Fotodiodeschaltung unempfindlicher machen

[Wisler E. (wisler)]

Hallo Leute,

ich bin gerade dabei eine Schaltung aufzuabuen, die mit einer Fotodiode 
als Empfänger arbeitet. Ich verwende eine BPW34. Als Eingangsstufe 
verwende ich einen Transimpedanzverstärker und danach noch einen 
Integrator um den Gleichanteil wieder an den Eingang zurück zu geben.So 
habe ich nur einen Wechselanteil als Nutzsignal.Im Prinzip verwende ich 
die Schaltung aus dem Forumseintrag von hier: 
Beitrag "Fotodiode Gleichanteil entfernen"

Ich werde meine LED mit 2.2MHz modulieren. Ich möchte es schaffen das 
modulierte Signal zu detektieren, wenn sich etwas im Abstand von 2m 
befindet und dann das Licht zum Empfänger refelktiert wird. Dies hat bei 
meinem Testaufbau heute schon funktioniert, als ich ein reflektierendes 
Material verwendet habe. Ich hatte eine durchsichtigen Plastikdeckel 
verwendet und dahinter eine weiße Flächte gelegt.

Nach dem TIR verwende ich einen Bandpass um das Nutzsignal heraus zu 
filtern. Gleichzeitig verstärkt mir der Bandpass in meinem gewollten 
Frequenzbereich.

So nun das war die ganze vorgeschichte und jetzt kommt meine eigentliche 
Frage:

Wenn meine Hand sehr nahe an der Fotodiode ist dann bekomme ich nur noch 
eine Sinusschwinung, die ich nicht haben möchte. Irgendie muss ich dann 
wohl mit meinem Körper ein Störsignal erzeugen. Ich schließe daraus, 
dass die Eingangsstufe wohl sehr Empfindlich ist. Wie kann ich die 
Eingangstufe unempfindlicher machen, wenn ich mit der Hand an den 
Empfänger gehe?

Im Moment habe ich den Empfänger noch auf einer kleinen 
Streifenrasterplatine aufgelötet. Den anderen Teil der Schaltung habe 
mit einer Lochrasterplatine aufgebaut. Die Verbindung wird über eine 
Stiftleiste mit entsprechender Buchsenleiste. Ich denke ich werde die 
Fotodiode mal direkt auf die Platine löten. Das müsste doch auch schon 
etwas bringen oder?

Wie sieht es da mit einer Abschirmung aus? Muss ich diese nur um die 
Fotodiode wickeln oder sollte ich die ganze Platine mit mal Testweiße 
mit Alufolie umwickeln?

Dann habe ich noch eine andere Frage. Ich bin mir noch nicht ganz 
sicher, wie ich den Sender aufbauen soll. Ich denke ich werde eine LED 
nehmen und diese mit Rechtecksignal anstuern. Ich bin mir nur noch nicht 
ganz sicher über die Sendeleitung, die ich verwenden sollte. Bei meinem 
Testaufbau habe ich ca. 200 - 300mA Spitzenstrom in der LED. Reicht das 
für meine Anforderungen oder sollte ich noch mehr Strom in die LED 
schicken? Hat da jemand vielleicht eine Schaltung mit der man durch 
einen Poti die Stromimpulse einstellen kann. Somit könnte ich später die 
Reichweite begrenzen oder vielleicht etwas erweitern.

Falls jetzt etwas nicht genau beschrieben ist oder vielleicht sogar 
unverständlich dann sagt mir das bitte. Falls nötig würde ich Bilder 
machen oder den Schaltplan hier hochladen. Lasst es mich einfach wissen.


Vielen Dank schonmal fürs lesen und für eure Hilfe.


Grüße Wisler

[Sebastian (Gast)]

Ein Rechtecksignal hat sehr viele Oberwellenanteile.
Bei höheren Frequenzen, bereits bei 2 MHz dürfte das u.U ein schlechtes 
Ausgangssignal geben. Je nach Eigenschaften der LED.

Bzgl. der Sache mit der Hand:

Wie ist der Empfänger aufgebaut?
Ich schätze auf eine kapazitative Einwirkung, so dass etwas zu schwingen 
anfängt. So sollten generell Verbindungen bei Aufbauten mit Hochfrequenz 
immer auf dem kürzesten Weg erfolgen.

