Spannung speichern in Kondensator

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Liebe Gemeinde,

ich habe mir folgende Aufgabe gestellt: Ich möchte ein optisches Signal 
unter verschiedenen Umgebungsbedingungen detektieren.
Das (digitale) Signal liegt etwa <2ms an. Dazwischen ist >1s Ruhe. Ich 
möchte das Signal so aufbereiten, dass ich es digital mit einem µC 
einlesen kann.

Den Strom der Photodiode verstärke ich mit einem TIA. Dann möchte ich 
zuerst die Dunkelspannung(Umgebungslicht) abziehen. Dazu habe ich mir 
gedacht, ich speichere die Ausgangsspannung des TIA in einem 
Kondensator, den ich über einen Widerstand auflade und subtrahiere diese 
Spannung mit einem OpAmp vom Ausgangssignal des TIA.
Die Zeitkonstante bemesse ich so, dass sich die Spannung während der 
Signalübertragung kaum ändert. Ich habe 4,7KOhm und 200nF ausgewählt. 
Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch 
das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht 
die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen, 
proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.

Warum ist das so? Es ist alles DC bisher. Ich habe auch noch nicht den 
Subtrahierer angeschlossen, über den Ladung abfließen könnte.

Wie löse ich das? Ich denke, mit dem Subtrahierer kann ich das 
Dunkelsignal auch mit einem Faktor multiplzieren. Wäre das eine gute 
Lösung?

Hier noch einige Daten:

OpAmp MCP607 0-5V single-Rail, TIA aufgebaut mit PD333-3C/HO/L2 EVL, 
10pF, 1MOhm

Tiefpass 4,7kOhm, 200nF

Dunkelspannung 0-2V (mit Handy-Taschenlampe)

Spannung am Kondensator ca. 1/2 * Dunkelspannung

[Florian L. (muut)]

Einfach das Signal oft genug sampeln dann kannst du alle Rechnungen im 
Controller durchführen.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Tobias S. schrieb:
> Hier noch einige Daten:
Kannst du statt der Prosa nicht einfach einen Schaltplan posten? Denn 
auch wenn das zwischenzeitlich altmodisch zu sein scheint: Schaltpläne 
sind die weltweit verständliche Sprache der Elektronik.

Mir scheint dein Problem auch eher der analogen Elektronik anzugehören. 
Auch wenn das Signal irgendwann mal von einem uC eingelesen wird.

[Gustl B. (gustl_b)]

Tobias S. schrieb:
> Den Strom der Photodiode verstärke ich mit einem TIA. Dann möchte ich
> zuerst die Dunkelspannung(Umgebungslicht) abziehen.

Nennt sich CDS und aktuelle Bildsensoren machen das. Guck dir also mal 
an wie so ein Pixel samt Ausleseschaltung aufgebaut ist.

https://www.researchgate.net/publication/263017790_Comparison_of_two_optimized_readout_chains_for_low_light_CIS

[Michi S. (mista_s)]

Tobias S. schrieb:
> Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
> die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal
> sagen, proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.

Und der Proportionalitätsfaktor wird vermutlich so in der Größenordnung 
des Widerstandswertes sein, richtig? Dann hättest Du einen altbekannten, 
nach dem guten Herrn Ohm benannten Zusammenhang wiederentdeckt.

Ansonsten kann ich mich nur der Forderung nach einem Schaltplan an. Zur 
Not tuts auch eine schnelle Skizze auf 'ner Serviette mitm Handy 
abgelichtet; das wäre auch deutlich schneller gewesen, als Deine 
wortgewaltige Prosa zu tippen.

[Thorsten S. (thosch)]

AC-Kopplung und eine Klemmschaltung wären wohl auch eine klassische 
analoge Lösung für das Problem. Dann noch ein Spitzenwertgleichrichter 
für den Signalpegel, der über einen 2:1 Spannungsteiler die 
Referenzspannung für den Komparator zum Slicen des Signals liefert.

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

von Tobias S. schrieb:
>Den Strom der Photodiode verstärke ich mit einem TIA. Dann möchte ich
>zuerst die Dunkelspannung(Umgebungslicht) abziehen.

Du denkst viel zu komliziert.
Nimm statt einer Photodiode einen Phototransistor,
der ist empfindlicher weil er selbst schon verstärkt.
Moduliere das Licht, vielleicht so mit 10kHz.
Verstärke dann mit einen NF-Verstärker, damit hast du
das Problem mit dem Fremdlicht (Umgebungslicht) gelöst.
Richte dann die NF gleich und gebe dann die Gleichspannung
auf einen Schmitt-Trigger. Den Ausgang des Schmitt-Trigger
kannst du dann mit einen Mikrocontroller auswerten oder
sonstwas mit schalten.

