Funktioniert diese Fotodiodenschaltung?

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Oli benutzte diese Schaltung

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in einer Antwort, und es erscheint auch viel auf Google-Bildern. Aber geht das? In diesem Fall ist eine theoretische Erklärung erwünscht.

operational-amplifier photodiode

— Stevenvh
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Hat es tatsächlich jemand ausprobiert? Ich habe weiterentwickelte Schaltkreise gesehen, die keinen Sinn ergeben, aber immer noch funktionieren.

— Rocketmagnet

@Rocketmagnet Ich habe gerade die Schaltung gemacht und es funktioniert. Es scheint mit einer in beide Richtungen gerichteten Diode zu funktionieren, aber die schematische Darstellung liefert bessere Ergebnisse (es sei denn, ich habe vergessen, welche Seite der LED welche ist).

— AndrejaKo

@Rocketmagnet - Ich habe es auch versucht, während ich die andere Frage diskutierte . Froh, dass es jemand anderes bestätigt hat, danke Andreja.

— Oli Glaser

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Ich wette, dass die meisten Leute, die das so machen, keine Ahnung haben, warum es funktioniert.

— Federico Russo

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Demnach erzeugt die Fotodiode tatsächlich einen Strom, selbst wenn null Volt daran anliegen; Es ist der Kurzschlussstrom . Beachten Sie, dass die Referenzrichtung von im Diagramm der Frage der von der Diode entgegengesetzt ist, sodass die Ausgangsspannung wie folgt lautet: $I_S$ $I_{SC}$

$V_{OUT} = - I_S \cdot R_F = I_{SC} \cdot R_F$

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Ich habe das Obige hier gefunden .

Eine vernünftige Frage ist, wie ein Strom ohne Spannung erzeugt werden kann .

Denken Sie daran, dass im Verarmungsbereich ein internes E-Feld vorhanden ist, auch wenn die Diodenanschlüsse kurzgeschlossen sind. Kurz gesagt, lichterzeugte EHPs in der Nähe des Verarmungsbereichs werden durch das E-Feld getrennt, was zu einer Ladungsakkumulation auf der P- und der N-Seite führt (auf diese Weise wird entwickelt). Durch einen Kurzschluss kann ein Strom das Ladungsgleichgewicht wiederherstellen. $V_{OC}$

— Alfred Centauri
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+1 - es würde viel erklären. Ich möchte trotzdem einen Teil meiner Skepsis behalten: Strom und keine Spannung, war das nicht für Supraleiter reserviert? Übrigens, könnten Sie einen Link zu dem Dokument angeben, in dem Sie das gefunden haben?

— stevenvh

@ stevenvh, Danke, und ich habe einen Link in meine Antwort eingefügt. Denken Sie daran, dass im Verarmungsbereich ein internes E-Feld vorhanden ist, auch wenn die Diodenanschlüsse kurzgeschlossen sind. Kurz gesagt, erzeugen Licht EHPs in der Nähe des Verarmungsbereiches ist getrennt durch das E - Feld in Ladungs resultierenden Akkumulieren in den P- und N - Seiten (das ist , wie entwickelt). Durch einen Kurzschluss kann ein Strom das Ladungsgleichgewicht wiederherstellen.

V_{O C}

$V_{OC}$

— Alfred Centauri

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bearbeitet nach Alfred's Antwort

Der klassische invertierende Verstärker sieht folgendermaßen aus:

Schaltung

Die Fotodiode erzeugt einen Strom, der einen Spannungsabfall am Widerstand verursacht. Ein Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung versucht, beide Eingänge gleich zu machen, sodass der invertierende Eingang auf 0 V liegt und der Strom durch den Widerstand eine positive Ausgangsspannung erzeugt.

Warum dachte ich, dass die andere Schaltung nicht funktionieren würde? Wenn die Diode einen Strom erzeugt, nehmen Sie an, dass auch ein Spannungsabfall vorliegt. Dann wäre die Spannung am invertierenden Eingang höher als Null, und der Operationsverstärker, der dies zu korrigieren versucht, würde feststellen, dass sein Ausgang bis zur negativen Schiene abfällt.

