Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fotodiode für Lichtbogendetektion


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von Bert S. (kautschuck)


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Hallo,

Ich möchte mit einer Fotodiode den Lichtbogen einer Schweiß-Anlage 
detektieren, bin ich aber unsicher bezüglich Leistungsdichte, die so 
eine Diode haben sollte.

So ein Lichtbogen hat bis zu 1kW/cm^2 Leistungsdichte und die Sensoren 
die ich so finde sind normalerweise bei 2mW/cm^2. Nun hat der Sensor 
natürlich eine gewisse Entfernung, trotzdem könnte da immer noch 
durchaus mehr Leistung ankommen.

Nun frage ich mich, wie das bei einem Schweiß Helm so gehandhabt wird, 
ist die Diode z.B mit einem UV-Filter geschützt oder nutzt man da eine 
andere Technologie?

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Bert S. schrieb:
> So ein Lichtbogen hat bis zu 1kW/cm^2 Leistungsdichte
Du machst den Sensor ja nicht so in den Lichtbogen, dass der 
Lichtbogen durch den Sensor durchgeht. Das abgestrahlte Licht hat 
wesentlich weniger Energie. Da kann man sogar reinschauen, ohne dass 
gleich das Auge verschmort.

> die Sensoren die ich so finde sind normalerweise bei 2mW/cm^2.
Welche hättest du denn da so gefunden?

Wenn ich die Osram SFH 2704 nehme
- https://www.mouser.de/new/ams-osram/osram-sfh-2704-photodiode/

dann ist dort spezifiziert, dass ein gewisser "Fotostrom von ≥0,35 µA 
(0,51 µA typisch) bei Ee = 0,1 mW/cm² und λ = 535 nm" fließt. Im 
Datenblatt ist der maximale Lichtstrom aber nirgends begrenzt.

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


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Ich kenne das bei Schweißhelmen mit Dünnschichtsolarzellen, die dienen 
gleichzeitig der Stromversorgung.

von Bert S. (kautschuck)


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von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Keine Begrenzung der maximalen Helligkeit im Datenblatt.

So ein Lichtbogen erzeugt ganz nette Störungen, vielleicht reicht es ja 
schon aus, wenn du diese Störungen detektierst.
Frei nach dem Motto: kein Lichtbogen --> keine Störung.

Oder andersrum: wenn du da mit einer hochohmigen Photodoidenschaltung 
deherkommst, kann die vom Lichtbogen ganz hübsch gestört werden.

von Arno R. (arnor)


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Lothar M. schrieb:
> Keine Begrenzung der maximalen Helligkeit im Datenblatt.

Aber maximale Verlustleistung ist angegeben.
Also Sperrspannung * Photostrom <= 215mW

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Arno R. schrieb:
> Aber maximale Verlustleistung ist angegeben.
Relaiiviert sich allerdings dadurch, dass diese Leistung allein mit 
"üblicher" Lichteinstrahlung eines Lichtbogens oder der Sonne nicht 
erreicht werden wird. Da müsste dann schon ein Laser her.

> Also Sperrspannung * Photostrom <= 215mW
Wenn man die Diode mit (Quasi-)Kurzschluss betreibt, dann ist die 
Spannug 0V. Wenn man sie ohne Last betreibt, dann hat man eine (per 
Definition kurzschlussfeste) Solarzelle. Überlasten kann man sie 
eigentlich nur, wenn die Schaltung einen Biasstrom in die Diode 
einprägt.

: Bearbeitet durch Moderator
von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> Da kann man sogar reinschauen, ohne dass gleich das Auge verschmort.
Gute Idee, Sandmann für Männer.

von Marcel V. (mavin)


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Ben B. schrieb:
>> Da kann man sogar reinschauen, ohne dass gleich das Auge
> verschmort.
>
> Gute Idee, Sandmann für Männer.

Wenn man nur für ein Sekündchen in einen Schweißlichtbogen reinschaut, 
dann passiert noch nix. Schaut man länger als 10 Sekunden in einen 
Lichtbogen, dann ist mit einer mehr oder weniger schmerzhaften 
Bindehautentzündung zu rechnen!

Das Gleiche gilt übrigens auch für UV-Gesichtsbräuner. Davon kann ich 
nicht nur ein Lied singen, sondern es existieren sogar Fotos von meiner 
eigenen schweren Bindehautentzündung in den 90ern.

