Hallo, ich versuche zur Zeit einen Transimpedanzverstärker an eine Photodiode zu schließen um den Photostrom zu messen. Ich habe mir bereits mehrere Artikel durchgelesen, unter anderen auch den Artikel [[Lichtsensor / Helligkeitssensor]] hier. Ich habe eine Photodiode SFH 2440 [1], einen OPA170 (SOT235) [2], einen 1MOhm Widerstand und einen 33pF Kondensator. Ich habe versucht, den Photostrom aus der Photodiode mit einem Oszilloskop und einem Messkopf mit 10MOhm zu messen. Wie im Bild [3] zu sehen, messe ich ca. 50mV wenn ich die Photodiode relativ nah an die zu messende LED halte. Mit U = R*I würde das heißen, dass ich einen Photostrom von 5nA messe. Laut Datenblatt [1] würde das aber heißen, dass ich weniger als 1lux direkt vor der LED habe, was definitiv nicht stimmt. Hier ist mein erstes Problem Abgesehen davon habe ich versucht, einen TIA dahinter zu schalten. Ich habe dazu den OPA170 auf ein OpAmp Eval Module [4] in Bereich 400 gelötet. Dabei habe ich ihn so orientiert, dass die Lücke (da mein OPA nur 5 Pins hat) über Pad 4/SD ist. Dann bin ich dem Schematic auf Seite 12 [4] gefolgt und habe meinen Widerstand bei R402 und den Kondensator bei C401 verlötet. Dann habe ich noch R408, R407, R404 und C404 kurzgeschlossen. Danach habe ich den OpAmp (via Pins V4+ und V4-) mit 5V Gleichspannung versorgt. V4- hing hierbei auf 0V. Dann habe ich noch die Photodiode angeschlossen und versucht zu messen. Wie im zweiten Bild [5] zu sehen kam dabei nicht das raus, was ich nach einem TIA erwartet hätte. Die 50Hz kommen wahrscheinlich von einer AC-Versorgungsspannung, aber ich weiß nicht, wie sie in die Messung kommen. Ich habe auch versucht, den Kondensator zu entfernen um zu sehen, ob sich an der Messung was ändert. Das war nicht der Fall. Meine aufgelötete Schaltung danach ist im dritten Bild [6] zu sehen. Kann mir hierbei jemand weiterhelfen? Was mache ich falsch? [1] https://www.mouser.com/ds/2/311/SFH%202440-920876.pdf [2] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa2170.pdf [3] Bild photodiode_messing.jpeg [4] http://www.ti.com/lit/ug/slvu009/slvu009.pdf [5] Bild tia_messung.jpeg [6] Bild eval_board_schaltung.jpeg
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Julian L Euler schrieb: > Wie im Bild [3] zu > sehen, messe ich ca. 50mV wenn ich die Photodiode relativ nah an die zu > messende LED halte. > Mit U = R*I würde das heißen, dass ich einen Photostrom von 5nA messe. > Laut Datenblatt [1] würde das aber heißen, dass ich weniger als 1lux > direkt vor der LED habe, was definitiv nicht stimmt. Wo misst du diese 50mV? Am Eingang des TIA? Dann funktioniert dein TIA nicht, denn der müsste seinen Eingang fest auf GND halten. Oder an der Fotodiode im Leerlauf? Oder an der Fotodiode mit Belastung durch 1MOhm? Dann die Frage: hat dein Oszi erkannt, dass du einen 10:1 Tastkopf angeschlossen hast? Falls nicht wird die Spannung einen Faktor 10 zu klein angezeigt - die scheinbaren 50mV wären in Wirklichkeit dann 500mV. Und das ist wahrscheinlich der Maximalwert, den du für eine Leerlaufspannung an der Fotodiode überhaupt erreichen kannst. Oder hast du die Fotodiode in Sperrichtung vorgespannt und dann den Strom über den 1MOhm gemessen? Am besten zeichnest du einfach eine kurze Schaltskizze, das klärt diese Fragen. Julian L Euler schrieb: > Abgesehen davon habe ich versucht, einen TIA dahinter zu schalten. Ich > habe dazu den OPA170 auf ein OpAmp Eval Module [4] in Bereich 400 > gelötet. Dabei habe ich ihn so orientiert, dass die Lücke (da mein OPA > nur 5 Pins hat) über Pad 4/SD ist. Dann bin ich dem Schematic auf Seite > 12 [4] gefolgt und habe meinen Widerstand bei R402 und den Kondensator > bei C401 verlötet. Dann habe ich noch R408, R407, R404 und C404 > kurzgeschlossen. Die Zeit, die du dazu verwendest, diene Änderen gegenüber einem fremden Schaltplan aufzulisten, würde auch reichen, deinen tatsächlichen Schaltplan zu zeichnen. Dann müsste sich nicht jeder Leser durch andere Dokumente durcharbeiten und in Gedanken den dort gezeigten Schaltplan vollständig umbauen - nur um dann immer noch unsicher zu sein, ob er am Ende wirklich deinen Schaltplan kennt. Julian L Euler schrieb: > Kann mir hierbei jemand weiterhelfen? Klar: zeichne einen Schaltplan deiner Schaltung, dann kann man dir wahrscheinlich leicht weiterhelfen. Zeichne auch die Versorgungen mit ein und wo du das Oszi angeschlossen hast (inklusive dessen GND-Klemme)
Julian L Euler schrieb: > Mit U = R*I würde das heißen, dass ich einen Photostrom von 5nA messe. > Laut Datenblatt [1] würde das aber heißen, dass ich weniger als 1lux > direkt vor der LED habe, was definitiv nicht stimmt. Hier ist mein > erstes Problem Der Widerstand deines Tastkopfes ist doch nicht der Feedback-Widerstand. Wie groß ist dein Feedback-Widerstand? Das Oszi-Bild zeigt übrigens eine 50 Hz Schwingung, ist dir das aufgefallen ;) Mit ziemlicher Sicherheit hast du einen Schaltungsfehler ;)
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Julian L Euler schrieb: > photodiode_messung.jpeg > tia_messung.jpeg Falls du dann nach die höchstwahrscheinlich rechts unter dem Display des Oszis vorhandene USB-Buchse bemühen würdest, wären deine Screenshots auch nicht ein verwaschenes Spiegelbild deiner Raumbeleuchtung, sondern würden die eigentlichen Inhalt in den Vordergund stellen.
