Hallo zusammen, ganz kurz, ich möchte für eine Arbeit den Dunkelstrom einer Photodiode in Abhängigkeit zur Temperatur untersuchen. Nach anfänglichen Messungen des Spannungsabfalls an in Reihe geschalteten Widerständen, bin ich nach Internetrecherche auf die Transimpedanzverstärker gekommen. Ich gebe ehrlich zu, dass ich die Transimpedanzverstärkerschaltungen nicht richtig verstehe. Trotzdem habe ich die Schaltung wie in den zahlreichen Schaltungen aus dem Internet aufgebaut. Ich habe die Schaltung im Anhang skizziert. Vcc = 10,2V R1 = 1 MOhm C1 = 47 nF Operationsverstärker ist der TL071, Photodiode ist die BPW34. Mein Problem: am Ausgang liegen immer 9,4V an, egal ob die Photodiode beleuchtet, abgedeckt oder sogar aus der Schaltung entfernt wird. Ich habe gedacht, ich bekomme eine Ausgangsspannung, die (bis annähnernd Vcc am Ausgang des OP-Amps erreicht ist), proportional zum Strom der Photodiode ist? Das einzige, was ich im Vergleich zu den Schaltplänen aus dem Netz verändert habe, sind die Offset-Eingänge. Da habe ich, wie in der Skizze zu sehen, den Offset des invertierenden Eingang auf Vcc, und den des nicht invertierenden auf Masse gezogen. Ist jemandem von Euch ein Fehler in meiner Schaltung oder Herangehensweise aufgefallen? Das würde mir sehr viel weiterhelfen! freundliche Grüße, und schonmal Danke im Vorraus! Harry
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So nicht. Gib dem Opamp auch noch -5V bis -15V Versorgungsspannung und alles wird gut. :-)
Naja, wenn der OpAmp, unipolar gespiesen, mit einem Eingang an der negativen Speisung nicht arbeiten kann ... Setz doch den + Eingang auf Vcc/2, dann laeuft's.
Danke schonmal für die schnellen Antworten! die einfach Lösung mit dem nicht invertierendem Eingang auf Vcc/2 hat bei mir nicht funktioniert. (auch nicht wenn testweise ich die Photodiode statt auf Gnd auch mit Vcc/2 verbunden habe). Das mit der negativen Versorgungsspannung scheint ja nicht so einfach. Ich habe das Prinzip mit einer Ladungspumpe gesehen, aber für eine Messreihe wäre das schon etwas gepfuscht oder?
Beide vorgeschlagenen Methoden funktionieren. Das wurde schon millionenfach bewiesen.
Hallo, 1. Kontrolliere Alle Pins des OPVs nicht das du i-was nicht oder falsch beschalten hast. 2. Entferne die Offset Verbindungen wenn möglich nur sicherheitshalber 3. Deine Photodiode liefert zwischen 1-100uA abhängig von deiner Helligkeit bei 10uA hättest du 10V Ausgangspannung (9,xx weil kein Rail to Rail). Was für Hellifkeiten misst du denn? 4. Poste mal ein Bild deiner aktuellen Schaltung / Schaltplan MfG
Mit einem durchschnittlichen DVM (Voltcraft) kannst Du Ströme bis in den uA-Bereich messen. Im mV-Bereich, bei 10MOhm-Eingangswiderstand, auch noch im nA-Bereich. Dazu brauchst Du keinen OPV.
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Hallo, danke schonmal für eure Rückmeldungen. Habs jetzt nochmal mit euren Tipps versucht, und dabei die Offset-Eingänge gar nicht angeschlossen. Jetzt messe ich wirklich eine von der Beleuchtung abhängige Spannung. Hier nochmal der aktuelle Schaltplan, vielleicht hilft er ja jemand anders auch nochmal. Eine Frage hätte ich aber noch. Eigentlich habe ich gedacht an der Photodiode liegt keine Spannung an, da Anode und Kathode ja kurzgeschlossen sind, und der Transimpedanzverstärker eben diesen Photostrom in eine Spannung wandelt. In meiner Schaltung messe ich aber eine Spannung an der Photodiode, welche mit steigender Beleuchtung abnimmt. Ist das 'normal'? Achja die Bauteile sind: R1=R2=180 Ohm R3 = 1 MOhm C1 = 47 nF PD ist die BPW34.
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> Ist das 'normal'?
Nein. Du hast den Opamp übersteuert.
1MOhm ist zu hochohmig. Du musst den 1MOhm Widerstand durch einen
100kOhm Widerstand ersetzen.
