Hallo Leute,
ich bin Anfänger und möchte gerne mehrere Photodioden in derjenigen
Weise auf mein Breadboard stecken, dass die gemessene Spannung am
Oszilloskop sich vervielfacht.
Nun klappt das aber leider nicht. Egal, wie ich die Photodioden
hinzusetzen scheine, ob nun dem Anschein nach in Reihe oder doch
parallel, die gemessene Spannung bleibt immer gleich! Als hätte ich nur
eine Diode in Benutzung.
Eigentlich müsste das doch ganz einfach sein? Ich habe Photodioden und
einen Widerstand, sonst nix. Und natürlich das Oszilloskop mit Tastkopf
bzw. im Moment ein Kabel mit 2 Haken dran. Müsste ja eigentlich ebenso
funktionieren wie ein Tastkopf.
Bitte helft mir.
Hm, also was ich sagen kann, dass ich am zweiten Oszilloskop-Anschluss
zum Vergleich einen normalen Tastkopf habe mit einzelner Photodiode +
gleichem Widerstand. Ich lasse mir dann beide Anschlüsse gleichzeitig
anzeigen und stelle fest, dass, bei gleicher Beleuchtung, die Spannungen
annähernd gleich sind.
Peter S. schrieb:> Hm, also was ich sagen kann, dass ich am zweiten> Oszilloskop-Anschluss> zum Vergleich einen normalen Tastkopf habe mit einzelner Photodiode +> gleichem Widerstand. Ich lasse mir dann beide Anschlüsse gleichzeitig> anzeigen und stelle fest, dass, bei gleicher Beleuchtung, die Spannungen> annähernd gleich sind.
Sind halt keine Spannungsquellen, sondern Stromquellen.
foobar schrieb:> Und ohne Widerstand und Tastkopf auf 1/10?
Der Tastkopf, den ich nur zur Vergleichsmessung nutze, ist auf 1/10.
Nun habe ich soeben ohne Widerstand gemessen an den Haken-Kabeln (weiß
gar nicht deren genaue Bezeichnung), mit ganz oben angehängter
Parallelschaltung von 2 Photodioden.
Die Spannung ist noch immer fast genauso hoch und senkt sich nur
geringfügig ab, wenn ich das Breadboard vom Fenster wegnehme. Wie kann
das sein? Als ob unabhängig vom Licht Spannung da sein würde. Wenn ich
den Daumen auf die Dioden lege, dann habe ich immer noch 200 mV anstatt
270 mV.
hinz schrieb:> Nimm doch mal das DMM.
Das Multimeter spinnt schon, wenn noch gar nichts angeschlossen ist.
Zeigt mir Spannungen von 200-300 mV an. Kommt die Spannung aus der Luft
hier im Zimmer? Wenn ich das Multimeter dann am Breadboard messen lasse
und die Diode verdeckt halte, dann kommen ebenfalls knapp über 200 mV
raus, wie auch beim Oszilloskop.
Und ohne Daumen dann um 260 mV.
Die Photodiode ist sehr sensibel.
Der durchsichtige Rand lässt genügend Licht
durch, um einen Strom auszulösen.
Bei einer Sensibilität für Wellenlängen von
400 - 1100 nm reicht fast die Körperwärme,
um einen Strom auszulösen.
Die BPW 34 schafft fast 1 mA Kurzschlussstrom
und eine Leerlaufspannung von etwa 0,5 Volt,
wenn sie als "Solarzelle" angewendet wird.
Ingo S. schrieb:> Die BPW 34 schafft fast 1 mA Kurzschlussstrom> und eine Leerlaufspannung von etwa 0,5 Volt,> wenn sie als "Solarzelle" angewendet wird.
Dazu brauchts dann aber schon einen klaren Hochsommertag.
Im Datenblatt von Osram ist eine Kennlinie für "Solarzellenbetrieb"
drin.