Die Grafik von Alfred zeigt jedoch, dass der Eingang vom Ausgang auf 0 V heruntergefahren werden kann . Es ist erforderlich, dass die Spannung an der Diode auf Null sinken kann, solange noch Strom fließt. Hier ist ein weiteres Diagramm aus diesem Dokument , das Alfreds Antwort bestätigt:

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— Stevenvh
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Eine LED im Gegenlicht + erzeugt einen negativen Strom von Kathode zu Anode, so dass der Operationsverstärker einen positiven Strom = Spannung über dem Widerstand erzeugt, um dies zu kompensieren.

— Oli Glaser

@Oli - ja, das sage ich auch in der Antwort. Gilt das aber auch für die Schaltung in der Frage. Der Ausgang geht zurück , wenn der invertierende Eingang> der nicht invertierende Eingang ist.

— Stevenvh

Ich verstehe - ja, es sollte runter gehen, wenn die LED umgekehrt ist, also brauchst du eine Doppelschiene. Ich habe dies gerade mit meinem Setup bestätigt.

— Oli Glaser

Ich muss dem eine -1 geben, da die Schaltung eindeutig funktioniert. Der Operationsverstärker ist daran interessiert, den von der Diode erzeugten Strom auszugleichen. Es muss nur die Ausgabe auf das eingestellt werden, was dazu über Rf erforderlich ist.

— Oli Glaser

@Oli - Ich finde es schwer zu glauben, dass es tatsächlich funktioniert. Wie bei x uA werden y mV ausgegeben, und bei 2x uA werden 2y mV ausgegeben. Es bedarf einer besseren Erklärung als meiner Beschreibung der Funktionsweise eines invertierenden Verstärkers.

— stevenvh

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Die Schaltung in Ihrer Antwort beruht auf dem fotoelektrischen Effekt , um den von der Diode mit einem Transimpedanzverstärker erzeugten Fotostrom zu verstärken.

Die Schaltung in Ihrer Frage beruht auf dem photovoltaischen Effekt, aber die Stromrichtung ist falsch (betrachten Sie eine Solarzelle mit einer einzelnen Diode), und es ist nur mit endlicher Verstärkung sinnvoll (dh mit einem Widerstand in Reihe mit der Kathode). Parallel zur Diode gibt es auch eine implizite Photostromquelle.

Wie effizient eine Photodiode als Photovoltaikquelle sein würde, weiß ich nicht, aber ich vermute nicht sehr.

BEARBEITEN

Photovoltaik-Verstärkerschaltung

Im zweiten Fall ist R1 nicht erforderlich, da der Fotostrom auch dann noch fließt, wenn die Diode kurzgeschlossen ist (erneut sollte ein Kurzschluss einer Solarzelle erwogen werden).

— MikeJ-UK
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@stevenvh - Ja, dies gilt für alle Spannungsquellen, die an einen invertierenden Verstärker ohne Eingangswiderstand angeschlossen sind.

— MikeJ-UK

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@stevenvh - Ich habe gerade festgestellt, dass eine Fotovolta-Diode eine echte Stromquelle und keine Spannungsquelle ist, daher trifft mein vorheriger Kommentar nicht zu.

— MikeJ-UK

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Ich habe die Schaltungsidee unten von p253 Schaltung J, "Art of Electronics", 1989-Version. Sharp Application Note verwendet auch einen Widerstand am + Vin für einen Operationsverstärker und einen Fototransistor, erklärt jedoch nicht, was er tut.

