Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transimpedanzverstärker und Photodiode


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von Julian L Euler (Gast)


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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

von Achim S. (Gast)


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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)

von M. K. (sylaina)


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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 ;)

: Bearbeitet durch User
von my2ct (Gast)


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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.

von M. K. (sylaina)


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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.

von Mark S. (voltwide)


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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.

von Julian L Euler (Gast)


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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

von Julian L Euler (Gast)


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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

von Achim S. (Gast)


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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).

von Sven B. (scummos)


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Wenn du den Fotostrom messen willst, wieso nimmst du dann nicht ein 
Multimeter im µA-Modus?

von Julian L Euler (Gast)


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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.

von Achim S. (Gast)


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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).

von Julian L Euler (Gast)


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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?

von Achim S. (Gast)


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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.

von Julian L Euler (Gast)


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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.

von Michel M. (elec-deniel)


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