Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltung - Fotometer


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von Thimo (raspevo)


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Hallo liebes Forum,

ich bin neu in diesem Forum.
Mein Name ist Thimo und ich versuche wie o.g. ein einfaches 
zuverlässiges Fotometer zu bewerkstelligen.

Mein Plan ist mit dieser Schaltung die Absorption von einer Probe zu 
messen.
Die max. Absorption liegt genau bei 880nm daher auch die LED.

Kurz zur Erklärung.
Die rote LED am Anfang soll nur eine Kontroll LED sein, damit ich weiß, 
dass die Schaltung soweit funktioniert.

Danach geht es auf 9V runter.
Die Kondensatoren habe ich dem Datenblatt entnommen.

Damit die 880nm LED möglichst konstant die Helligkeit hält verwende ich 
einen LM317L mit 62,5Ohm um auf 20mA zu regeln.
Hier bin ich schon etwas unsicher, ob das wirklich so gut funktioniert?
Da ich gelesen habe, dass dieser Aufbau nicht sonderlich zuverlässig 
sein soll.

Die BPW34 wird das Licht der 880nm nach der Küvette messen.
Um hier einen guten ablesbaren Wert zu bekommen wird dieser Wert per OPV 
verstärkt. Da habe ich bereits aus einem anderen Post aus diesem Forum 
paar Infos gesammelt.

Da ja die Ausgangsspannung immer positiv ist benötige ich doch 
eigentlich den ICL7660 garnicht um die Spannung zu invertieren, um 
daraus einen negativen Wert zu generieren?

Wichtig, es muss kein Laborgerät werden.
Natürlich, je genauer desto besser (Aber mit Maß und Ziel ;D)

Das Gehäuse wird komplett lichtdicht verbaut und mein Plan wäre, dass 
die LED mithilfe einem Collimator einen genauen Strahl auf den BPW34 
wirft.
Ist ein Collimator tatsächlich notwendig?

Meine Abschlussfrage lautet, ob diese Schaltung hierbei ausreicht oder 
ich einen fatalen Fehler in dieser habe?

Danke im Vorraus.

von Rüdiger B. (rbruns)


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Von da geklaut:
https://stoppi-homemade-physics.de/photometer/

scheint also OK zu sein.

von Christoph E. (stoppi)


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Hier findest du die Anleitung zu meinem Photometer, vielleicht kannst du 
ja damit etwas anfangen...

https://stoppi-homemade-physics.de/photometer/

von Erni (pudding)


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Und die Pins 2 und 3 am OP vertauscht.
Transimpedanzverstärker.

von Jörg R. (solar77)


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Rüdiger B. schrieb:
> Von da geklaut:
> https://stoppi-homemade-physics.de/photometer/
>
> scheint also OK zu sein.

Der TO sollte aber dann auch die richtigen Werte für die Widerstände 
übernehmen. Megaohm statt Milliohm.


Thimo schrieb:
> Die rote LED am Anfang soll nur eine Kontroll LED sein, damit ich weiß,
> dass die Schaltung soweit funktioniert.

Die LED zeigt nur an dass Spannung anliegt, mehr nicht. Sie zeigt nicht 
einmal an ob die Eingangsspannung vom Wert her passt.

> Damit die 880nm LED möglichst konstant die Helligkeit hält verwende ich
> einen LM317L mit 62,5Ohm um auf 20mA zu regeln.

Du hast einen 9V Regler. Für die LED reicht daher ein Vorwiderstand. Der 
LM317L macht da nichts besser.

von Arno R. (arnor)


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Thimo schrieb:
> Damit die 880nm LED möglichst konstant die Helligkeit hält...

Damit der Strahlungsfluss der LED konstant bleibt, reicht es nicht den 
Strom konstant zu halten, du musst die LED auch temperaturkompensieren. 
Die hat nämlich einen typ. TK von -0,5%/K, d.h. bei 20K 
Temperaturänderung ändert sich der Strahlungsfluss um 10%. Die 
Stromquelle muss also einen TK von +0,5%/K haben.

: Bearbeitet durch User
von H. H. (hhinz)


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Und auch der Dunkelsperrstrom der Photodiode ist stark 
temperaturabhängig.

von Thimo (raspevo)


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Rüdiger B. schrieb:
> Von da geklaut:
> https://stoppi-homemade-physics.de/photometer/

Ich weiß, wie im Originalpost beschrieben ;)
Habe paar Info´s & Ideen zusammengetragen.

