схема включения фотодиода, поглядите схему, будет ли работать? Опции

[Kail]

Сам я в аналоговой технике профан...
Нужно измерить мощность естственного излучения.
Используется фотодиод BPD-RQ09DV-1 PBF с максимум чувствительности на длине волны 940 нм.
Сигнал с фотодиода нужно оцифровать и запихнуть в МК. Опорное напржение АЦП - 3.3 В.
Фотодиод включен в фотогальваническом режиме (скорость не нужна). Сигнал в условиях
естственной освещенности - 0.1 В. Максимальный сигнал - 0.4 В. Рассчитал ОУ для усилиения
сигнал с 0.4 В, до 3.3 В.
Умный человек сказал, что нужно использовать сначала посвторитель, а потом ОУ. Зачем, я никак не могу понять.
Может кто поскажет? ну и вообще, если не лень посмотрите на схему, будет ли работать? Может чего нужно еще
подцепить?

http://kail.flie.pp.ru/fotodiod.rar

[Baxt]

Нужно измерить мощность естственного излучения.
Используется фотодиод BPD-RQ09DV-1 PBF с максимум чувствительности на длине волны 940 нм.
Сигнал с фотодиода нужно оцифровать и запихнуть в МК. Опорное напржение АЦП - 3.3 В.
Фотодиод включен в фотогальваническом режиме (скорость не нужна). Сигнал в условиях
естственной освещенности - 0.1 В. Максимальный сигнал - 0.4 В. Рассчитал ОУ для усилиения
сигнал с 0.4 В, до 3.3 В.
Умный человек сказал, что нужно использовать сначала посвторитель, а потом ОУ. http://kail.flie.pp.ru/fotodiod.rar

У повторителя обратная связь заводится на "минусовый" вход. Но здесь он не нужен. ЭДС фотодиода использовать можно конечно, но это не совсем корректно. Фотодиод - токовый элемент, то есть световой поток линейно переводится в ток фотодиода. Его и нужно преобразовать в напряжение. Замерить максимальный ток при самом ярком освещении и рассчитать R3 исходя из максимального напряжения на выходе. U2 и R1 убрать, фотодиод катодом подключить к "минусу" U3, анод на землю. Параллельно R3 подключить емкость 0.1 мкф. И насчет пика в инфракрасной области не уверен.

[Herz]

У повторителя обратная связь заводится на "минусовый" вход. Но здесь он не нужен. ЭДС фотодиода использовать можно конечно, но это не совсем корректно. Фотодиод - токовый элемент, то есть световой поток линейно переводится в ток фотодиода. Его и нужно преобразовать в напряжение. Замерить максимальный ток при самом ярком освещении и рассчитать R3 исходя из максимального напряжения на выходе. U2 и R1 убрать, фотодиод катодом подключить к "минусу" U3, анод на землю. Параллельно R3 подключить емкость 0.1 мкф. И насчет пика в инфракрасной области не уверен.

Почему некорректно? Использование фотодиода в фотовольтаическом режиме вполне допустимо и иногда даже предпочтительнее. Это, правда, зависит от типа диода и от приложения. Но в целом присоединяюсь к рекомендации. Кстати, пик чувствительности в ИК - обычное дело. Но если нужно измерять освещённость, соответствующую чувствительности глаза, есть специальные сенсоры и даже со встроенными усилителями. Очень удобно подключать к МК.

[Alex255]

Сам я в аналоговой технике профан...
Нужно измерить мощность естственного излучения.
Используется фотодиод BPD-RQ09DV-1 PBF с максимум чувствительности на длине волны 940 нм.
Сигнал с фотодиода нужно оцифровать и запихнуть в МК. Опорное напржение АЦП - 3.3 В.
Фотодиод включен в фотогальваническом режиме (скорость не нужна). Сигнал в условиях
естственной освещенности - 0.1 В. Максимальный сигнал - 0.4 В. Рассчитал ОУ для усилиения
сигнал с 0.4 В, до 3.3 В.
Умный человек сказал, что нужно использовать сначала посвторитель, а потом ОУ. Зачем, я никак не могу понять.
Может кто поскажет? ну и вообще, если не лень посмотрите на схему, будет ли работать? Может чего нужно еще
подцепить?

http://kail.flie.pp.ru/fotodiod.rar

Висеть будет Ваша схема в плюсе или в минусе, как повезет). У U2 надобно поменять плюс с минусом и в обратную связь резистор включить. Напряжение на выходе будет практически пропорционально обратному току диода

[Kail]

Всем спасибо. Буду собирать, замерю сигнал при естественном освещении. Дальше все понятно. Остался только вопрос. Повторитель напряжения используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением. Нужен ли он в фотогальваническом режиме?

