Hallo, was für Unterschiede sind beim Einsatz einer Solarzelle an Stelle einer Photodiode zu beachten wenn eine hohe Empfindlichkeit nötig ist, aber die erforderliche (Modulations-) Bandbreite sehr klein ist, also bei U = 0 betrieben wird? Grüße Thomas
Du solltest die Solarzelle nicht mit Sperrspannung betreiben, weil der Sperrstrom recht hoch ist und stark temperaturabhängig. Nachteilig ist auch die enorme Sperrschichtkapazität. Wenn du wirklich Empfindlichkeit brauchst, nimmst du aber besser einen Photomultiplier oder eine APD. Beide sind sehr empfindlich und sehr schnell. Mit manchen Photomultipliern kann sogar einzelne Photonen zählen. Nachteil ist bei beiden der beträchtliche Aufwand für die hohen bis sehr hohen Betriebsspannungen.
Du sollst darauf achten, dass bei einem Modul alle Elemente zu beleuchten sind. Also eine einzelne Zelle verwenden. (Erkennt man daran, dass diese nur 0,5 oder 0,6 Volt abgibt.) z.B. Solarzelle Monokristallin Conrad YH-36X56 0.5 V 200 mA Der nachfolgende Transimpedanzverstärker wird wegen der großen Kapazität der Solarzelle schwingen. Lösung: Basisschaltung zum Entkoppen vor dem Transimpedanzverstärker (in den Emiter geht der Sularstrom;Kollektorstrom geht auf invertierenden Eingang des OPV) Einfacher einen Widerstand parallel zur Solarzelle und die Spannung verstärken.
Thomas K. schrieb: > ... aber die erforderliche (Modulations-) Bandbreite sehr klein ist Das kommt auf die Trägerfrequenz an. Vielleicht beschreibst du mal das eigentliche Problem?
Hi, Thomas, > was für Unterschiede sind beim Einsatz einer Solarzelle an Stelle einer > Photodiode Die Fotozelle ist der "große Bruder" zur Fotodiode: Mehr Fläche, mehr Leistung, mehr Preis, aber auch mehr Kapazität. Hat der IR-Empfänger einer Fernsteuerung die Fotodiode parallel zu einem Schwingkreis angeordnet, wird die hohe Kapazität eine Anpassung der Induktivität brauchen. > Wo zu beachten wenn eine hohe Empfindlichkeit Hohe Empfindlichkeit bedeutet ein hohes Verhältnis von Signalleistung zu Störleistung. Die Störleistung kommt nicht nur durch Fremdlicht, sondern auch durch elektromagnetische Einstrahlung. Dein Vorverstärker ist der kritische Punkt, vor allem dessen Rauschzahl. Aus der Antennentechnik gibt es den Trick mit "Rauschanpassung" statt "Leistungsanpassung". Leistungsanpassung will keine Leistung verschwenden - aber die Rauschanpassung macht den Leistungsverlust wett durch die geringere Rauschzahl. Ciao Wolfgang Horn
Hp M. schrieb: > Wenn du wirklich Empfindlichkeit brauchst, nimmst du aber besser einen > Photomultiplier Eine der wenigen Anwendungen, wo auch heutzutage Röhren noch sinnvoll sind.
Thomas K. schrieb: > wenn eine hohe Empfindlichkeit nötig ist Das ist sowieso weitgehend ein Irrtum: eine Solarzelle ist nicht empfindlicher als eine Photodiode, nur grösser. Es wird ein bestimmter Anteil des auftreffenden Lichts in Strom gewandelt (Wirkungsgrad), ein Lichtstrahl der auf die Zelle trifft erzeugt also in beiden Fällen etwa den gleichen Strom. Nur wenn die ganze Fläche beleuchtet wird, liefert die Solarzelle mehr Strom, eben im Verhältnis der Flächen bei gleichmässiger Ausleuchtung. Georg
Hi, Harald, > Eine der wenigen Anwendungen, wo auch heutzutage Röhren noch > sinnvoll sind. Hmmm. Habe ich den Photomultiplier richtig verstanden, wenn sein großer Vorteil der Lawineneffekt ist, die Vervielfachung des anfänglichen Photo-Elektrons durch Kollision mit zahlreichen Anoden zunehmender Anodenspannung? Passiert derselbe Lawineneffekt nicht auch in der APD, nur im Halbleiter? Welche Vorteil hat der Photomultiplier dann noch gegenüber der APD? Ciao Wolfgang Horn
Wolfgang H. schrieb: > Welche Vorteil hat der Photomultiplier dann noch gegenüber der APD? Ich habe mich seit ca. 10 Jahren nicht mehr mit diesem Thema beschäftigt, aber zumindest damals hat man den PMs ein kleineres Rauschen zugeschrieben... Heutzutage nimmt man wohl eher so etwas: https://de.wikipedia.org/wiki/Hybridphotodetektor
Die Solarzelle liefert über die größere Fläche mehr Strom, hat aber oft auch mehr Rauschen. Durch die gerignere Reinheit des Materials ist ein Betrieb mit Vorspannung selten sinnvoll, weil der Dunkelstrom und das damit verbundene Rauschen zu hoch wird. Wenn die Richtung bekannt ist, aus der das Licht kommt, kann auch eine Optik (z.B. Linse) vor einer Photodiode helfen um mehr Licht auf den Detektor zu bekommen. Photomulitplier können eine recht große Empfindliche Fläche (mehrere cm²)haben. APDs haben dagegen meist eine recht kleine Fläche (eher mm² und weniger), kommen aber besser mit IR und rotem Licht klar - da sind viele PMTs nicht so gut geeignet. Photomultiplier und APDs sind auch auch recht teuer - die Solarzellen ist eher ein low Cost Ersatz für ein große Photodiode.
