Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsverstärkung des Signals einer Fotodiode


von Tina R. (drproton)


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Guten Tag,


ich mache derzeit eine Ausbildung und habe zur Aufgabe die Helligkeit 
eines Displays zu messen. Die Werte sollen letztlich von der hellsten 
Stufe (11) zur dunkelsten Stufe (0) zwischen 0 und 5V liegen.
Auf Grund der Linearität der Kennlinie habe ich mich für eine Fotodiode 
(genauer die SFH 203) entschieden.
Das Hindernis ist dabei die Helligkeit: Auf der hellsten Stufe ist der 
Bildschirm vergleichsweise dunkel. Nun ist mein Problem, wie messe ich 
die Helligkeit?

Wenn ich die Diode als Photoelement betreibe bricht mir die Spannung 
zusammen, sobald ich das Signal auf meine nichtinvertierende 
OpAmp-Schaltung gebe. Auch wenn ich mehrere Fotodioden parallel schalte 
um die Ströme zu addieren, bricht mir die Spannung zusammen. Ich vermute 
mal der Strom der Fotodiode reicht nicht aus?!

Meine zweite Idee war es die Diode in Sperrrichtung und in Reihe mit 
einem Widerstand (120kOhm) zu verwenden. Somit erhalte ich durch den 
Strom am Widerstand eine Spannung, welche ich verstärken kann. Jedoch 
liegt diese Spannung im µV-Bereich und ich bekomme sie nicht verstärkt. 
Verwendet habe ich den OpAmp LM348M, den Komparator LM2901D, sowie den 
OPA4227UA.
Wobei letzterer mir ab einer Verstärkung von ungefähr 100 eine negative 
Ausgangsspannung lieferte.

Zum Schluss habe ich die Diode an einem Transimpedanzverstärker 
betrieben.
Aber auch hier das gleiche Problem: Ich bekomme eine zu geringe 
Spannung, und wenn ich diese verstärke kann ich keine 
Helligkeitsunterschiede mehr detektieren.

Fazit: Ich bekomme es nicht hin diese geringe Spannung vernünftig zu 
verarbeiten und auf 1-5V zu verstärken.

Ich würde mich riesig über eine Hilfestellung von Euch freuen.
Bis dahin und vielen Dank!
LG Tina

von Stefan A. (ripper121)


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Vielleicht sowas?
Statt dem TGS4161 kannst ja dein LDR dran hängen

von Der Andere (Gast)


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Tina R. schrieb:
> sobald ich das Signal auf meine nichtinvertierende
> OpAmp-Schaltung gebe.

Schaltung zeigen.

Such mal nach "transimpedanzverstärker fotodiode"
Da gibts haufenweise Treffer auch hier im Forum.

von MaWin (Gast)


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Eine Photodiode als Spannungsquelle ist vollkommen unsinnig, mehr von 
der Temperatur als Beleuchtung abhängig.

Ein Transimpedanzverstärker ist sinnvoll, sie misst den Strom. Die 
Geschwindigkeit reicht auch aus.

Allerdings wird Helligkeit logarithmisch empfunden.

von Michael (Gast)


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Hallo Tina,

Du solltest erst vielleicht einen Spannungsfolger (OPAM) und dann das 
Signal verstärken. Ohne in Details geschaut zu haben würde ich auf den 
ersten Blick den OPA4227UA, da dieser OPA Rauscharm und aber auch kleine 
Baisstrom hat.

von Stefan A. (ripper121)


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MaWin schrieb:
> Eine Photodiode als Spannungsquelle ist vollkommen unsinnig, mehr
> von
> der Temperatur als Beleuchtung abhängig.
>
> Ein Transimpedanzverstärker ist sinnvoll, sie misst den Strom. Die
> Geschwindigkeit reicht auch aus.
>
> Allerdings wird Helligkeit logarithmisch empfunden.

Ich weiß das da keine Spannung raus kommt da muss man es als 
Spannungsteiler verwenden.

von Der Andere (Gast)


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Nachtrag: Der LM348 ist doch ein Bipolar Typ mit viel zu hohem 
Eingangstrom. Der Opa sollte eher passen.

von Der Andere (Gast)


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Stefan A. schrieb:
> kannst ja dein LDR dran hängen

Du kennst aber schon den Unterschied zwischen Fotodiode und LDR?

von N. B. (saint1234)


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Hallo,

TIA wurde schon gesagt. Die PD schön in Sperrichtung vorspannen (siehe 
Datenblatt). Für den TIA dann ein Festwiderstand und Poti zur 
"Feinabstimmung". Parallel ein C (ca. Faktor 10 größer als deine 
Eingangskapazität, falls es nicht auf Geschwindigkeit ankommt).