[ulia]

Остался только вопрос. Повторитель напряжения используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением. Нужен ли он в фотогальваническом режиме?

В Вашей схеме первый ОУ он же Ю2 подразумевается как преобразователь тока в напряжение, если конечно поменять местами инвертир. вход с неинвертир. входом и добавить резистор в цепь обратной связи, что и говорил ALEX255. В данном включении схема работать не будет. Кстати если Вы собираетесь измерять освещенность, то фотодиод надо включать только в режиме фототока (линеен 6-9 порядков, нет темнового тока) т.е. необходимо ставить преобразователь I-U только не забудте о компенсирующем конденсаторе включенным параллельно резистору обратной связи.
ДРУГОЙ МЕТОД Либо надо включить резистор (от долей ома до десятка, можно и больше) параллельно фотодиоду и вот тут необходим неинвертир. усилитель с практически любым разумным усилением(какое Вам нужно). Как я понял Ю1 это АЦП, а следовательно перед ним надо поставить ФНЧ с частотой среза не более чем частота дискретизации деленная на 2.
Кстати о фотодиодах. Я не смотрел какой используете Вы, но замечу.
1 Вых сопротивление диода достатоно велико в районе 1000МОм и сильно меняется от температуры
2 Большая часть кремниевых диодов имеет пик чувствительности около 940-980 нм остальные же диоды не так распространены.
P.S. фирма vishay выпускает фотодиоды с встроенными светофильтрами вроде BPW21R, так что спектральная характеристика фотодиода практически соответствует спектральной характеристике чел. глаза, хотя ИК все равно чувствует

[Kail]

Собственно все верно, с первым усилителем, я просто ошибся. Сварганил вторую версию с учетом всех замечаний. Обе схемы включения (фотогальванический и фотодиодный). Собственно конечная точка - АЦП-МК. Фильтр рассчитан самый тупой на частоту 150 кГц.
Может остались еще предложения? (см влож файл).

http://kail.flie.pp.ru/fotodiod2.rar

[Herz]

Собственно все верно, с первым усилителем, я просто ошибся. Сварганил вторую версию с учетом всех замечаний. Обе схемы включения (фотогальванический и фотодиодный). Собственно конечная точка - АЦП-МК. Фильтр рассчитан самый тупой на частоту 150 кГц.
Может остались еще предложения? (см влож файл).

http://kail.flie.pp.ru/fotodiod2.rar

Похоже, не учли Вы замечаний. Всё намного проще:
[attachment=10638:attachment]
Здесь "три в одном": и усилитель фототока, и преобразователь ток-напряжение, и фильтр.

[=AK=]

Может остались еще предложения? (см влож файл).

Фотодиодный режим включения


R1, C1 заодно представляют собой ФНЧ первого порядка с частотой среза f = 1/(2*п*R1*C1) = 159 Hz

[Kail]

Похоже, не учли Вы замечаний. Всё намного проще:
[attachment=10638:attachment]
Здесь "три в одном": и усилитель фототока, и преобразователь ток-напряжение, и фильтр.

Если не поставить резистор на выходе фотодиода (на этой схеме его нету), то схема висит на -15 В при ЕДС фотодиода 0.4 В. Если поставить, то все работает.

На самом деле в Хоровице и Хилее все написано и как включать и как грамотно фильтровать (не просто RC цепочка, а активный фильтр на том же ОУ) и как усилять. Нужно читать классику (этоя себе).

[ulia]

Если не поставить резистор на выходе фотодиода (на этой схеме его нету), то схема висит на -15 В при ЕДС фотодиода 0.4 В. Если поставить, то все работает.

Уважаемый Kail.
Простите за назойливость, но опишите задачу целиком. Надо знать что делать. если просто регистрировать что свет есть -это одно, а если измерять это другое.

Насчет резистора и фотодида, резистор там ненужен. А если его поставить, то это просто инвертирующий усилитель с входным сопротивлением равным резистору, который Вы хотите поставить.
Если все правильно собрать, то напряжения на диоде не будет т.к. потенциалы входов ОУ равны, а следовательно на инвертирующем входе ОУ будет тоже 0 и фотодиод будет в фотовольтаическом режиме(в режиме фототока). Конденсатор в цепи обратной связи ОУ для вашего фотодиода будет в пределах 10-50 пик. А отдельный фильтр я бы поставил, только с выбором операционника для него надо не промахнуться.