Sobald man nur versucht die Augen zu öffnen, dann fließen sofort die 
Tränen wie ein Wasserfall raus, begleitet von einem starken Brennen! 
Drei Tage Krankenschein!

von Michael B. (laberkopp)


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Bert S. schrieb:
> Nun frage ich mich, wie das bei einem Schweiß Helm so gehandhabt wird,
> ist die Diode z.B mit einem UV-Filter geschützt oder nutzt man da eine
> andere Technologie?

So lange der Helm um die Photodiode überlebt, überlebt auch die 
Photodiode, und UV ist ja gerade das was ein Lichtbogen besonders 
auszeichnet.

Man braucht also keinen extra Schutz.

von Jan \. (Firma: None) (jan-os)


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Marcel V. schrieb:
> Sobald man nur versucht die Augen zu öffnen, dann fließen sofort die
> Tränen wie ein Wasserfall raus, begleitet von einem starken Brennen!
> Drei Tage Krankenschein

Heul nicht rum ;-)

von Ralf X. (ralf0815)


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Hier sitzen die vier Fotodioden in den Ecken neben den beiden 
Solarmodulen und blicken durch den klaren Kunststoffschutz direkt ins 
Licht/Lichtbogen.

von Armin X. (werweiswas)


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Nur mal der Vollständigkeit halber:

Die heutigen Schweißhelme dunkeln nur ab. Das Filtern funktioniert ohne 
dass die abdunkeln.

von Falk B. (falk)


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Arno R. schrieb:
>> Keine Begrenzung der maximalen Helligkeit im Datenblatt.
>
> Aber maximale Verlustleistung ist angegeben.
> Also Sperrspannung * Photostrom <= 215mW

Na dann mal los, ich bin gespannt wann du die erreichst. Außerdem 
betreibt man Photodioden meist im Kurzschluß.

von Harald W. (wilhelms)


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Michael B. schrieb:

> So lange der Helm um die Photodiode überlebt, überlebt auch die
> Photodiode, und UV ist ja gerade das was ein Lichtbogen besonders
> auszeichnet.

Ein UV-Filter macht möglicherweise trotzdem Sinn, weil UV auf Dauer
Plastik zerbröseln lässt.

von Arno R. (arnor)


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Falk B. schrieb:
> Na dann mal los, ich bin gespannt wann du die erreichst.

Bei etwa 1W/cm² und 5V Sperrspannung, siehe Anhang.

Falk B. schrieb:
> Außerdem betreibt man Photodioden meist im Kurzschluß.

Nur wenn man viel Zeit hat. Alles was schnell sein soll, benutzt 
Sperrspannung. Schau mal SP203 mit tr/tf~5ns bei 20V.

von Werner H. (werner45)


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Man kann die Strahlung auf die Diode durch eine einfache Lochblende 
nochmal verringern bzw. anpasssen. Weitere Parameter sind 
Lochdurchmesser und Abstand.

von Arno R. (arnor)


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Arno R. schrieb:
> Schau mal SP203 mit tr/tf~5ns bei 20V.

Meinte natürlich SFH203.

von Falk B. (falk)


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Arno R. schrieb:
>> Na dann mal los, ich bin gespannt wann du die erreichst.
>
> Bei etwa 1W/cm² und 5V Sperrspannung, siehe Anhang.

Das sind 10kW/m^2, 10fache Sonneneinstrahlung wie im Sommer
Da braucht man eine STARKE Lampe oder einen Laser.

>> Außerdem betreibt man Photodioden meist im Kurzschluß.
>
> Nur wenn man viel Zeit hat. Alles was schnell sein soll, benutzt
> Sperrspannung. Schau mal SP203 mit tr/tf~5ns bei 20V.

Mag sein, aber ob der OP das braucht?

von Lu (oszi45)


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Wenn Ihr die Schaltung zu hochohmig macht, wird wohl in der Nähe des 
Schweißpunkts ein kleines EMV-Problem sein? Eine punktförmige optische 
Erfassung des Lichtbogens sehe ich außerdem etwas kritisch, da auch 
Schmutz und Schweißperlen im Spiel sind. Das geht bestimmt anders 
besser?

von Arno R. (arnor)


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Falk B. schrieb:
> Da braucht man eine STARKE Lampe

Ein Lichtbogen IST eine STARKE Lampe:

Bert S. schrieb:
> So ein Lichtbogen hat bis zu 1kW/cm^2 Leistungsdichte

von Falk B. (falk)


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Arno R. schrieb:
>> Da braucht man eine STARKE Lampe
>
> Ein Lichtbogen IST eine STARKE Lampe:

Stimmt.