Problematisch wird dein Umgebungslichtoffset. Dein Messgerät oder was 
auch immer müsste jedesmal neu kalibriert werden abhängig von der 
Umgebungsbeleuchtung. Es gibt aber auch dafür Trickschaltungen.

Gruß.

von M. K. (sylaina)


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Tina R. schrieb:
> Auf Grund der Linearität der Kennlinie habe ich mich für eine Fotodiode
> (genauer die SFH 203) entschieden.

Linearität?? Eine Fotodiode hat praktisch immer eine logarithmische 
Kennlinie, die sieht wahrscheinlich nur linear aus weil sie in einer 
logarithmischen Skala aufgetragen ist.

Tina R. schrieb:
> Zum Schluss habe ich die Diode an einem Transimpedanzverstärker
> betrieben.
> Aber auch hier das gleiche Problem: Ich bekomme eine zu geringe
> Spannung, und wenn ich diese verstärke kann ich keine
> Helligkeitsunterschiede mehr detektieren.

TIA ist schonmal die richtige Wahl. Wie sieht deine Schaltung aus, 
welche Verstärkung hast du eingestellt? Und wahrscheinlich misst du die 
Umgebungshelligkeit mit, das musst du auch berücksichtigen.

von Bernd K. (prof7bit)


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Tina R. schrieb:
> Meine zweite Idee war es die Diode in Sperrrichtung und in Reihe mit
> einem Widerstand (120kOhm) zu verwenden. Somit erhalte ich durch den
> Strom am Widerstand eine Spannung, welche ich verstärken kann. Jedoch
> liegt diese Spannung im µV-Bereich und ich bekomme sie nicht verstärkt.

Diese Schaltung ist zwar nicht besonders gut (nicht linear und nicht 
besonders schnell) aber das hätte zumindest insoweit funktionieren 
müssen als dass Du damit ohne weiteres eine deutliche Spannungsänderung 
um etliche Volt (von beinahe 0 bis beinahe Vcc, je nach Widerstand und 
Beleuchtung) ganz ohne Verstärker alein mit dem Oszi oder den Multimeter 
hättest messen können müssen.

Sicher daß Deine Diode noch lebt oder es sich bei dem Bauteil überhaupt 
um eine Photodiode handelt?

von Tina R. (drproton)


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Hallo,


erst einmal ganz lieben Dank für die schnellen und freundlichen Hilfen 
von Euch!

Zunächst habe ich Euch im Anhang einmal meine Schaltung angehängt. Die 
Fotodiode ist auf jeden Fall eine und sie ist funktionstüchtig. (Als 
einfachsten Test habe ich die Spannung in Abhängigkeit der Helligkeit 
gemessen.)

Um die Umgebungshelligkeit auszublenden, habe ich die Fotodiode in einen 
Schuhkarton gesetzt und diesen über das Display gestülpt. Anschließend 
habe ich das ganze noch mit einem Stoff komplett abgedunkelt, sodass die 
Fotodiode nur noch die Helligkeit des Displays messen kann.

Ich werde mir heute den Transimpedanzverstärker genauer ansehen und 
verschiedene neue OpAmps ausprobieren (habe mir 6 verschiedene besorgt).
Hoffentlich klappt es dann die geringe Helligkeit bzw. den Strom zu 
messen.

Leider konnte ich mit der ersten Schaltung und dem "TLC271BCD" nicht 
wirklich etwas anfangen. Für mich sieht es nach einer 
nichtinvertierenden OP-Schaltung aus, jedoch ist mir die Beschaltung 
nicht ersichtlich.