Harry M. schrieb: > Hallo, > > danke schonmal für eure Rückmeldungen. Habs jetzt nochmal mit euren > Tipps versucht, und dabei die Offset-Eingänge gar nicht angeschlossen. > Jetzt messe ich wirklich eine von der Beleuchtung abhängige Spannung. > Hier nochmal der aktuelle Schaltplan, vielleicht hilft er ja jemand > anders auch nochmal. > > Eine Frage hätte ich aber noch. Eigentlich habe ich gedacht an der > Photodiode liegt keine Spannung an, da Anode und Kathode ja > kurzgeschlossen sind, und der Transimpedanzverstärker eben diesen > Photostrom in eine Spannung wandelt. In meiner Schaltung messe ich aber > eine Spannung an der Photodiode, welche mit steigender Beleuchtung > abnimmt. Ist das 'normal'? > > Achja die Bauteile sind: > R1=R2=180 Ohm > R3 = 1 MOhm > C1 = 47 nF > PD ist die BPW34. Hallo, nimm dir nochmal das Datenblatt des OPVs zur Hand und belese dich über die Verschaltung der Offset Eingänge (Tipp Poti). Zu 2.) Ich weiß nicht ob ich das richtig erkenne, aber du legst den SPannungsteiler an die Annode, damit leitet die Diode sobald die Spannung > der Flussspannugn deiner PD ist. und klar die Flussspannung ist Abhängig vom Photostrom.
Hallo zusammen, entschuldigt bitte meine verspätete Antwort.. @Helmut: Ich hab den Widerstand gegen einen 100k getauscht, jetzt liegen bei Beleuchtung noch ca 0,4 mV an, das sollte in Ordnung sein denke ich. Habe es testweise mal mit 220k probiert, aber dann bin ich schon im Bereich von 250mV an der Photodiode. Zurück zu den 100k: Wenn mein Messgerät auf 0,01 mV genau misst und wir mal die hinterste Stelle ignorieren, kommen wir doch auf I = U / R = 10^-9 A = 1 nA als Messgenauigkeit. Das wird ziemlich knapp. @Nico: Leider steht im Datenblatt nichts über die Beschaltung der Offseteingänge. Auch so bin ich gerade am Verzweifeln, weil ich einfach gar nicht weiter komme.. das einzige, was meinen Aufbau evtl vergessern könnte, wäre, wenn ich die PD räumlich näher an dem OP hätte (jetzt sinds vlt 50 cm). Zu deiner zweiten Frage, dann müsste ja der Ausgang vom OP gegenüber der halbierten Spannung negativ sein, ich komm leider grade nicht drauf, ob das der Fall ist.. Mein Hauptproblem im Moment ist allerdings, dass meine Schaltung, wenn die PD herausgenommen ist, eine Ausgangsspannung von 0,61 mV liefert, und sich dieser Wert nicht ändert, wenn die abgedunkelte PD eingesetzt wird. Mal von den Schwankungen von +/- 0,10 mV abgesehen, liefert mir dieser Aufbau im Moment keine brauchbaren Messergebnisse. Ich würde mich riesig freuen, wenn jemand weiß, warum das im Moment nicht so gut funktioniert. Viele Grüße
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Wenn du die PD herausnimmst, dann muß natürlich der +Eingang weiterhin an Ub/2 gelegt werden. Im Anhang die Simulation. Solange der Opamp wegen zuviel Licht nicht übersteuert wird (Ausgangsspannung größer 8V), liegen an der Photodiode 0V. OK nicht genau 0V sondern die Offsetspannung des Opamp, also maximal ein paar mV. Im Anhang die Datei zum simulieren mit LTspice. Nimm statt 100Ohm nur 470Ohm. Natürlich werden Störungen auf der 10V Betriebsspannung mit Faktor 0,5 auf die Ausgangsspannung übertragen.
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Wie willst Du den Dunkelstrom ohne Photodiodenvorspannung messen? Ohne Vorspannung misst Du nur den Photostrom...
In der Regel wird man den Dunkelstrom als Funktion von Temperatur und Vorspannung an der Diode messen. Ganz ohne Vorspannung wird da dunkel auch kein Strom fließen. Auch sonst wird der Strom eher klein sein, so dass man als Widerstand in der Rückkopplung eher 1 M oder 10 M brauchen wird, wenn man keine Spannungen im µV Bereich messen will und entsprechend entsprechend Empfindlich auf den Offset des OPs ist. Ein kürzeres Kabel ist für eine quasi DC Messung nicht so kritisch, der Kondensator in der Rückkopplung ist ja auch schon reichlicht groß. Kritisch wird es erst, wenn die Kapazität am Eingang die maximale kapazitive Last des OPs überschreitet. Die Beschaltung der Pins zum Offsetabgleich sollte schon im Datenblatt drin sein. Für den Anfang geht es aber auch wenn die Pin unbeschaltet sind. Den Offset kann man auch rechnerisch berücksichtingen - einfacher ist es aber wenn man damit den Zustand ohne Photodiode abgleicht.