[Michael B. (laberkopp)]

Tobias S. schrieb:
> Dazu habe ich mir gedacht, ich speichere die Ausgangsspannung des TIA in
> einem Kondensator, den ich über einen Widerstand auflade und subtrahiere
> diese Spannung mit einem OpAmp vom Ausgangssignal des TIA.

Kann man machen so lange der Dunkelstrom (die in den Sendepausen aus der 
Umgebungshelligkeit anliegende Spannung) plus Signal immer innerhalb des 
Spannungsbereichs des OpAmps bleibt,  aber einfacher ist eine 
Differenzierschaltung (RC Differenzierglied) nach Photodiode mit 
Widerstand.

[Jens G. (jensig)]

Tobias S. schrieb:
> Tiefpass 4,7kOhm, 200nF

Tobias S. schrieb:
> Tiefpass 4,7kOhm, 200nF

Ich würde eher einen Hochpaß nachschalten, mit anschließender 
nochmaliger AC-Nachverstärkung (falls nötig).

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Lothar M. schrieb:
> Tobias S. schrieb:
>> Hier noch einige Daten:
> Kannst du statt der Prosa nicht einfach einen Schaltplan posten? Denn
> auch wenn das zwischenzeitlich altmodisch zu sein scheint: Schaltpläne
> sind die weltweit verständliche Sprache der Elektronik.

Ich habe den Stromlaufplan angehängt. Ich dachte, die Schaltung ist so 
trivial, dass jeder, der mir weiterhelfen kann, es auch so versteht.

> Mir scheint dein Problem auch eher der analogen Elektronik anzugehören.
> Auch wenn das Signal irgendwann mal von einem uC eingelesen wird.
Kann ich den Beitrag noch umhängen?

[Jens G. (jensig)]

Tobias S. schrieb:
> Ich habe den Stromlaufplan angehängt. Ich dachte, die Schaltung ist so
> trivial, dass jeder, der mir weiterhelfen kann, es auch so versteht.

Ja, das ist die Standardschaltung. Da fehlt aber offensichtlich die 
Hälfte, denn wo ist denn jetzt die von Dir genannte Subtraktion?

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Florian L. schrieb:
> Einfach das Signal oft genug sampeln dann kannst du alle Rechnungen im
> Controller durchführen.

ja, das ginge wahrscheinlich, aber ich möchte es gerne analog versuchen, 
um was dazuzulernen, außer ich bekomme es nicht hin.

[Steve van de Grens (roehrmond)]

Tobias S. schrieb:
> Wäre das eine gute Lösung?

Kann man wohl so machen. Naheliegender fände ich allerdings, die 
Ausgangsspannung der Fotodiode durch einen Hochpass zu schicken. Dieser 
filtert die Dunkelspannung (DC Anteil) komplett raus, so dass du nur 
noch den verbleibenden AC Anteil verstärken müsstest.

Andere Leute schlugen ähnliches vor.

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Jens G. schrieb:
> Tobias S. schrieb:
>> Ich habe den Stromlaufplan angehängt. Ich dachte, die Schaltung ist so
>> trivial, dass jeder, der mir weiterhelfen kann, es auch so versteht.
>
> Ja, das ist die Standardschaltung. Da fehlt aber offensichtlich die
> Hälfte, denn wo ist denn jetzt die von Dir genannte Subtraktion?

Die beschriebene Situation tritt ja schon auf, wenn gar kein 
Subtrahierer angeschlossen ist. Aber ich habe den Subtrahierer nun mit 
reingemalt.

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Steve van de Grens schrieb:
> Dieser
> filtert die Dunkelspannung (DC Anteil) komplett raus, so dass du nur
> noch den verbleibenden AC Anteil verstärken müsstest.
>
> Andere Leute schlugen ähnliches vor.

Ok, aber dann bekomme ich je Flanke nur einen Peak, oder? Ich habe keine 
symmetrische Versorgungspannung. Was passiert bei den negativen Flanken?

Mein Signal ist pulslängenkodiert. Ich messe, ob das Signal nach einer 
halben Periode noch an oder aus ist, ähnlich wie bei OneWire.

[Jens G. (jensig)]

Tobias S. schrieb:
> Ok, aber dann bekomme ich je Flanke nur einen Peak, oder? Ich habe keine

Nö. Ist daselbe wie mit Deinem RC-Tiefpaß. Die RC-Konstante muß nur groß 
genug sein, damit nicht nur die Flanke, sondern auch das "Dach" 
durchkommt.

> symmetrische Versorgungspannung.

Davon war bisher keine Rede.

> Was passiert bei den negativen Flanken?

Daselbe wie mit den positiven, wenn RC groß genug ist.