Vielen Dank und liebe Grüße
Tina

von M. K. (sylaina)


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Mit TIA sähe es dann ähnlich wie im Anhang aus aber Vorsicht: Ist der 
Feedback recht groß (Mega- bis Gigaohmbereich), kann es schnell 
passieren, dass man sich allerhand "Elektrosmog"-Dreck einfängt und hier 
mit Abschirmen beginnen muss da der OPV dann entweder nur an einem Rail 
klebt oder zu Schwingen beginnt.

von Etrick (Gast)


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Wie schnell muss dein Sensor denn sein und welchem Bereich an Messwerten 
willst Du was zuordnen?

Es gibt im Web Anleitungen zum Selbstbau von (Foto)belichtungsmessern 
nach beiden Prinzipien: Stromquelle oder Spannungsauswertung.

Du lernst viel, wenn Du selbst ermittelst, welche total 
unterschiedlichen Vorteile beide Typen haben, obwohl sie im Endeffekt 
das selbe messen.


Gruß

Achim

von Tina R. (drproton)


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Huhu :)


Aaaaalso ich habe jetzt alle 3 Schaltungsarten durch...
Am meisten "Erfolg" habe ich mit der Diode im quasi Kurzschluss und dem 
Transimpedanzverstärker. Nur leider lässt sich das Signal nicht weiter 
verarbeiten...

Zunächst erkennt  man mittels des Oszis eine sinusartige Spannung an der 
Fotodiode (vermutlich kommt diese durch die Frequenz des Displays// 
50Hz). Meine Schritte für die Messung waren ein Integrator, ein 
Impedanzwandler, und verschiedenste invertierende, sowie 
nichtinvertierende Verstärkerschaltungen.

Nach Absprache mit meinem Ausbilder sind wir der Meinung, dass die Diode 
nicht für diese geringe Lichtintensität gemacht ist. Somit habe ich mir 
ein paar LDRs bestellt, die ich morgen ausprobieren werde. Ich finde 
diese Lösung zwar unschöner, aber vielleicht verhelfen mir die 
lichtabhängigen Widerstände ja zum Erfolg.

Falls das dann immer noch nicht funktionieren sollte, probiere ich es 
wieder mit einer Fotodiode und einer zusätzlichen Sammellinse. Natürlich 
halte ich Euch über weitere Erfolge auf dem laufenden.


Falls ihr aber noch Ideen habt, wäre ich Euch sehr dankbar!

Liebe Grüße Tina

von Pandur S. (jetztnicht)


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Wie gross war die Photodiode ? Die SFH203 Photodiode ? Man kann mit 
denen bis nahezu beliebig geringen Lichtintensitaeten messen.
Zeig mal das Schema.

Wichtig an einem Transimpedanz ist ein kleiner Eingangsstrom, der nur 
mit einem FetOpAmp erreicht wird. Ein 741, 358 oder dergleichen taugt 
nicht dazu.

von Fire H. (fireheart)


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Ich hatte mal einen Lichtsensor mit der BPW21 Fotodiode gemacht...die 
hat einen vergleichsweise riesigen Chip und liefert so richtig gut 
Strom. Da braucht man sich normalerweise nicht zu sorgen, dass kein 
Signal rauskommt.

Abgesehen von Temperaturproblemen und Frequenzverhalten würde ich mal 
sagen, dass ein Einsatz als Fotoelement (also die erzeugte Spannung 
messen) der menschlichen Wahrnehmung (logarithmisch) wesentlich näher 
kommt (ich frage mich, warum eine Spannung an einem nicht-invertierenden 
Eingang bei einem OP-Spannungsfolger mit z.B. TL071 zusammenbrechen 
kann, wo doch der Eingangswiderstand extrem hoch ist).

In der Kurzschlussanwendung (Messung des Stroms) bekommt man bei diesen 
Dingern einen lt. Datenblatt über 7 Dekaden zur Beleuchtungsstärke 
linearen Stromverlauf ... nur welcher OP und welcher AD Wandler schafft 
7 Dekaden?

Grüße
FireHeart

von M. K. (sylaina)


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Tina R. schrieb:
> Zunächst erkennt  man mittels des Oszis eine sinusartige Spannung an der
> Fotodiode (vermutlich kommt diese durch die Frequenz des Displays//
> 50Hz). Meine Schritte für die Messung waren ein Integrator, ein
> Impedanzwandler, und verschiedenste invertierende, sowie
> nichtinvertierende Verstärkerschaltungen.