Jörg R. schrieb:
> Der TO sollte aber dann auch die richtigen Werte für die Widerstände
> übernehmen. Megaohm statt Milliohm.

Danke für den Hinweis, werde ich anpassen.

> Thimo schrieb:
>> Die rote LED am Anfang soll nur eine Kontroll LED sein, damit ich weiß,
>> dass die Schaltung soweit funktioniert.
>
> Die LED zeigt nur an dass Spannung anliegt, mehr nicht. Sie zeigt nicht
> einmal an ob die Eingangsspannung vom Wert her passt.

Ja, da habe ich mich falsch ausgdrückt.
Ich meinte eben eine Kontroll LED die mir anzeigt, dass Spannung 
anliegt.

>> Damit die 880nm LED möglichst konstant die Helligkeit hält verwende ich
>> einen LM317L mit 62,5Ohm um auf 20mA zu regeln.
>
> Du hast einen 9V Regler. Für die LED reicht daher ein Vorwiderstand. Der
> LM317L macht da nichts besser.

Würde dieser Vorwiderstand nicht einen extremen Drift erzeugen?
Da dieser sich mit der Zeit erwärmt, selbst wenn ich einen 1W verwende?

Arno R. schrieb:
> Thimo schrieb:
>> Damit die 880nm LED möglichst konstant die Helligkeit hält...
>
> Damit der Strahlungsfluss der LED konstant bleibt, reicht es nicht den
> Strom konstant zu halten, du musst die LED auch temperaturkompensieren.
> Die hat nämlich einen typ. TK von -0,5%/K, d.h. bei 20K
> Temperaturänderung ändert sich der Strahlungsfluss um 10%. Die
> Stromquelle muss also einen TK von +0,5%/K haben.

Welche Stromquelle würde dafür in Frage kommen?

Danke für eure vielen Antworten ;)
MfG

von Thimo (raspevo)


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Erni schrieb:
> Und die Pins 2 und 3 am OP vertauscht.
> Transimpedanzverstärker.

Die Fotodiode kommt auf den -Pol?
Und die Masse an den +Pol?

von H. H. (hhinz)


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Thimo schrieb:
> Erni schrieb:
>> Und die Pins 2 und 3 am OP vertauscht.
>> Transimpedanzverstärker.
>
> Die Fotodiode kommt auf den -Pol?
> Und die Masse an den +Pol?

Ja.

von Arno R. (arnor)


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Thimo schrieb:
> Welche Stromquelle würde dafür in Frage kommen?

Für rel. kleine Temperaturänderungen kannst du die Schaltung im Anhang 
nehmen.

von Michael B. (laberkopp)


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Thimo schrieb:
> Da ja die Ausgangsspannung immer positiv ist benötige ich doch
> eigentlich den ICL7660 garnicht um die Spannung zu invertieren, um
> daraus einen negativen Wert zu generieren?

Doch, weil so ein Steinzeit-OpAmp verwendet wird, der mindestens 3V 
unter der kleinsten zu verarbeitenden Spannung versorgt werden muss.

Mit einem OPA2156 reicht eine positive  Versorgung, gehst du mit der auf 
5V runter tut es gar ein TSZ121.

Ein LM358 oder LT1013 wäre zu ungenau.

von Hp M. (nachtmix)


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Thimo schrieb:
> Welche Stromquelle würde dafür in Frage kommen?

Gar keine, sondern eine Regelung, die mit Hilfe einer zweiten Fotodiode 
den Lichtstrom konstant hält.
LED altern nämlich auch relativ stark.

Am besten baust du dann gleich ein Zweistrahl-Fotometer, mit dem du auch 
die Absorptionsverluste eines gefärbten Lösungsmittels und die 
Reflexionsverluste der Küvettenwände kompensieren kannst.


P.S.:
Thimo schrieb:
> Die max. Absorption liegt genau bei 880nm daher auch die LED.

Wenn das so genau ist: Kennst du auch Spektralcharakteristik deiner LED?
Auch die unterliegt einer Temperaturabhängigkeit und 
Herstellungstoleranzen.
Evtl ist ein Laser besser geeignet.

: Bearbeitet durch User
von Thimo (raspevo)


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Hallo,

danke für eure vielen Antworten.

Es werde den Rat befolgen und den Steinzeit Transimpedanzverstärker 
entfernen ;D

Bitte habt Nachsicht mit mir.
Ich bin ein absoluter Laie auf diesem Gebiet.
Aktuell habe ich versucht viele Infos aus dem Internet aufzunehmen und 
mit ChatGPT ein paar Fragen zu beantworten.