Danke für Eure Antworten. Ich wusste nicht, das die Definition von Dunkelstrom an den Diodenbetrieb gekoppelt ist. Das heißt, meine Schaltung ist für Messung des Dunkelstroms gar nicht geeignet, da ich keine Vorspannung habe? Mein eigentliches Ziel war, dass ich mit steigender Temperatur einen höheren Dunkelstrom messe, welchen ich anschließend mithilfe des Bändermodells und der kleiner werdenden Bandlücke erklären würde. Wenn ich das beibehalten möchte, müsste ich also wieder zu einer Photodiode mit in Reihe geschaltetem Widerstand an einer Spannungsquelle zurück oder? Wobei da dann wieder das Problem kommt, dass die zu Spannung am Widerstand kaum messbar ist. Was meint Ihr? Ist mein Ziel auch anderweitig zu realisieren? Vielen vielen Dank schonmal!
Harry M. schrieb: > Wobei da dann wieder das Problem kommt, dass die zu Spannung am > Widerstand kaum messbar ist. Na ja, kommt drauf an, wie gross der Widerstandswert ist. Allerdings sollte das Messinstrument auch sehr hochohmig sein (Elektrometerverstärker-OpAmp, sein Eingangsstrom muss kleiner sein als der Dunkelstrom) und nicht dein steinzeitlich unsäglicher TL071 (wirf den Müll endlich weg, der macht mehr Probleme als er löst).
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Was verstehst du mit Dunkelstrom? Meinst du die Photodiode ist 100% lichtdicht verpackt oder meinst du nur es ist halt Nacht? Der reverse dark current ist max. 30nA bei 25°C. Zu dieser Massung muß die Diode absolut lichtdicht verpackt sein. http://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf Da würde man dann mit dem Feedback-Widerstand auf 10MOhm gehen. Damit bekommst man mit 30nA*10Meg=300mV Hub. Schaltung siehe Bild.
@MaWin: Messgerät ist das UT61C, dessen Eingangsimpedanz bis 600mV laut Datenblatt >3000MOhm sein soll. Zum Op, ich hab auch noch ein paar andere OPs da( OP07CP, TL071, TL072, TLC271), also wenn da einer 'besser' geeignet ist kann ich die auch tauschen. @Helmut: Mit Dunkelstrom habe ich (zumindest bisher) den Strom verstanden, den die PD im Elementbetrieb liefert bzw. der im Diodenbetrieb fließt, wenn diese nahezu vollständig abgedunkelt ist. Nach längerer Versuchszeit realisiere ich diese Abdunklung nun mithilfe eines verschlossenem Kartons. Umgebungslicht beeinflusst bisherige Messungen "nur" um ca. 10%, wobei ich das bei der endgültigen Messungen noch bessere Abdichtung der Ecken vermindern kann. Ich habe da schon viel ausprobiert, aber mit dem Karton komme ich auf die beste Abschirmung. Und wie wird dann der Reverse Dark Current im Datenblatt gemessen? Bei der Schaltung im Bild liegt an der Diode ja keine Spannung von außen an? Oder habe ich was übersehen? Viele Grüße
Aus dem Datenblatt: http://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf Reverse dark current V=10V, E = 0 I typ 2nA max 30nA E=0 bedeutet 0% Licht. V=10V bedeutet 10V Sperrspannung. Du kannst aber auch mit 1V oder 5V messen. Da ändert sich vermutlich nicht viel am Sperrstrom. Dann schau dir Figure 1 an. Man sieht den typischen(exponentiellen) Verlauf des Sperrstromes über der Temperatur(Verdopplung alle 6°C). Verpack die Diode zweifach um eine gute Lichtabschirmung zu bekommen.
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Danke schonmal Helmut! Dass die Sperrspannung den Sperrstrom nur sehr geringfügig beeinflusst, verstehe ich(differentieller Widerstand). Und gemessen wird der Sperrstrom einfach mithilfe eines Widerstandes, der in Reihe zur Photodiode geschalten ist? Also so wie im Anhang kurz skizziert? Wobei R1 dann mit 10MOhm gesetzt wird. Das mit der Lichtabschirmung wird schon, aber davor will ich erstmal die Messschaltung endgültig festlegen. Viele Grüße
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Statt dem 10MegOhm Widerstand könntest du auch gleich ein Digitalvoltmeter nehmen. Die haben meistens auch 10MegOhm Eingangswiderstand im Voltbereich. Der Nachteil der Methode mit dem Vorwiderstand ist, daß die Spannung an der die Diode dann 10V-Umess ist statt konstant 10V. Dieses Problem könnte man mit einem TIA lösen. Siehe Schaltung mit 5V Sperrspannung.
Mark S. schrieb: > Mit einem durchschnittlichen DVM (Voltcraft) kannst Du Ströme bis > in > den uA-Bereich messen. Im mV-Bereich, bei 10MOhm-Eingangswiderstand, > auch noch im nA-Bereich. Dazu brauchst Du keinen OPV. Den Hinweis gab ich schon vor 3 Wochen
Mark S. schrieb: > Den Hinweis gab ich schon vor 3 Wochen Da war der 9 Volt-Block im Multimeter ja auch noch voll... ;-) MfG Paul
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