my2ct schrieb: > Julian L Euler schrieb: >> photodiode_messung.jpeg >> tia_messung.jpeg > > Falls du dann nach die höchstwahrscheinlich rechts unter dem Display des > Oszis vorhandene USB-Buchse bemühen würdest, wären deine Screenshots > auch nicht ein verwaschenes Spiegelbild deiner Raumbeleuchtung, sondern > würden die eigentlichen Inhalt in den Vordergund stellen. Ja, das ginge ggf besser aber mal ganz ehrlich: Alles notwendige sieht man doch.
Das Oszillogramm zeigt eine 50Hz Wechselspannung - so etwas fängt man sich bei hochohmiger Beschaltung und hoher Stromempfindlichkeit ganz leicht ein auf kapazitivem Wege. Als Photostrom würde ich eher eine Gleichspannungskomponente erwarten - davon ist aber nichts zu sehen.
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Achim S. schrieb: > Wo misst du diese 50mV? Wahrscheinlich an falscher Stelle [1]. Achim S. schrieb: > zeichne einen Schaltplan deiner Schaltung, dann kann man dir > wahrscheinlich leicht weiterhelfen. Zeichne auch die Versorgungen mit > ein und wo du das Oszi angeschlossen hast (inklusive dessen GND-Klemme) Gerne. War etwas in Eile, aber hier habe ich das mal kurz verbildlicht [2]. M. K. schrieb: > Das Oszi-Bild zeigt übrigens eine 50 Hz Schwingung, ist dir das > aufgefallen ;) Ja ist es, habe ich auch beschrieben. my2ct schrieb: > Falls du dann nach die höchstwahrscheinlich rechts unter dem Display des > Oszis vorhandene USB-Buchse bemühen würdest Hätte ich gerne, da gab es aber nur einen SD-Karten Slot und eine solche hatte ich gerade nicht parat. Mark S. schrieb: > so etwas fängt man > sich bei hochohmiger Beschaltung und hoher Stromempfindlichkeit ganz > leicht ein auf kapazitivem Wege. Danke! Gut zu wissen. Mark S. schrieb: > Als Photostrom würde ich eher eine > Gleichspannungskomponente erwarten - davon ist aber nichts zu sehen. Leider nicht. Achim S. schrieb: > Dann die Frage: hat dein Oszi erkannt, dass du einen 10:1 > Tastkopf angeschlossen hast? Da bin ich mir leider nicht sicher. Ich habe nach einer solchen Einstllung gesucht, habe aber nicht gefunden. Das war schon ein ziemlich altes Oszi an dem ich das gemessen habe (auch erkennbar am nicht vorhandenen USB Anschluss) [1] Photodiode_messung.png [2] eval_board_schematic.png
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Julian L Euler schrieb: > Gerne. War etwas in Eile, aber hier habe ich das mal kurz verbildlicht > [2]. Mir fällt gerade auf, dass ich nicht C408 hätte kurzschließen dürfen. Anbei [1] meine berichtigte (?) Schaltung. [1] eval_board_schematic_v2.png
Julian L Euler schrieb: > Achim S. schrieb: >> Wo misst du diese 50mV? > > Wahrscheinlich an falscher Stelle [1]. Ok, damit lässt du die Fotodiode eine Spannung erzeugen - ein ganz schlechter Ansatz, wenn man etwas über die Beleuchtungsstärke rauskriegen will. Sehr viel besser und Aussagekräftiger ist es, den Fotostrom bei konstanter Spannung zu messen (wie es auch der TIA macht). Julian L Euler schrieb: > Gerne. War etwas in Eile, aber hier habe ich das mal kurz verbildlicht Danke Julian L Euler schrieb: > Mir fällt gerade auf, dass ich nicht C408 hätte kurzschließen dürfen. > Anbei [1] meine berichtigte (?) Schaltung. Sieht grundsätzlich gut aus. Allerdings fehlt noch eine Verbindung von GND zum Minuspol deiner Spannungsquelle. Also von deinem R406 zu V4-. Und dort muss tatsächlich auch die GND-Klemme des Oszi angeschlossen werden. Du solltest deinen Netzen übrigens nicht viele verschiedene Namen geben. Dein 403+ 404+ R409 R406 und V4- sollten alle verbunden sein, und ein einziges Netz mit einem einzigen Namen (z.B. GND) darstellen. Julian L Euler schrieb: > Achim S. schrieb: >> Dann die Frage: hat dein Oszi erkannt, dass du einen 10:1 >> Tastkopf angeschlossen hast? > > Da bin ich mir leider nicht sicher. Ich habe nach einer solchen > Einstllung gesucht, habe aber nicht gefunden. Das war schon ein ziemlich > altes Oszi Tastteiler mit 10:1 sind schon wesentlich älter als dein Oszi. Wenn du unsicher bist: knipps ein Foto davon und stelle es hier rein. Oder/und miss mit dem Tastkopf an der 5V Versorgung: entweder zeigt dein Oszi 5V an (dann behandelt es den eventuellen Teilerfaktor richtig) oder es zeigt 0,5V an (dann misst es um einen Faktor 10 zu klein).
Wenn du den Fotostrom messen willst, wieso nimmst du dann nicht ein Multimeter im µA-Modus?
Achim S. schrieb: > Allerdings fehlt noch eine Verbindung von > GND zum Minuspol deiner Spannungsquelle. Sollte die direkt oder mit einem Kondensator sein? Achim S. schrieb: > Du solltest deinen Netzen übrigens nicht viele verschiedene > Namen geben. Dein 403+ 404+ R409 R406 und V4- sollten alle verbunden > sein, und ein einziges Netz mit einem einzigen Namen (z.B. GND) > darstellen. Das hatte ich hauptsächlich gemacht um zu veranschaulichen, welche Stellen kurzgeschlossen werden müssen. Die Namen stammen aus dem Datasheet zum Eval Module.
Julian L Euler schrieb: > Sollte die direkt oder mit einem Kondensator sein? da muss eine direkte Verbindung hin. Sonst hast du keinen korrekten Potnentialbezug zwischen deiner Versorgung und deinem Messkreis (außer die 5V Versorgung stellt den Potentialbezug schon "intern" her, ohne dass das auf deinem Schaltplan zu sehen ist).
Achim S. schrieb: > da muss eine direkte Verbindung hin. Vielen Dank! Ich kann Montag das Ganze mal umsetzen und sehen, ob es dann funktioniert. Für die Zukunft: Wie misst man eine Photodiode nur mit 'nem Oszi anständig? Oder sollte man da immer irgendwie vor einem TIA messen?
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Julian L Euler schrieb: > Wie misst man eine Photodiode nur mit 'nem Oszi anständig? Oder sollte > man da immer irgendwie vor einem TIA messen? Eine Möglichkeit ohne TIA siehst du im Anhang. Die Fotodiode ist in Sperrichtung gepolt, was ihr Kapazität zumindest etwas reduziert. (siehe erstes Diagramm auf s. 4 von https://www.mouser.com/ds/2/311/SFH%202440-920876.pdf). Je stärker die Beleuchtung desto mehr Fotostrom kann fließen, dessen Spannungsabfall am Widerstand ausgewertet wird. Der Wert von R1 bestimmt die Empfindlichkeit und die Bandbreite der Messung. Deine Diode hat ~100pF Kapazität (dazu kommt die Kapazität deines Tastkopfs). Mit einem Widerstand von 50 Ohm bekommst du eine Bandbreite im 10MHz-Bereich, dafür ist die Empfindlichkeit sehr gering (8,1µA/1000lx*50Ohm=400µV/1000lx). Nimmst du stattdessen einen Widerstand von 50kOhm, dann ist die Empfindlichkeit zwar einen Faktor 1000 höher, die Bandbreite aber entsprechend einen Faktor 1000 kleiner.
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Vielen Dank für die Hilfe. Mit den richtigen Anschlüssen (s. Anhang) hat es dann endlich geklappt und ich habe ein gutes Signal rausbekommen.
zur Diskussion .... :-) "Simpler Transimpedanzverstärker zur Lichtmessung" mit LTspice Simulation v. Helmut S. Beitrag "Re: Simpler Transimpedanzverstärker zur Lichtmessung" Allgemeine Infos https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5129 http://www.ti.com/lit/ug/tidu535/tidu535.pdf https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/jul/design-transimpedance-amplifiers-for-precision-opto-sensing oder so ?! https://outsidescience.wordpress.com/2012/11/03/diy-science-measuring-light-with-a-photodiode-ii/
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