Das zweistrahl Fotometer klingt verlockend aber zum aktuellen Standpunkt 
für mich nicht umsetzbar.

Ich habe den Vorschlag den OPA2156 zu verwenden aufgenommen.
ChatGPT empfahl mir immerwieder den OPA380 zu verwenden.

Schlussendlich blicke ich bei beiden nicht durch wie ich diese 
Konfigurieren soll.
Beim OPA380 gibt es im Datenblatt (Anhang) sehr übersichtliche Graphen 
anhang scheinbar viel Info abgelesen werden kann. (Ich kann es leider 
nicht)

Kann mir jemand vielleicht erklären, was genau man auf diesen Graphen 
erkennen kann?

Zb. im Bezug auf cDiode? Ist damit die Kapazität der Diode selbst 
gemeint oder ein seperater Kondensator welcher platziert wird?

cStray wird ja in allen Konfigurationen gleich gehalten, daher nehme ich 
an diesen nicht anpassen zu müssen.

cF beinflusst scheinbar die Amplidude vom Graph. Was bedeutet die 
Amplidude.
Je kleiner desto besser? oder je größer desto stabiler?

Ich blicke da leider nicht durch.

Danke im Voraus.
MfG Raspevo

von Rainer W. (rawi)


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Thimo schrieb:
> Meine Abschlussfrage lautet, ob diese Schaltung hierbei ausreicht oder
> ich einen fatalen Fehler in dieser habe?

Das kommt drauf an, welche Anforderungen du an das Photometer stellst.

Um Störungen durch Umgebungslicht oder OpAmp Offset bzw. Leckstrom des 
Detektors zu unterdrücken, wird die Signalaufbereitung für solche 
Anwendungen gerne als (schmalbandiger) AC-Verstärker mit passend 
modulierter Lichtquelle aufgebaut. Bei der Quelle verlässt man sich dann 
auch nicht gerne auf die Stabilität, sondern misst nach, d.h. zusätzlich 
wird zumindest die Helligkeit mit einem zweiten Kanal gemessen, falls 
man nicht gleich ein komplettes Zweistrahlphotometer aufbaut.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Thimo schrieb:
> Zb. im Bezug auf cDiode? Ist damit die Kapazität der Diode selbst
> gemeint

ja

> cStray wird ja in allen Konfigurationen gleich gehalten, daher nehme ich
> an diesen nicht anpassen zu müssen.

Doch, gerade due Streukapazität hängt ja stark von deinem Aufbau ab, wie 
lang und wie nah an anderem deine Drähte sind.

Wenn die Schaltung nicht schnell reagieren muss  lieber cStray sehr hoch 
ansetzen.

von Thimo (raspevo)


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Okay, damit ich das richtig verstehe.

Würde ich die BPX65 verwende welche eine Kapazität von 11pF im 
Datenblatt hat, verwende ich den Graph von 10pF cDiode?

Die Geschwindigkeit ist mir eigentlich "relativ" egal. Solange es nicht 
Sekunden dauert, bis der Wert sich stabilisiert hat ist alles i.O.

Und im Bezug auf cF? Wie kann ich die Graphen interpretieren, welcher 
Wert am besten für mich geeignet ist?

Michael B. schrieb:
> Doch, gerade due Streukapazität hängt ja stark von deinem Aufbau ab, wie
> lang und wie nah an anderem deine Drähte sind.

Wie darf ich das Verstehen? Mein Plan wäre das alles auf PCB zu löten 
und nur die Drähte für die Fotodiode gehen von den Platine sowie von der 
880nm Led selbst. Gibt es innerhalb der Platine auch 
Leitungsübergreifende Störungen?

Danke für eure Antworten ;)

von Georg M. (g_m)


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. . .

von Michael B. (laberkopp)


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Thimo schrieb:
> Gibt es innerhalb der Platine auch Leitungsübergreifende Störungen?

Natürlich, aber vor allem am

Thimo schrieb:
> nur die Drähte für die Fotodiode gehen von

und es geht um deren Kapazität nach aussen, sigar ohne Störungen.

Die muss ausreichend kompensiert werden, der ausgleichende Kondensator 
im Rückkopplungszweig muss also gross genug sein damit die Schaltung 
nicht schwingt. Da dir das Tempo egal ist  mach ihn 100 x so gross wie 
berechnet

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