[_artem_]

Если не поставить резистор на выходе фотодиода (на этой схеме его нету), то схема висит на -15 В при ЕДС фотодиода 0.4 В. Если поставить, то все работает.

поменяй резистор на меньшее значение , а то ток через диод не не компенсируется в обратной связи .

[Kail]

Что ж не верите-то? Я честно все моделирую в протеусе и гляжу на сигналы. Факт - при отсуствии сопростивляния на выходе фотодиода при любых номиналах кондесатора и сопротивляния в цепи обратной связи - схема не работает!



Обратите внимание на значение вольтмерта , подключенного к выходу. Правильное - во втором случаее.
Фотодиод имитируется потенциалом 0.4 В.

Нужно измерить поток, оцифровать и отдать МК.

[xemul]

Откройте, плз, тайну подключения RV1 к земле. Это Вам Хоровиц или Хилл посоветовал? Убейте того, кто посоветовал.
Разделите задачу на составляющие, и будет Вам счастье.
Диапазон измерения освещенности? Если больше пары порядков, очень правильно будет использовать логарифмический усилитель.
Как Вам уже сказали, в фотогальваническом режиме фотодиод имеет весьма приличное выходное сопротивление. Как следствие, желательно выравнивать сопротивления по входам ОУ для минимизации ошибки от его входных токов.

Фотодиод имитируется потенциалом 0.4 В.

Эту фразу относительно приведенных схем могу мягко назвать бредом. В фотогальваническом режиме фотодиод можно представить источником тока.
Обратите внимание на параметры модели фотодиода, и тогда и первая, и вторая схемы будут работать одинаково (...).

[ulia]

Что ж не верите-то? Я честно все моделирую в протеусе и гляжу на сигналы. Факт - при отсуствии сопростивляния на выходе фотодиода при любых номиналах кондесатора и сопротивляния в цепи обратной связи - схема не работает!
Обратите внимание на значение вольтмерта , подключенного к выходу. Правильное - во втором случаее.
Фотодиод имитируется потенциалом 0.4 В.

Нужно измерить поток, оцифровать и отдать МК.

Я Вам верю, верю что Вы верите протеусу, но он не прав.
Принцип работы ОУ основан на том, что потенциалы входов равны, т.е. ОУ выдает на вых такое напряжение,чтобы с учетом резистора обратной связи на инверт. вх. был такой же потенциял как на неинверт. вх. т.е. уравновесить токи во вх. цепи и цепи обр связи.
На практике они различаются на напряжение смещения т.е. на десятки микровольт, к тому же его практически всегда можно скомпенсировать. Мой Вам совет соберите на макетке схему с ОУ и не ставте Вы этот резистор. Попробуйте и Вы убедитесь, только в цепи обр связи резистор поставте от 100к до 10м в зависимости от освещенности.

Какова полоса пропускания, при какой освещенности Вы будете работать и тд и тп?
да, что означает фраза "Фотодиод имитируется потенциалом 0.4 В."?
И попробуйте при измерениях вольтметром фотоэдс параллельно включить резистор 2к(тот который Вы так настойчиво хотите поставить)

Если больше пары порядков, очень правильно будет использовать логарифмический усилитель.

присоединяюсь, но все же для измерения перед логарифмом поставил бы преобразователь ток -напр. В режиме фототока фотодиод абсолютно линеен.

[Kail]

Упс, погорячился, вспылил, такое бывает. Ступил я... Действительно первичный сигнал фотодиода - фототок, заменил фотодиод источником тока (250 мкА) и все заработало как нужно и без резистора.
С потенициометром не понял, я такое включение увидел в примерах протеуса и взял как есть, работает правильно, претензий не имею. Собственно, а в чем проблема?

[xemul]

присоединяюсь, но все же для измерения перед логарифмом поставил бы преобразователь ток -напр. В режиме фототока фотодиод абсолютно линеен.

Дык я и не предлагал весь преобразователь слепить на одном канале ОУ. Наоборот, я предложил вопрошающему разобрать задачу на составляющие, решить каждую по отдельности, а уж потом, если получится, оптимизировать.

2Kail Вы уже поминали Хоровица с Хиллом. Есть еще Шенк с Титцем и много более других и менее известных. В любой из этих книжек можно найти решение для каждой составляющей задачи. Но неплохо бы было разобраться и с теорией - Протеус совсем не панацея. Так зачем RV1 на землю повешен?

UPD: в чем физический смысл завешивания ноги RV1 на землю? (хинт: смысла нет) Из чего я и делаю вывод, что Вы не слишком задумываясь копируете куски схем, что не есть гуд.