Peter S. schrieb:> Welche der im Eingangspost angehängten Schaltungen wäre denn> überhaupt,> grundsätzlich, die richtige?
Für mehr Spannung schon die Reihenschaltung, mit ausreichend geringer
Belastung.
Peter S. schrieb:> ich bin Anfänger und möchte gerne mehrere Photodioden in derjenigen> Weise auf mein Breadboard stecken, dass die gemessene Spannung am> Oszilloskop sich vervielfacht.
Photodioden und direkte Spannungsmessung ist keine gute Kombination.
Falls du irgendetwas messen möchtest, dass halbwegs linear von der
Helligkeit abhängt, miss den Strom (z.B. über Spannungsabfall an einem
niederohmigen Shunt oder als Ausgangsspannung eines TIAs).
Falls es sich um schnelle Signale handelt, ist es außerdem von Vorteil,
die Sperrschichtkapazität der Photodiode durch eine Vorspannung zu
verkleinern.
Was ist dein eigentliches Problem?
Wolfgang schrieb:> Was ist dein eigentliches Problem?
Ich möchte Lichtmodulation im Bereich 0-500 Kilohertz möglichst präzise
messen. Gerne auch höher. Mit nur einer einzelnen Diode (ohne
Breadboard) klappte das ganz gut. Jedoch wird das gemessene Signal
schnell wellig und flacht dann ab. Es ist sichtbar, die Frequenzen sind
sichtbar auch bis in den MHz-Bereich, aber von der Form her nicht
originalgetreu genug. Ich habe festgestellt, dass je geringer der
Widerstand ist, an dem man die Spannung abgreift, desto
reaktionsschneller das Resultat ist. Eine Lösung wäre jetzt wohl ein
Transimpedanzverstärker. Jedoch bekomme ich so eine Schaltung leider nie
und nimmer hin, mit meinen geringen Kenntnissen. Und es gibt fertig
anscheinend nichts zu kaufen. Evtl. für Großkunden, aber nicht für mich
als normale Person. Und davon abgesehen soll es preislich ja auch
erschwinglich bleiben.
Daher wollte ich es halt mit mehreren Photodioden versuchen, in der
Hoffnung dass man damit proportional die Spannung erhöhen kann während
man gleichzeitig einen kleineren Widerstand nimmt, um die Bandbreite zu
erhöhen.
Hier sieht man, dass die BPW34 bei 8 K Ohm noch ganz gut wegkommt bei
400 Kilohertz: http://budgetlightforum.com/node/61254 Ganz rechteckig
ist das Signal aber selbst dann noch nicht. Momentan benutze ich noch
100 K. Evtl. könnte ich 8 K nutzen mit mehreren Dioden. Monitore und
Displays sind leider nicht ganz so hell wie Taschenlampen.
> Falls es sich um schnelle Signale handelt, ist es außerdem von Vorteil,> die Sperrschichtkapazität der Photodiode durch eine Vorspannung zu> verkleinern.
Ja, das wollte ich dann am Schluss noch hinzuschalten per Batterie.
Fotodioden kann man auf zwei arten nutzen,
einmal als Spannungsquelle, dabei liefert sie
selbst eine Spannung wenn Licht drauf fällt,
so wie bei Solarzellen, und einmal als
lichtempfindlichen Widerstand, dabei wird eine
Spannung in Sperrrichtung angelegt und mit einem
hochohmigen Widerstand als Arbeitswiderstand in
Reihe geschaltet. Diese zweite Betriebsart ist
günstiger wenn hohe Frequenzen übertragen werden
sollen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiode
Warum erhalte ich denn bei allen Schaltungen immer dieselbe, am
Widerstand gemessene Spannung? Das kann doch gar nicht sein, oder hat
jemand eine Erklärung? Egal, wie viele Dioden ich schalte, ob nur eine
oder mehrere, ob in Reihe oder parallel (siehe Bilder ganz oben), es
kommt immer dieselbe Spannung.
Gibt es jemanden, der das Messergebnis ebenfalls nicht nachvollziehen
kann?