[MaWin (Gast)]

Du nimmst die grösste Photodiode die du finden kannst,
eine BPW34, fast ein Solarpanel,
und willst die dann UNEMPFINDLICHER machen ?
Ist das nicht irgendwie krank ?
2 MHz wird deren riesen Fläche eh nicht schaffen.

[Johanna (Gast)]

Schalte einen Kondensator (gleicher Wert wie Fotodiodenkapazität) 
parallel zum Rückkopplungswiderstand des TI-Verstärkers. Kannst Du aber 
2 MHz vergessen!

[Purzel H. (hacky)]

Und mit Streifenraster ist auch nichts. Da muss eine richtig 
Leiterplatte her, mit GND Schirm und allem.

[oszi40 (Gast)]

Abgesehen davon, daß jeder längere Draht eine Antenne ist, wurde ich die 
Fotodiode in ein schwarzes Rohr stecken um Fremdlicht abzuschirmen und 
mir über Abschirmung mehr Gedanken machen.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Stelle erstmal sicher, das die Photodiode die gewünschte Frequenz 
verarbeiten kann und bau dann die gesamte Anordnung ( PD und 
Vorverstärker ) in eine geerdetes Weissblech- oder CU-gehäuse ein. Sorge 
auch für gute Siebung der Versorgungsspannung. Alufolie ist da nicht 
sehr wirksam. Ein IR-Filter vor der Diode kann auch nicht schaden.

[smörre (Gast)]

> Wie kann ich die Eingangstufe unempfindlicher machen, wenn ich mit der
> Hand an den Empfänger gehe?
Falls Du den Empfängerbereich drastisch einschränken willst, dann reicht 
eine Lochblende vor die Photodiode aus.
Da es Dir aber anscheinend auf Signale erst ab einer 2m Entfernung 
ankommt und Du starke Signale aus kürzerer Distanz (Deine Hand) nicht 
haben willst, wirst Du den Signalpegel erfassen und schaltungstechnisch 
auswerten müssen.

[Wisler E. (wisler)]

Erst einmal vielen Dank für eure Antworten.

@Sebastian
Ja das stimmt mit den Oberwällen, aber im Prinzip möchte ich nur die 
Grundwelle(2MHz) auswerten. Die Oberwellen brauche ich nicht. Deshalb 
nutze ich auch den Bandpassfilter.
Im Moment ist die Schaltung erstmals auf Lochraster aufgebaut um die 
Funktion zu prüfen. Ich denke auch, dass es kapazitive Einwirkungen sind 
und ich die Schaltung noch mit einer Maßefläche in SMD aufbauen werde.
Die Leitungen sind schon so kurz wie ich es beim Aufbau machen konnte.

@MaWin
Ich möchte nicht die Fotodiode unempfindlicher machen sondern die 
Schaltung. Die 2MHz habe ich schon auf dem Oszi gesehen und ich denke 
schon, dass diese Fotodiode das schaffen wird. Warum sollte es nicht 
funktionieren? Kennst du vielleicht eine geeignetere Fotodiode?

@Johanna
Müsste ich nicht den parallel Kondensator wie in diesem Link 
dimensionieren:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor
Also mit diesen Formeln?

$$C_1 = \frac{R_D}{R_1}*C_I$$

Oder

$$C_1 = \sqrt{\frac{C_I}{R_1*GBP}}$$

@Nano Oschi
Ja das mit der Leiterplatte wollte ich auch noch machen. Mir ging es 
erst mal darum ob die Schaltung überhaupt für meine Anwendung tauglich 
ist. Deshalb habe ich es auf Lochraster aufgebaut.

@oszi40
Das Fremdlicht wird durch meinen Bandpassfilter vom Signal getrennt. Der 
Gleichlichtanteil wird durch den Integrator wieder auf den Eingang 
zurück gegeben und ist somit auch weg. Die ersten Tests habe ich im 
Dunkeln durchgeführt.
Wie kann ich den das mit der Abschirmung machen? Bzw. wo kann ich so 
etwas nachlesen?

@Matthias Sch.
Das werde ich mal versuchen. Aber wie mache ich das dann mit der 
Fotodiode? Dafür müsste ich doch ein Loch in ein solches Gehäuse bohren 
oder? Ist dann die Abschirmung immer noch gut oder total kaputt?