[ulia]

Упс, погорячился, вспылил, такое бывает. Ступил я... Действительно первичный сигнал фотодиода - фототок, заменил фотодиод источником тока (250 мкА) и все заработало как нужно и без резистора.
С потенициометром не понял, я такое включение увидел в примерах протеуса и взял как есть, работает правильно, претензий не имею. Собственно, а в чем проблема?

Все нормально, бывает с каждым .
А про потенциометр- так конечно можно включать, но просто в воплощении могут быть проблемы, одна из них можете выход посадить на землю, да и рачет менее удобен(будете скованы в регулировке). И вообще лучше отказаться от подстроичников в цепи обр. связи ОУ -может зазвенеть(касается многобороных) решение-параллельны шунтирующий резистор.

Так какие параметры вашего проекта? если смогу помогу с рачетом и возможно с настойкой.

[jam]

Мерить можно фототок и интегратором - очень удобно делать сброс микроконтроллером. Динамический диапазон практически безграничный , зависит только от метода сброса интегратора.

[DS]

Мерить можно фототок и интегратором - очень удобно делать сброс микроконтроллером. Динамический диапазон практически безграничный , зависит только от метода сброса интегратора.

Динамический диапазон отнюдь не безграничный - его ограничивает дробовой шум накопленных в интеграторе электронов.

[Kail]

Вы уже поминали Хоровица с Хиллом. Есть еще Шенк с Титцем и много более других и менее известных. В любой из этих книжек можно найти решение для каждой составляющей задачи. Но неплохо бы было разобраться и с теорией - Протеус совсем не панацея. Так зачем RV1 на землю повешен?

Критику воспринял, в вопросе разобрался. На землю ногу я действительно зря...

[Artos5]

Что ж не верите-то? Я честно все моделирую в протеусе и гляжу на сигналы. Факт - при отсуствии сопростивляния на выходе фотодиода при любых номиналах кондесатора и сопротивляния в цепи обратной связи - схема не работает!



Обратите внимание на значение вольтмерта , подключенного к выходу. Правильное - во втором случаее.
Фотодиод имитируется потенциалом 0.4 В.

Нужно измерить поток, оцифровать и отдать МК.

Я решал эту задачу на одном ОУ AD8551
Схема включения примерно такая: http://habrahabr.ru/post/120086/
Только добавлены подстроечные резисторы для смещения шкалы. Результат: Все СУПЕР работает!!!

УПС... теме 7 лет

Сообщение отредактировал Artos5 - Mar 14 2014, 03:37

[Меджикивис]

Можно встряну с маленьким и банальным пояснением?
В фотовольтаическом, то есть генераторном режиме, фотодиод генерирует постоянную ЭДС, равную падению на его переходе, и независящую от освещенности. Иными словами, даже при исчезающе слабом свете, идеальный фотодиод будет давать те же самые 0.4В, что и при сильном.
Разница будет в токе, который он способен при этом развить: при ярком свете ток можно получить больше.
Идеальных диодов на свете нету, обязательно будут некоторые утечки, эквивалентные резистору, подключенному впараллель. И поэтому при слабых освещенностях напряжение, даваемое фотодиодом будет падать за счет этих утечек. Которые к тому же дрейфуют от температуры да и нелинейны.
Поэтому мерить в фотовольтаическом режиме напряжение на клеммах фотодиода - неправильно! Можно намерить что угодно.
Правильно - нагрузить фотодиод каким-нибудь резистором и мерить падение на этом резисторе, которое создается фототоком.
Чем меньше этот резистор - тем линейнее будет общая характеристика, но меньше полезный сигнал, разумеется.

Я решал эту задачу на одном ОУ AD8551
Схема включения примерно такая: http://habrahabr.ru/post/120086/
Только добавлены подстроечные резисторы для смещения шкалы. Результат: Все СУПЕР работает!!!

Это - правильная схема, потому что ОУ включен в режиме измерения тока. Входное сопротивление инвертирующего входа при такой ОС - стремится к нулю. То есть фотодиод нагружен на чрезвычайно малое эквивалентное сопротивление и дает максимально возможную линейность и стабильность.

[Herz]

Можно встряну с маленьким и банальным пояснением?
В фотовольтаическом, то есть генераторном режиме, фотодиод генерирует постоянную ЭДС, равную падению на его переходе, и независящую от освещенности. Иными словами, даже при исчезающе слабом свете, идеальный фотодиод будет давать те же самые 0.4В, что и при сильном.
....