Peter S. schrieb:> Warum erhalte ich denn bei allen Schaltungen immer dieselbe, am> Widerstand gemessene Spannung? Das kann doch gar nicht sein, oder hat> jemand eine Erklärung?
Es liegt an der Diodenkennlinie und an dem Arbeitspunkt, der sich
aufgrund dieser Kennlinie und der Widerstandskennlinie einstellt.
Wenn du die Leerlaufspannung betrachten würdest (also unendlich hoher
Arbeitswiderstand), würde sich diese bei n Dioden in Reihe addieren.
Das Gegenstück dazu wäre die Messung des Kurschschlussstroms (also
unendlich kleiner Arbeitswiderstand). Wenn du n Dioden in Reihe
schaltest und alle gleich beleuchtest, fließt durch alle der selbe
Strom. Ob eine oder n Dioden: der Strom ändert sich nicht. Würdest du im
Kurzschluss den n-fachen Strom sehen wollen, dann müsstest du dazu die
Dioden parallel schalten.
Mit deinem Arbeitswiderstand bist du irgendwo im Bereich zwischen
Leerlauf und Kurzschluss - und offenbar so näher an der
Kurzschlussbedingung als am Leerlauf. Deshalb gab es oben auch schon den
Hinweis, die Messung mit möglichst geringer Belastung zu machen
(Widerstand raus und Oszi-Tastteiler auf 10:1).
Es gabe ebenfalls schon den Hinweis, dass die Spannung beim Einsatz als
Lichtdetektor ungünstig ist. Das was dir vorschwebt:
Peter S. schrieb:> Ich möchte Lichtmodulation im Bereich 0-500 Kilohertz möglichst präzise> messen.
wird man immer über den Fotostrom messen, nicht über die Fotospannung.
Für einen ersten Versuch kannst du:
- alle Dioden parallel schalten
- einen Arbeitswiderstand in Reihe dazu
- über die Reihenschaltung eine externe Spannung anlegen, die dafür
sorgt, dass alle Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind
- mit dem Oszi den Spannungsabfall am Arbeitswiderstand messen (also den
Fotostrom). Der sollte mit der Zahl n der parallel geschalteten Dioden
skalieren.
Achim S. schrieb:> Für einen ersten Versuch kannst du:> - alle Dioden parallel schalten> - einen Arbeitswiderstand in Reihe dazu> - über die Reihenschaltung eine externe Spannung anlegen, die dafür> sorgt, dass alle Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind> - mit dem Oszi den Spannungsabfall am Arbeitswiderstand messen (also den> Fotostrom). Der sollte mit der Zahl n der parallel geschalteten Dioden> skalieren.
Hallo,
das habe ich doch genau so gemacht, bis auf die externe Spannung. Welche
auf den Maximalwert der gemessenen Spannung doch keinen Einfluss haben
sollte. Lediglich die Anstiegs- und Abfallzeit sollte davon beeinflusst
werden. In meinen bisherigen Versuchen mit nur einer Diode, 100K
Arbeitswiderstand und Tastkopf (ohne Breadboard) habe ich festgestellt,
dass eine 9V Spannung diese Zeiten nur um etwa den Faktor 4 verringert.
Der Maximalwert hingegen wurde davon nicht beeinflusst. Ansonsten habe
ich für diesen neuerlichen Versuch mit mehreren Photodioden doch
eigentlich alles so geschaltet, wie du beschreibst. Siehe Foto
"parallel.jpg", was ich ganz oben angehängt habe. Ist es sichtbar?
Peter S. schrieb:> das habe ich doch genau so gemacht, bis auf die externe Spannung.
"Genau so bis auf..." ist halt leider ganz was anderes als "Genau so".
Du betreibst die Dioden in einem anderen Quadranten als ich dir
vorgeschlagen habe.