Aber Deine Schaltung sollte doch funktionieren. Du hast den DC-Anteil 
vom Licht auf dem C, und zusätzlich den gefilterten DC-Anteil vom 
Signal, welcher ja nach Puls/Pausenverhältnis unterschiedlich ausfallen 
wird. Sollte aber bei Deiner Schaltung kein Problem sein, solange die 
OPV nicht in Sättigung geraten.
Du hast aber was von

> Das (digitale) Signal liegt etwa <2ms an. Dazwischen ist >1s Ruhe.

geschrieben, als Puls/Pause von 0,2%, entsprechend wäre dann auch der 
zusätzliche DC-Fehler, also eigentlich vernachlässigbar selbst bei 
Vollaussteuerung. Wo ist denn da jetzt das Problem?

Aber auf Grund von Offset (ok, der ist gering bei diesen OPV), und vor 
allem durch Toleranzen bei den R beim Subtrahierer könnte der 
Subtrahierer  in der negativen Begrenzung hängen, wenn DC-Anteil bei 0 
liegt, und Signal sehr klein. D.h., die Schaltung könnte kleine Signale 
verschlucken ...

Ansonsten gibt es auch Schaltungen mit echter DC-Kompensation, wie z.B. 
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/2021/10/29/18/33/how-to-cancel-ambient-light-for-lidar-receivers.html
(gibt auch andere Varianten, oder sogar komplett als IC). Aber die 
dürften alle auch selben Problem kranken, wenn das Signal unsymmetrisch 
ist, also selbst eine DC-Komponente hat (wie dein PWM-moduliertes 
Signal).

[Jens G. (jensig)]

Tobias S. schrieb:
> Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch
> das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
> die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen,
> proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.

Ich glaube, ich verstehe erst jetzt so richtig, was Du hier an der 
Stelle meintest. D.h., Du hast über R2 eine DC-Spannung, ohne Signal, 
und ohne Subrahierer? Die dann auch größer wird, je mehr DC-Anteil vom 
TIA kommen?
Über welche Größenordnungen reden wir denn da? Also wieviel Spannung pro 
Photostrom.
Dann ist entweder der C2 kaputt (erhöhter Leckstrom), oder aber dein 
TIA-OPV schwingt (10pF mal erhöhen), oder Deine PD fängt nicht nur 
einfaches DC-Umgebungslicht ein, sondern auch alle anderen möglichen 
Störung (also AC-Anteil), oder aber der Eingang fängt einiges an el. 
Störungen ein (ist schließlich ziemlich hochohmig - Steckbrettaufbau und 
längere Leitungen verbieten sich da schon fast).
Ansonsten das Signal am TIA-Ausgang mit einem Oszi angucken ...

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

Jens G. schrieb:
> Tobias S. schrieb:
>> Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch
>> das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
>> die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen,
>> proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.
>
> Ich glaube, ich verstehe erst jetzt so richtig, was Du hier an der
> Stelle meintest. D.h., Du hast über R2 eine DC-Spannung, ohne Signal,
> und ohne Subrahierer? Die dann auch größer wird, je mehr DC-Anteil vom
> TIA kommen?

Ich messe an MP1 gegen GND bzw. am OpAmp-Ausgang gegen GND (leider habe 
ich den Punkt nicht bezeichnet, ich nenne ihn mal "A"). Wenn ich nun mit 
einer Taschenlampe konstant reinleuchte, steigt die Spannung an A sagen 
wir mal auf 2V. Nun dachte ich über R2 lädt C2 sich ebenfalls 
entsprechend der Zeitkonstante (t=4,7ms)auf ~2V auf. Zumindest nach 
einer 1s.
Aber ich beobachte, dass an MP1 etwa 1V anliegt. Das verstehe ich nicht. 
Ich kann leider nicht genau sagen, welchen Typ Kondensator ich verwende, 
es sind die gleichen, die auch zum Abblocken am µC verwende. Wenn ich 
raten müsste, Keramik.

> Über welche Größenordnungen reden wir denn da? Also wieviel Spannung pro
> Photostrom.

Den Photostrom habe ich bisher nicht direkt gemessen. Ich weiß gar 
nicht, ob ich ein entsprechendes Messgerät habe, mit dem ich µA messen 
kann. Die OpAmp Ausgangsspannung geht bis 2V. Bei R1=1MOhm, müsste der 
Diodenstrom 2µA sein? Ich kann jedenfalls das obige sagen, dass ich bei 
2V am Ausgang des Opamp, an MP1 ca. 1V messe. Habe ich 1V am Ausgang, 
habe ich etwa 0,5V an MP1

> Dann ist entweder der C2 kaputt (erhöhter Leckstrom), oder aber dein
Wie finde ich das heraus?

> TIA-OPV schwingt (10pF mal erhöhen)
Ok, das sieht aber erstens nicht so aus im Oszilloskop und ich sehe bei 
22pF schon, dass meine Flanken rund werden.