> Bert S. schrieb:
>> So ein Lichtbogen hat bis zu 1kW/cm^2 Leistungsdichte

Bei welchem Abstand? Wie nah will der OP ran? Was soll das überhaut 
werden?
Fragen über Fragen.

von Clara (clara)


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von Lu (oszi45)


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Lichtleiter können zwar den Abstand vergrößern, sind aber demselben 
Schmutz ausgesetzt beim Schweißen. Eine optische Überwachung und Schmutz 
sind immer die zweitbeste Lösung!

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Arno R. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Da braucht man eine STARKE Lampe
> Ein Lichtbogen IST eine STARKE Lampe
>
> Bert S. schrieb:
>> So ein Lichtbogen hat bis zu 1kW/cm^2 Leistungsdichte

Ja klar: im Lichtbogen ist die Leistungsdichte so hoch. Die vom 
Lichtbogen abgestrahlte Lichtleistung ist aber viel niedriger und vor 
allem wegen der UV-Strahlung so gefährlich. Ansonsten blendest/verblitzt 
du dir beim Blick in den Lichtbogen das Auge nicht mehr, als wenn du in 
die helle Sommersonne guckst. Denn auch die Sonne IST eine STARKE Lampe.

Oder andersrum: wenn ich mit der selben Schweißhelm-Einstellung, mit der 
ich grade noch den Schweißvorgang beobachtet und kontrolliert habe, 
anschließend in die Sonne schaue, dann kann ich diese Sonne noch mit 
ähnlicher Helligkeit durch die abgedunkelte Helmscheibe beobachten. 
Weder ist die Sonne unsichtbar, noch blendet sie mich. Das deutet mir 
an, dann die beiden Helligkeiten von Sonne und Lichtbogen ähnlich sind.

Dort gibt es ein paar Werte für die Helligkeit mehrerer Lichtquellen:
- 
https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Größenordnungen_der_Lichtstärke

Der "Lichtbogen" und die "Bogenlampe" spielen da eher nur im Mittelfeld 
bei der Helligkeit.

: Bearbeitet durch Moderator
von Bert S. (kautschuck)


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Danke für die vielen Antworten und Diskussionen.

Ich habe mal wie im Anhang das ganze simuliert (Fotodiode in Conduction 
Mode = Stromquelle), irgendwie will mir aber der TLV1701 nicht, obwohl 
der für 2.2V ausgelegt ist. Jemand eine Idee, warum der keinen sauberen 
Ausgang hergibt?

(OUTPUT: blau = Ausgang Comparator, grün = IN+)

von Ralf X. (ralf0815)


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Lu schrieb:
> Lichtleiter können zwar den Abstand vergrößern, sind aber demselben
> Schmutz ausgesetzt beim Schweißen. Eine optische Überwachung und Schmutz
> sind immer die zweitbeste Lösung!

Deswegen sei Dir wie früher das Schutzschild mit dem dunklen Glas 
empfohlen, während Millionen Schweisser sich weiterhin mit den 
Automatikhelmen mit optischen Sensoren abmühen....

von Jens G. (jensig)


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Bert S. schrieb:
> Ich habe mal wie im Anhang das ganze simuliert (Fotodiode in Conduction
> Mode = Stromquelle), irgendwie will mir aber der TLV1701 nicht, obwohl
> der für 2.2V ausgelegt ist. Jemand eine Idee, warum der keinen sauberen

Da das kein Output-Rail2Rail ist, weil der nur bis rund 0,5V an die 
Betriebsspannungen ohne Last ran kommt, wäre nur ein Ausgangshub von 
vielleicht 1V nutzbar.

> Ausgang hergibt?

Die Rückkopplung gehört an IN-, nicht IN+.

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von Bert S. (kautschuck)


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Jens G. schrieb:
> Die Rückkopplung gehört an IN-, nicht IN+.

Das ist ja nur für die Hysterese und bei einem nicht invertierenden 
Komparator macht man das doch so?

Jens G. schrieb:
> Da das kein Output-Rail2Rail ist, weil der nur bis rund 0,5V an die
> Betriebsspannungen ohne Last ran kommt, wäre nur ein Ausgangshub von
> vielleicht 1V nutzbar.

Das ding kommt in der Simulation auch mit 9V nicht über 0.3V, keine 
Ahnung wieso.

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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Arno R. schrieb:

> Ein Lichtbogen IST eine STARKE Lampe:

Genau. Deshalb gabs früher ja auch Bogenlampen.

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