Это настолько банальное пояснение, что даже неправильное. В фотовольтаическом режиме ЭДС, генерируемая фотодиодом, зависит от освещённости логарифмически.

[Меджикивис]

Это настолько банальное пояснение, что даже не правильное. В фотовольтаическом режиме ЭДС, генерируемая фотодиодом, зависит от освещённости логарифмически.

По указанной Вами ссылке речь идет о логарифмическом отклике конструкции в целом. А работа фотодиода определяется физикой процессов в pn-переходе, читаем например здесь.

А вообще, может быть лучше удалить и мой предыдущий пост, и всё что за ним последовало; я как-то не посмотрел на древность темы. Может и не стоит ее снова беспокоить?

Сообщение отредактировал Меджикивис - Mar 16 2014, 07:52

[Herz]

По указанной Вами ссылке речь идет о логарифмическом отклике конструкции в целом. А работа фотодиода определяется физикой процессов в pn-переходе, читаем например здесь.

В целом там нет логарифмического преобразователя и отклик всей конструкции определяется исключительно режимом работы фотодиода. В приведенной Вами ссылке говорится, в сущности, то же самое, только другими словами. Да оно и понятно, иначе бы фотовольтаического режима попросту не существовало бы.
Ещё проще - читаем здесь:
 photodiod.pdf ( 310.2 килобайт ) Кол-во скачиваний: 3569

А вообще, может быть лучше удалить и мой предыдущий пост, и всё что за ним последовало; я как-то не посмотрел на древность темы. Может и не стоит ее снова беспокоить?

А пусть будет. К этому вопросу новички возвращаются снова и снова. Значит, интересно...

[Меджикивис]

Фото-ЭДС не может быть логарифмической. По простой причине - что логарифм имеет неограниченную область значений.
То есть, при достаточно сильном освещении мы могли бы получить как угодно большое напряжение.

В действительности же, надеюсь Вы знаете на опыте, фото-ЭДС возбуждается в прямом направлении диода. По этой причине она не может превзойти порог открытия диода (известный как прямое падение напряжения на нем). Если бы напряжение на диоде превзошло эту величину - он просто открылся бы и закоротил собою всю "лишнюю" фото-ЭДС.

В приведенной Вами ссылке говорится, в сущности, то же самое

В приведенной мною ссылке говорится:
"...В отличие от вентильной и объёмной эдс, величины к-рых не превышают ширины запрещённой зоны" - то есть именно то, о чем я только что пояснил выше.
Так что, забудьте про логарифм.

В выложенном Вами курсаче тоже ничего не утверждается про логарифм, но там дан очень хороший график, показывающий, как с ростом освещенности фото-ЭДС асимптотически приближается к пороговому значению и остается практически постоянной, а не растет неограниченно как логарифм.

Можно считать, что на начальном участке эта кривая близка к логарифму, но это граничная ситуация, подверженная нестабильностям и разбросу. По котороым причинам постом выше я и не рекомендовал работать в таком режиме.

[Herz]

Не пойму, отчего Вы упрямствуете. Разумеется, речь не идёт о полном соответствии фото-ЭДС реальных приборов математически строгой логарифмической функции. Она, эта ЭДС, само собой, не может быть бесконечно большой, как не может быть бесконечно большим и фототок при работе фотодиода в фотодиодном режиме.

В приведенной мною ссылке говорится:
"...В отличие от вентильной и объёмной эдс, величины к-рых не превышают ширины запрещённой зоны" - то есть именно то, о чем я только что пояснил выше.
Так что, забудьте про логарифм.

В приведенной Вами ссылке говорится о зависимости ЭДС от освещённости, а также буквально следующее:

При регистрации излучения фотоэлемент непосредственно замыкается на внеш. нагрузку либо последовательно с нагрузкой включается внеш. источник, создающий на р -n-переходе значит. смещение в запорном направлении.

Что ещё раз подтверждает известный факт о двух реально используемых режимах работы фотодиода. Вы же утверждали выше категорично совсем иное:

В фотовольтаическом, то есть генераторном режиме, фотодиод генерирует постоянную ЭДС, равную падению на его переходе, и независящую от освещенности. Иными словами, даже при исчезающе слабом свете, идеальный фотодиод будет давать те же самые 0.4В, что и при сильном.

Что совершенно не соответствует истине.

[Меджикивис]

Вас смутили мои слова "независящую от освещенности"?
Ну разумеется это приближенно. Теми же словами, как и логарифмический участок кривой - тоже приближен, как Вы сами согласились.

В чем проблемы?