>, oder Deine PD fängt nicht nur
> einfaches DC-Umgebungslicht ein, sondern auch alle anderen möglichen
> Störung (also AC-Anteil), oder aber der Eingang fängt einiges an el.
Das mit Sicherheit. Etwas schräg steht mein Monitor und der Raum ist 
durch Leuchtstoffröhren beleuchtet. Für mich ist das Teil des Aufbaus, 
weil ich solche Störungen im Betrieb vielleicht haben werde.

> Störungen ein (ist schließlich ziemlich hochohmig - Steckbrettaufbau und
> längere Leitungen verbieten sich da schon fast).
Öhöm, ja, ich baue alles auf dem Steckbrett auf. Die THT-Widerstände 
kürze ich nicht, sonst ist die längste Leitung ca. 2cm.
So oft wie ich umstecken und probiere, wüsste ich nicht, wie sonst. 
Würde ein Profi das alles mit Spice simulieren?

> Ansonsten das Signal am TIA-Ausgang mit einem Oszi angucken ...
Ja, das habe ich gemacht. Ich habe ein Foto angehängt. Leider zeigt es 
nicht die Problem-Situation, sondern den Fall mit wenig Störlicht.

Oben (gelb) ist das invertierte Signal vom Sender.

Hellblau ist das Signal am OpAmp-Ausgang.

Lila ist das Signal an MP1.

Dunkelblau ist das Signal hinter dem Subtrahierer.

[Jens G. (jensig)]

Tobias S. schrieb:
> Ich messe an MP1 gegen GND bzw. am OpAmp-Ausgang gegen GND (leider habe
> ich den Punkt nicht bezeichnet, ich nenne ihn mal "A"). Wenn ich nun mit
> einer Taschenlampe konstant reinleuchte, steigt die Spannung an A sagen
> wir mal auf 2V. Nun dachte ich über R2 lädt C2 sich ebenfalls
> entsprechend der Zeitkonstante (t=4,7ms)auf ~2V auf. Zumindest nach
> einer 1s.
> Aber ich beobachte, dass an MP1 etwa 1V anliegt.

Na das lasse für einen Test den C2 doch einfach mal ganz weg.
Und ist R2 wirklich 4,7k? Oder vielleicht aus Versehen ein 4,7M 
genommen, so daß sich mit dem meßgerät eine Spannungsteilung ergibt. 
Also den mal vermessen ...

> kann. Die OpAmp Ausgangsspannung geht bis 2V. Bei R1=1MOhm, müsste der
> Diodenstrom 2µA sein?

Ja.

> Öhöm, ja, ich baue alles auf dem Steckbrett auf. Die THT-Widerstände
> kürze ich nicht, sonst ist die längste Leitung ca. 2cm.

Ok, die Oszi-Bilder sehen erstmal gut aus, bzw. Signalpegel sind groß 
genug, um Störungen klein aussehen zu lassen.
Es hätte ja sein können, daß Du einen halben Meter zu PD hast oder so 
(gabs hier ja auch schon), und nur über kleine Signale sprichst ...

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

Schau mal hier, wie man das mit IR-LED Fernbedienungen
macht. Da wird das Licht mit 38kHz moduliert. Die 38kHz
werden dann an und ausgeschaltet, daß sind dann die
Rechteckimpulse, also praktisch die Nutzdaten.

https://wolles-elektronikkiste.de/ir-fernbedienungen

[Tobias S. (herrgesangsverein)]

>
> https://wolles-elektronikkiste.de/ir-fernbedienungen

Sieht so aus als hätte ich wieder mal das Rad neu erfunden, nur 
dreieckig.
Um was zu lernen, würde ich gerne versuchen, das mit meiner roten LED 
nachzubauen. Und wenn es nicht geht, dann nehme ich die fast fertige 
IR-Lösung.

[HaJo (hajohausb)]

Tobias S. schrieb:
> Sieht so aus als hätte ich wieder mal das Rad neu erfunden, nur
> dreieckig.

Prima, das rumpelt einmal weniger pro Umdrehung als ein viereckiges Rad.

> Um was zu lernen, würde ich gerne versuchen, das mit meiner roten LED
> nachzubauen. Und wenn es nicht geht, dann nehme ich die fast fertige
> IR-Lösung.

DAS ist der richtige Ansatz. Schaltungen verstehen lernen heißt zwar 
manchmal learning by burning, aber so merkt man sich Zusammenhänge. 
Halbfertiges irgendwo dranflanschen mache ich jetzt im Ruhestand öfter, 
hat aber mit dem Hühnerfutter zu tun welches neuerdings auf den Platinen 
klebt, da spielen Augen und Motorik nicht mehr mit.