Ich habe die Schaltung unten mit und ohne den unteren Widerstand getestet: Ich konnte keinen Effekt feststellen, als ich den Kurzschluss über dem unteren Widerstand herauszog: nicht einmal eine Änderung der Verstärkung. Ich teste bei Impulsen mit sehr niedrigem Lichtpegel unter Verwendung von regulären 850 nm- und 830 nm-Dioden als "Fotodioden". Ich habe eine viel bessere Erkennung erhalten, als die "Fotodiode" gegenüber den Diagrammen auf dieser Seite vertauscht wurde. Dies ist wahrscheinlich nur bei schlechten Lichtverhältnissen (weniger als 1 mW / cm ^ 2) wichtig. Wenn die Diode wie auf dieser Seite gezeigt ausgerichtet war, wurde der Ausgang entgegen aller Kommentare nicht invertiert. Möglicherweise erklären die Hersteller von Fotodioden die Ausrichtung umgekehrt zu der tatsächlichen Ausrichtung. Ein Kondensator von 0,0001 bis 0,0047 uF über dem Rückkopplungswiderstand trug zur Verringerung der Impulsspitzen bei, verschlechterte jedoch die Spitzen bei sehr schwachen Lichtverhältnissen.

Die Verwendung eines vorgespannten 880-nm-Fototransistors mit dem Operationsverstärker (Abb. 13 in der scharfen Anwendungsnotiz) und einer 830-nm-Diode, die das Licht lieferte, erwies sich bei schwachen Lichtverhältnissen als zehnmal besser als ein Detektor, wenn die Impulse größer wären als ungefähr 1 ms, und wenn ein Kondensator über dem Rückkopplungswiderstand verwendet wurde. Es scheint, dass eine Detektion von 0,01 mW / cm 2 möglich ist.

Der Operationsverstärker ist ein JFET für sehr niedrige Eingangsströme.

sehr empfindlicher Fotodetektor

— Scott Roberts
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Welches Design? Ein Schema, das zeigt, wovon Sie sprechen, würde Ihren Standpunkt klarer machen.

— Das Photon

Dieser Entwurf. Fügen Sie einfach 1 Widerstand ein, wo ich angezeigt habe. Hier ist die scharfe Anwendungsnotiz, Abbildung 13. physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

— Scott Roberts

1. Es wird erwartet, dass die Antworten in sich vollständig sind. Es gibt keine feste Reihenfolge der verschiedenen Antworten. Wenn Sie also eine andere Antwort als "oben", "unten" oder "dies" bezeichnen, wissen die meisten Leser nicht, wovon Sie sprechen. Wenn Sie den Repräsentanten haben, sollte der Schaltplan in Ihrer Antwort bearbeitet werden. 2. Ich sehe in der Abbildung, auf die Sie sich beziehen, keine Verbindung zwischen + Vin und einer Diode, daher ist es immer noch nicht klar, wovon Sie sprechen. Wenn Sie einen Schaltplan erstellen, der zeigt, was Sie meinen, und auf Imgur oder einen ähnlichen Dienst hochladen, können wir Ihre Antwort so bearbeiten, dass das Bild eingebunden wird.

— Das Photon

OK, Schema zu meinem ursprünglichen Beitrag hinzugefügt.

— Scott Roberts

Viel einfacher zu verstehen, was Sie jetzt vorschlagen. An der Fotodiode liegt jedoch immer noch eine Vorspannung von 0 (worum es bei OP ging). Und was ist der Vorteil gegenüber 9,4 MOhm im Rückkopplungspfad?

— Das Photon

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Ich bin mir nicht sicher, ob das hilft, aber ich habe die Schaltung unten auf einem Steckbrett getestet und sie funktioniert einwandfrei. Die Empfindlichkeit ist nicht groß, benötigt ein wenig Licht, um etwas zu registrieren, und die Reaktion ist nicht linear, aber sie misst definitiv, wie viel Licht die weiße LED auf sie scheint. Der Widerstand wirkt sich auf die Empfindlichkeit aus, mehr Widerstand = empfindlicher - ich habe ihn so angepasst, wie ich es wollte, irgendwo zwischen 100.000 und 300.000, glaube ich.

Die Spannung am Ausgang beträgt maximal 4 V, aber ich denke, das ist eine LM358-Einschränkung.

— Charlie Skilbeck
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