In "parallel.jpg" betreibst du die Dioden "wie ein Solarmodul". Bei
Bestrahlung gehen Sie ein Stück weit in Durchlassrichtung. Wie schon
beschrieben hängt es vom Arbeitspunkt ab (also vom Widerstandswert, von
der Bestrahlungsstärke, von der Temperatur, ...) welchen Einfluss eine
Erhöhung der Diodenzahl auf deine Messung hat.
Mach eine externe Quelle dazu, die die Dioden immer in Sperrichtung
hält. Dann misst du den Fotostrom als Spannungsabfall am Widerstand. Und
der skaliert mit der Zahl der parallelen Dioden.
Habe jetzt noch mal mit 3 Dioden getestet (ohne Bias-Spannung), und auf
einmal klappt es. Wenn ich eine wegnehme, dann sinkt die Spannung auf
2/3. Und insgesamt sind 3 Dioden auch 3-mal stärker als nur eine (die
einzelne am richtigen Tastkopf). Warum das gestern, stundenlang, nicht
funktioniert hat, ist mir nicht verständlich. Diese krassen Werte (200
mV) in der Luft mit meinem Multimeter sind jetzt auch verschwunden.
Peter S. schrieb:> Habe jetzt noch mal mit 3 Dioden getestet (ohne Bias-Spannung),> und auf> einmal klappt es. Wenn ich eine wegnehme, dann sinkt die Spannung auf> 2/3. Und insgesamt sind 3 Dioden auch 3-mal stärker als nur eine (die> einzelne am richtigen Tastkopf). Warum das gestern, stundenlang, nicht> funktioniert hat, ist mir nicht verständlich. Diese krassen Werte (200> mV) in der Luft mit meinem Multimeter sind jetzt auch verschwunden.
Vermutlich Erdstrahlen!
Peter S. schrieb:> Ich habe festgestellt, dass je geringer der> Widerstand ist, an dem man die Spannung abgreift, desto> reaktionsschneller das Resultat ist.
Ist doch klar. Die Photodiode besitzt eine Sperrschichtkapazität und die
muss sich irgendworüber entladen, wenn es dunkel wird. Je kleiner der
Widerstand, um so schneller geht das. Die zweite Möglichkeit ist eine
kräftige Bias-Spannung die die Dicke der Sperrschicht vergrößert. Damit
wird die Kapazität kleiner und es muss nicht so viel entladen werden. In
ihrem tiefen Inneren ist jede Diode eine Kapazitätsdiode ;-)
> Hier sieht man, dass die BPW34 bei 8 K Ohm noch ganz gut wegkommt bei> 400 Kilohertz: http://budgetlightforum.com/node/61254 Ganz rechteckig> ist das Signal aber selbst dann noch nicht.
Wenn du rechteckige Signale übertragen möchtest, muss die Bandbreite die
dritte und auch die fünfte Oberwelle noch vernünftig durchlassen. Mit
500kHz kommst du dann nicht weit. Da solltest du überlegen, wie weit du
an der Rechteckigkeit Abstriche machen kannst.
> Eine Lösung wäre jetzt wohl ein Transimpedanzverstärker. Jedoch bekomme> ich so eine Schaltung leider nie und nimmer hin, mit meinen geringen> Kenntnissen.
Ein Transimpedanzverstärker besteht aus einem ausreichend schnellen OP
und einen Gegenkopplungswiderstand mit kleinem
Bandbreitenbegrenzungskondensator. So ein Hexenwerk ist das nicht, eher
eine Frage des sauberen Aufbaus.
Ein Beispiel findest du bspw. im Datenblatt des LT6230-10 (letzte Seite)
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/623012fc.pdf
Wenn man nun mehrere Dioden parallel schaltet und wie empfohlen mit
Reverse Bias betreibt, mittels einer handelsüblichen Batterie: würde der
Diodenstrom nicht dafür sorgen, dass die Batterie aufgeladen wird?
Besteht, ob nun kurz- oder langfristig, eine Gefahr des
Auslaufens/Explodierens?
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