren mein Ansatz.

Ich bin ein Anfänger was die analoge Schaltungstechnik angeht. Ich habe 
jetzt schon so einiges versucht und ausprobiert, aber bis jetzt keine 
Lösung gefunden.

Kannst Du mir vielleicht eine Schaltung empfehlen, um mit einer 
Photodiode ein 1MHz Signal auszuwerten? Wichtig ist auch die Messung der 
Intensität, deshalbt die Z-Diode und der C. Was ich auch noch nicht 
eingebaut hatte, war der Hochpass, um 50Hz Störungen auszufiltern.


Danke
 Stefan

von M. K. (sylaina)


Angehängte Dateien:

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TIA (zu deutsch: Impedanzwandler), z.B. mit einem OPA340 aufbauen, 
Feedbackwiderstand von 100 kOhm macht bei 35 µA Strom aus der Fotodiode 
satte 3.5 V und aus Erfahrung kann ich sagen, dass man mit dem OPA340 
sehr dicht ans untere Rail kommt (< 1mV ists idR bei mir wenn kein 
Strom fließt mit 100 MOhm Feedback, löse damit 50 nA einer IR-Fotodiode 
auf) ;)

EDIT: Anbei noch die Schaltung wie ich sie verwende. C1, C5 und R7 hab 
ich aktuell nicht in der Schaltung, sind quasi optional. Mit JP1 hab ich 
mir die Möglichkeit offen gehalten die Fotodiode vorzuspannen.

: Bearbeitet durch User
von Stefan K. (Gast)


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Hi Michael,

vielen Dank für deine Unterstützung!!
Aber noch eine Frage (hoffe die ist jetzt nich zu blöd):

Die Diode kommt an den IN-Anschluss der Schaltung, oder?
Wofür sind SV1-4 und SV1-2?

Danke!
 Stefan

von Achim S. (Gast)


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Die Intensität des Signals zu messen ist wesentlich anspruchsvoller als 
wenn du nur die "Anwesenheit" der gepulsten Strahlung detekieren 
müsstest. Dazu brauchst du definierte Verstärkungsfaktoren. Die 
Verstärkung im halbwegs funktionierenden Vorderteil deiner 
Transistorschaltung ist nur sehr schwammig definiert und driftet wild, 
wenn sich z.B. die Temperatur ändert.

Ein Transimpedanzverstärker wie von Michael vorgeschlagen ist von daher 
schon ein guter Ansatz. Es wird allerdings nicht ganz trivial damit 
Bandbreiten im MHz-Bereich hinzukriegen. Ein kritischer Faktor ist die 
Kapazität deiner Fotodiode (welche planst du denn  zu nehmen?).

Schau auch noch mal kritisch auf die benötigte Verstärkung: wenn der 
maximal mögliche Strom deiner PD 35µA beträgt, kann das tatsächlich 
empfange Signal um diverse Größenordnugnen darunter liegen - 
entsprechend höher muss ggf. deine Verstärkung ausfallen.

Bei der Dimensionierung des Hochpassfilters zur Unterdrückung von 
Störungen beachte bitte: optische Störsignale haben heutzutage keine 
50Hz (selbst Glühbirnen waren schon mit 100HZ moduliert) sondern viele 
kHz.

von Stefan K. (Gast)


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Hi Achim,

ich habe hier die OSARM BP104F (ist aber nicht zwingend). Laut 
Datenblatt 48pF.

Ich könnte zur Not auch mit der Frequenz runtergehen (500kHz oder so).

In der Anwendung sollen zwei oder mehr identische Schaltungen aufgebaut 
werden und es soll verglichen werden, an welcher das Signal stärker 
ankommt.
Es werden also Daten übertragen und es soll festgestellt werden, wo das 
Signal am stärksten ist. Ich will grob feststellen, in welche Richtung 
die Diode am stärksten abstrahlt (die ist beweglich). Allerdings kommt 
es nicht auf absolute Genauigkeit an. Ein grober Vergleich der 
Intensität reicht hier.

Danke für die Hilfe!
 Stefan

von Ulrich H. (lurchi)


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Ein Transimpedanzverstärker ist schon mal ein guter Ansatz. Wenn es 
schnell sein soll wird aber der Feedback Widerstand eher deutlich 
kleiner (z.B. 10 K), auch wenn man Ausgang des TIA dann nur ein paar mV 
hat. Für mehr Signal kommt dann einfach eine 2. Verstärkerstufe 
dahinter. Der extra Teiler (R2,R3) in der Schaltung oben ist nichts für 
eine schnelle Schaltung - der bringt vom Rauschen kaum Vorteile und 
macht den OP effektv langsamer.

Für eine hohe Frequenz sollte die Diode wenigstens etwas (z.B. 5 V) 
vorgespannt sein, das reduziert die Kapazität. Weniger Frequenz hilft da 
schon mal ganz erheblich, denn der OP sollte deutlich schneller als die 
Modulationsfrequenz sein.

von M. K. (sylaina)


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Stefan K. schrieb:
> Die Diode kommt an den IN-Anschluss der Schaltung, oder?

Ja, an IN und SV1-4

Stefan K. schrieb:
> Wofür sind SV1-4 und SV1-2?

SV1-4 ist ja schon gesagt, SV1-2 ist nur die Schraubklemme für GND, also 
Masse ;)

Da hier jetzt schon andere auch ein paar Tipps gegeben haben empfehle 
ich das einfach mal so versuchen umzusetzen. Mein Screenshot sollte ja 
nur als Beispiel gelten damit du eine Vorstellung davon hast, in welche 
Richtung es geht. ;)

von Stefan K. (Gast)


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Hi Michael,

ok. Danke. Das mit IN war mir eigentlich klar, war nur etwas verwirrt 
wegen dem Jumper.

Ich werde jetzt dann mal versuchen, dass ganze auf nem Steckbrett 
aufzubauen und anzupassen und schauen, was ich da rausbekomme.

Vielen Dank!
 Dominik

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