@smörre
Stimmt so nicht ganz 2m sind meine Grenze. D.h. ich möchte Signale 
auswerten, die von einem Objekt reflektiert werden, dass sich in der 
Strecke von 0m bis 2m befindet.

Was meint ihr ist so eine Aufgabe überhaupt realisierbar? Im Anhang sind 
noch Bilder zum Aufbau und die entsprechenden Schaltpläne.


Ich wünsche euch noch ein frohes Weihnachtsfest und vielen Dank für die 
vielen Antworten!

[Lapapp (Gast)]

Ohne es jetzt mal näher nachgerechnet zu haben...
Aber ich meine, die Schaltung zur Unterdrückung des Gleichanteils bringt 
nicht wirklich was.

Wie ich das sehe, wird fast alles Rauschen durch den relativ 
niederohmigen Widerstand R5 (1K) erzeugt.
Das Rauschen des OPVs dürfte (wenn's ein guter ist) fast keine Rolle 
mehr spielen.
Also könnte man gleich den Transimpedanzverstärker mit 1k in der 
Rückkopplung aufbauen und danach ein C zur Gleichspannungsunterdrückung 
+ zusätzliche Verstärkung, falls gewünscht.

Hier ist ein sehr guter Artikel über Photoverstärkerdesign:
http://www.electrooptical.net/www/frontends/frontends.pdf
und hier eine Schaltung, die danach aufgebaut wurde:
http://redlum.xohp.pagesperso-orange.fr/electronics/wideband.html

Lapapp.

[Lapapp (Gast)]

>BPW34, fast ein Solarpanel
BPW34 hab ich in 'nem 20MHz Empfänger drin.

[gerd b. (Gast)]

Hallo,

hier ein Beispiel einer BPW34 als "Solarpanal"

20x BPW34 parallelgeschaltet. Transimpedanzverstärker mit 100kOhm !
Testsignal ist eine schnelle IR-LED an einem 1MHz Oszillator.

Man sieht: Die Bandbreite dieses Aufbaus liegt bei ca. 10MHz

gerd

[Pascal O. (raven761)]

@Lapapp:

Ich verwende die gleiche Schaltung zur Gleichlichtunterdrückung und 
diese funktioniert tadellos. Sogar bei sehr hohen Lichtstärken wird das 
Gleichlicht auf nahezu 0V runtergedrückt. Das Problem ist, dass keine 
hohe Transimpedanz möglich ist, wenn das Gleichlicht ebenso hoch ist. 
Denn dann gerät der OP in Sättigung und damit wird das Signal nicht mehr 
verstärkt. Aber du hast schon Recht, der Rückkopplungswiderstand ist 
kritisch und verrauscht mir den Eingang. Hast du vielleicht eine Idee 
wie man das hier verbessern könnte?

Tolle Links die du da gepostet hast, ich wünschte ich hätte das .pdf 
schon eher gesehen..

[Lapapp (Gast)]

Ja - die Gleichlichtunterdrückung funktioniert schon. Aber ich meine, 
nicht besser oder schlechter, als ein Transimpedanzverstärker mit dem 
gleichen (geringen) Widerstand wie die der Gleichlichtunterdrückung, ein 
C am Ausgang und eine 2. Verstärkerstufe, um dann wieder auf die 
gewünschte hohe AC-Verstärkung zu kommen.

Vielleicht ist aber eine Gleichlichtunterdrückung mit einer Bipolar- 
oder Fet Pufferstufe rauschärmer. Kann ich jetzt auf die Schnelle nicht 
sagen.

Ich hatte schon Designs mit Induktivitäten gesehen. Die rauschen fast 
nicht. Man braucht bei 100kOhm aber schon sehr große Induktivitäten. 
Sehr sehr große. Und vermutlich fängt man sich dann Störungen durch 
Wechselmagnetfelder ein.

Das Beste ist natürlich, man nimmt einen optischen Bandpass. Wenn man 
z.B. mit Laser arbeitet gibt es interferenzfilter mit wenigen nm 
Bandbreite. Kosten allerdings ab 50-100€.
Es gibt auch hochwertige, rote Filterfolie 
(http://www.gamonline.com/catalog/gamcolor/colorchart.php?cid=280#color).
Die lässt allerdings den IR Anteil immer noch voll durch.