50 Hz klingt weniger als Display-Frequenz als vielmehr irgendwelche 
externen Einkopplungen. 50 Hz sind Netzfrequenz, Displayfrequenzen 
typischer Weise bei 60 Hz und Aufwärts. War der Aufbau des TIAs samt 
Photodiode geschirmt? War eine Lichtquelle in der Nähe und 
eingeschaltet? Deren Strahlung misst man ohne weiteres zutun nämlich 
auch mit. Ein qualitativ hochwertiger Hoch- oder Bandpass könnte hier 
weiter helfen.
Alternativ muss man es halt "dunkel" machen sodass das Display die 
primäre Lichtquelle ist (Stichwort: Dunkelkammer).
Mit LDRs wirst du wahrscheinlich ähnliche Probleme bekommen wenn du dich 
nicht um die Störobjekte kümmerst.

von Fire H. (fireheart)


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Hallo Tina

Anbei noch mal meine Vorschläge. Ziemlich genau so haben wir das damals 
- für eine industrielle Anwendung - gebaut und es hat so funktioniert, 
wie es sollte.
Die linke Schaltung sollte etwa maximal 6V liefern, wenn die Fotodiode 
hell angeleuchtet wird. Das Signal ist etwa logarithmisch zur 
Beleuchtungsstärke. Sehr geringe Beleuchtungsstärken sind daher auch 
immer noch mit etwa 100mW gut zu messen.
Die rechte Schaltung liefert eine dem Kurzschlusstrom der Fotodiode 
proportionale Spannung. Der Widerstandswert ist geschätzt, keine Ahnung 
wie viel Licht du für 5V Spannung brauchst.

Wenn Du nur den Mittelwert der Lichtstärke eines Displays brauchst, 
kannst Du parallel zu den Widerständen (10k bzw. 100k) noch einen 
Kondensator machen .. dann hast Du auch gleich einen Tiefpass, der die 
50Hz rausfiltert.

Grüße
FireHeart

: Bearbeitet durch User
von Lurchi (Gast)


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Die Fotodiode ist für kleine Intensitäten schon gut geeignet. Man 
braucht aber ein Abschirmung. Die Diode ist ein schneller Sensor, kann 
also die 50 Hz und steile Flanken bei einem CRT monitor auflösen. Beim 
TIA kann man aber einen Kondensator parallel zum Feedback schalten so 
dass die hohen Frequenzen unterdrückt werden - egal ob das jetzt die 
Bildwiederholfrequenz oder Störungen von der Netzspannung sind. Wegen 
der Störungen bei 50Hz, 100 Hz und der Bildwiederholfrequenz wird die 
Filterung der Störungen schon etwas aufwändiger. Für nur 12 Werte sollte 
aber einfach ein Tiefpassfunktion ausreichen, ggf. noch 
integrieren/mitteln über ein vielfaches von 20 ms um die 50 und 100 Hz 
gut zu unterdrücken.

Wegen des logarithmischen Helligkeits-empfinden muss man ggf. erst mit 
mehr als 12 Stufen arbeiten und die Stufen dann nach ggf. exponentieller 
oder quadratischer Verteilung festlegen. Rein linear liegen die 12 
Stufen sonst gefühlt ungleich verteilt und man hat zu wenige stufen im 
Dunkeln und zu viele im hellen.

Die Messung der Spannung an der Photodiode ist eine Methode um eine 
logarithmische Skala zu bekommen, allerdings temperaturabhängig. Mit 
einer Kompensation der Temperatur ist das durchaus eine Möglichkeit.

Der LDR ist dagegen ein langsamer Sensor, der schon von sich aus 50 und 
100 Hz schon abschwächt. Der LDR ist aber relativ nichtlinear und nicht 
temperaturstabil. Es geht damit, wird aber nicht unbedingt besser.

von Tina R. (drproton)


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Guten Morgen,

es hat geklappt :)
War im Endeffekt eine ziemlich einfache Schaltung.
Ich habe gelernt, dass ein Fototransistor besser geeignet ist, da dieser 
einen größeren Strom schalten kann, sodass bei geringeren Intensitäten 
immer noch eine Spannung gemessen wird. Diese liegt bei mir zwischen 
560mV und 3,55V.
Mit Hilfe dem Arduino Bord bilde ich zum Schluss einen Mittelwert von 
100 Messwerten.

Vielen Dank an alle die mir geholfen haben und liebe Grüße!

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