> Die Fotozelle ist der "große Bruder" zur Fotodiode: Mehr Fläche, mehr > Leistung, mehr Preis, aber auch mehr Kapazität. Vertippt? Eine Fotozelle ist eine Röhre ...
Meine Frage zielte darauf ab, was zu beachten ist wenn man eine Solarzelle als low-cost Ersatz für eine großflächige Photodiode verwendet sofern die Einstrahlung keinen zeitlich schnellen Schwankungen unterlegen ist. Also eine Hohe Empfindlichkeit bezogen auf die Leistung und nicht auf die Energie erforderlich ist. Die Genannten Gesichtspunkte Dunkelstrom und Kapazität sollten für den Fall keine Rolle spielen oder? Grüße Thomas
Danke für die Präzisierung, Thomas, > Die Genannten Gesichtspunkte Dunkelstrom und Kapazität sollten für den > Fall keine Rolle spielen oder? Nicht so forsch, Thomas! Wenn Du nur Gleichstrom willst, spielt die Kapazität tatsächlich keine Rolle. Der Dunkelstrom aber bestimmt die Empfindlichkeit Deiner Anordnung. Ciao Wolfgang Horn
Ich würde mal empfehlen, eine Solarzelle an den Osszi zu hängen mit einem Belastungswiderstand, das Licht abdrehen und zündeln mit Streichholz oder Feuerzeug, Fotoblitz u.ä...
@Wolfgang: wenn keine Spannung anliegt sollte auch kein Dunkelstrom fließen oder? Eine Sperrspannung zur Verringerung der Kapazität ist hier ja nicht erforderlich.
Thomas K. schrieb: > @Wolfgang: wenn keine Spannung anliegt sollte auch kein Dunkelstrom > fließen oder? Eine Sperrspannung zur Verringerung der Kapazität ist hier > ja nicht erforderlich. Nun hat der TIA(Transimpedanzverstärker) aber z. B. ca. 1mV Offsetspannung. Dadurch fließt automatisch auch Sperrstrom. Zuätzlich ist die Rauschspannung am Ausgang, durch das ungünstige Verhältnis von Rfeedback/Rshuntdiode, sehr hoch. Ich behaupte mal mit einer 100mm^2 Si-Photodiode fährst du mindestens um Faktor 10 besser. Statt einer großen (teuer) könntest du ja auch 16 Kleine parallel schalten um die Kosten zu reduzieren.
Ohne Vorspannung hat man keinen Dunkelstrom. Die Solarzelle hat aber als verwandten Nachteil noch einen realtiv kleinen Widerstand parallel zur Solarzelle im Ersatzschaltbild. Der Widerstand sorgt für störendes Rauschen, und das begrenzt die detektierbaren Signale.
Hi, Thomas, > @Wolfgang: wenn keine Spannung anliegt sollte auch kein > Dunkelstrom fließen Entweder wird die Solarzelle als Spannungsquelle oder als Stromquelle geschaltet. Der Dunkelstrom stört im zweiten Fall - im ersten Fall fließt er lustigerweise erst bei Helligkeit. "Ruhestrom" wäre als Ausdruck passender, aber wenn alle "Dunkelstrom" sagen, passe ich mich an. Ciao Wolfgang Horn
Vielleicht auch mal darüber nachdenken warum wohl in keinem optischen Freistrahlaufbau jemand eine billige Solarzelle nimmt. Ganz einfach die sind so viel schlechter als Photodioden, dass sich niemand damit den Messaufbau unnötig schlecht machen will.
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Helmut S. schrieb: > Vielleicht auch mal darüber nachdenken warum wohl in keinem optischen > Freistrahlaufbau jemand eine billige Solarzelle nimmt. Ganz einfach die > sind so viel schlechter als Photodioden, dass sich niemand damit den > Messaufbau unnötig schlecht machen will. U.a. das Rauschen ist proportional zur Fläche. Solarzellen sind halt mal Energieerzeuger und keine Messinstrumente. Man kann z.B. auch ein Lautsprecher als Mikrophon benutzen, die Qualität ist halt entsprechend.