>Tolle Links
Ja. Man muss aber sehen. Es gibt inzwischen für 5€ sehr sehr rauschrarme 
OPVs mit GBW > 1GHz. Ob da die diskrete Schaltung noch mithalten kann !?

[Pascal O. (raven761)]

Lapapp schrieb:
> Ja - die Gleichlichtunterdrückung funktioniert schon. Aber ich meine,
> nicht besser oder schlechter, als ein Transimpedanzverstärker mit dem
> gleichen (geringen) Widerstand wie die der Gleichlichtunterdrückung, ein
> C am Ausgang und eine 2. Verstärkerstufe, um dann wieder auf die
> gewünschte hohe AC-Verstärkung zu kommen.

Hallo Lapapp,
du hast Recht. Ich habe die Schaltung einmal mit dem OPA380 und dem 
LT1815/1816 simuliert. Meine Pindiode sfh203 liefert bei 60.000Lux rund 
500µA Strom. Wenn ich die Transimpedanz darauf ausrichte, damit der OP 
bei dem Strom eine maximale Spannung von weniger als Vcc-1V ausgibt und 
dadurch mit Sicherheit nicht in Sättigung gerät, kann ich mein Signal 
trotzdem noch gut verstärken und mit wenig Rauschen auskommen. Damit 
spare ich mir die Rückkopplung und den hohen Rauschanteil.
Jetzt kommt es darauf an, was man möchte. Weniger Rauschen im 
Eingangsteil oder hohe Verstärkung?

Der LT1815 kommt nämlich mit einer höheren Transimpedanz aus als der 
OPA380, weil der OPA380 intern einen 1 MOhm Widerstand hat, der schnell 
den OP in Sättigung bringt. Dafür besitzt der OP380 einen ~100 mal 
niedrigenren Rauschstrom am Eingang (10fA zu 1.3pA pro sqrt(Hz)), dafür 
aber eine 10 fach höhere Rauschspannung. Ich werde mal eine 
Rauschanalyse durchführen müssen, aber vom Gefühl her ist mir ein 
geringerer Rauschstrom im Eingang wichtiger. Für die nachfolgenden 
Schaltungen jedoch eine geringe Rauschspannung. Was meinst du/ihr?

Frohe Weihnachten!

[MaWin (Gast)]

> denke schon, dass diese Fotodiode das schaffen wird.
> Warum sollte es nicht funktionieren?
> Kennst du vielleicht eine geeignetere Fotodiode?

Jede mit kleinerer aktiver Fläche, z.B. SFH203 oder
gleich eine passender Wellenlänge.

Schliesslich hat diese riesen-Photodiode auch eine
riesen Kapazität und die wirkt wie ein blöder
Kondenstaor parallel am Eingang deines Verstärkers,
dämpft also Wechselspannung.

BPW34 72pF 20ns, SFH203 11pf 5ns

Das ist genau das Gegenteil von dem was du willst,
denn wenn du weniger Signal hast, musst du blöderweise
höher verstärken, und handelst dir Probleme mit dem
Verstärker ein.

[oszi40 (Gast)]

Wisler Electronics schrieb:
> Das Fremdlicht wird durch meinen Bandpassfilter vom Signal getrennt. Der
> Gleichlichtanteil wird durch den Integrator wieder auf den Eingang
> zurück gegeben und ist somit auch weg. Die ersten Tests habe ich im
> Dunkeln durchgeführt.
> Wie kann ich den das mit der Abschirmung machen? Bzw. wo kann ich so
> etwas nachlesen?

Auf die Schnelle würde ich behaupten, daß durch Filter selten ein Signal 
"besser" geworden ist. Es wird nur störendes versucht wegzufilteren und 
dabei auch mehr Rauschen anschließend wieder verstärkt. Daher würde ich 
etwas mehr Wert auf die Optik legen und ein schwarzes Röhrchen gegen 
Fremdlicht als erste einfache Maßnahme einsetzen, was auch das Zustopfen 
reduzieren könnTe.

Mawin hat Recht, daß große Fotodioden mehr Kapazität haben. Ob bei 
größeren Entfernungen die kleineren Fotodioden genügend sensibel sind 
oder Deine  Signale im Rauschen der Verstärker untergehen wäre noch 
genauer zu ergründen.

Abschirmung: Zum Test mit Alufolie abschirmen falls viel Störstrahlung 
in der Nähe ist?