Die Beiträge scheinen sich mir teilweise zu widersprechen, aber kann man folgendes Zusammenfassend sagen? - Der „Dunkelstrom“ kann durch die Wahl der Spannung vollständig eliminiert werden. - Das Signal/Widerstandsrausch-Verhältnis lässt sich bei Solarzellen (und Photodioden) durch Erhöhung der Fläche bei konstanter Lichteinstrahlung pro Fläche nicht verbessern.
Thomas K. schrieb: > Die Beiträge scheinen sich mir teilweise zu widersprechen, aber kann man > folgendes Zusammenfassend sagen? > > - Der „Dunkelstrom“ kann durch die Wahl der Spannung vollständig > eliminiert werden. Im Bereich der Offsetspannung des Opamps(TIA-Schaltung) bis +/-10mV verhält sich die Photiode/Solarzelle als hatte sie einen linearen Shuntwiderstand parallel. Der ist umgekehrt prpoportional zur Fläche. Auf Grund der Reinheit der Materialen ist da die Photodidoe im Vorteil. > - Das Signal/Widerstandsrausch-Verhältnis lässt sich bei Solarzellen > (und Photodioden) durch Erhöhung der Fläche bei konstanter > Lichteinstrahlung pro Fläche nicht verbessern. Richtig, aber wenn die bestrahlte Fläche größer ist arbeitet man mit größerem Nutzstrom. dadurch gehen die Leckströme des Opamps und der Leiterbahnen weniger ein.
> Die Fotozelle ist der "große Bruder" zur Fotodiode: Mehr Fläche, mehr > Leistung, mehr Preis, aber auch mehr Kapazität. 'Ganz früher' hatten wir Germaniumdioden im Glasghäuse oder aufgefeilte BC 107 als "kleinen Bruder" zur Sonnenzelle "genutzt". Da fliessen ein paar µA.
Hi, Thomas, > - Der „Dunkelstrom“ kann durch die Wahl der Spannung vollständig > eliminiert werden. Schon. Aber dann kannst Du die Solarzelle aber auch abmontieren. Denn wenn sie funktioniert, dann fließt der Dunkelstrom und ist ein Störeinfluss. > - Das Signal/Widerstandsrausch-Verhältnis lässt sich bei Solarzellen > (und Photodioden) durch Erhöhung der Fläche bei konstanter > Lichteinstrahlung pro Fläche nicht verbessern. Das kann nicht ganz sein, obwohl diese Besserwisserei nur für Fragen der Nachrichtenübertragung gilt: 1. Annahme: Eine Photodiode wird von einem modulierten Lichtsignal beleuchtet. Sie liefert ein Signal/Rauschverhältnis von S/N. 2. Nun wird eine identische Diode vom selben Signal beleuchtet und aus beiden Ausgängen ein Summensignal gebildet. Dann erhöht sich das Gesamtrauschen Nsumme = N x Wurzel2, die Signalleistung aber verdoppelt sich. Weil die Modulation bei beiden Ausgängen kohärent ankommt, die des individuellen Rauschens aber nicht. Ciao Wolfgang Horn
U. B. schrieb: >> Die Fotozelle ist der "große Bruder" zur Fotodiode: Mehr Fläche, mehr >> Leistung, mehr Preis, aber auch mehr Kapazität. > > 'Ganz früher' hatten wir Germaniumdioden im Glasghäuse oder aufgefeilte > BC 107 als "kleinen Bruder" zur Sonnenzelle "genutzt". Nicht zu vergessen die als "Solarzellen" zweitverwerteten Platten aus Selen-Plattengleichrichtern. Aber das waren halt Zeiten, in denen man keine richtigen Solarzellen oder Fotodioden kaufen konnte. Mittlerweile kann man. Und die technischen Daten sind derartig viel besser als die der Bastellösungen, daß sich selbst hartgesottene Nostalgiker die "gute alte Zeit" eher nicht zurückwünschen.
Thomas K. schrieb: > was für Unterschiede sind beim Einsatz einer Solarzelle an Stelle einer > Photodiode zu beachten wenn eine hohe Empfindlichkeit nötig ist Vor Jahren gab es einmal in den Siemens-Schaltbeispielen eine Applikation für eine Wechsellichtschranke, bei der zur Erhöhung der Empfindlichkeit anstelle der Fotodiode ein großflächigeres Solarelement eingesetzt wurde. Kapazität und Dunkelstrom wurden dadurch eliminiert, dass man das Solarelement zusammen mit einer Spule als Kondensator eines Parallel-Resonanzkreises benutzt hat.
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