MyPhotometrics: Photodiodenverstärker Pro-version: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

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Var Sauron Plus?

Sauron Plus är en Pro-version av 4-kanals fotodiodenförstärkare. Sein Eingangsstrombereich von 20 nA- 5120 nA reichte allerdings nur für Lichtquellen geringer Intensitäten aus. Für die Messung von Lasern war es deshalb notwendig eine specialielle Sphäre aus LEGO zu verwenden, die die Intensität abschwächte and damit eine Übersättigung des Messinstruments verhinderte. Für professionalelle Zwecke är den bästa Lösung som inte är optimal.

Die Pro-Version Sauron Plus erbjuder en 1000-fache Erhöhung des Eingangstrombereichs mit bis zu 50mA. Denna version av Anschluss av nur einer Diode vor, jedoch is one Messkanalerweiterung mit dem MyPhotometrics Photo-Rack realisierbar. Mit Sauron Plus är en av de bästa möjligheterna för Vorgängerversion zu nutzen.

Höjdpunkter:

• Eingangsstrombereich 20 nA - 50mA ·
• Auflösung 10-20 Bit
• Integrationszeit 1 - 1024 ms

Anwendungen:

• Kvalitetskontroll
• Komponententester
• Lebensdauertest
• Fotometer
• Powermeter
• …

Die Messung der Strahlungsintensität erfolgt weiterhin über eine Photodiode, die einfallendes Licht in einen messbaren Strom umwandelt. Die weitere Verarbeitung dieses Stromsignals ermöglichen mehrere Bausteine, die zusammen ein oszillatorisches Messverfahren erlauben, das einen deutlich höheren Eingangsstrombereich liefert. Durch die spezielle Verschaltung eines Kondensators, oszilliert die über ihn abfallende Spannung in einer Frequenz, die je nach Eingangsstrom variiert. En spänning till frekvensomvandlare kan resultera i en spänningsspänning för en signal Signal mit bestimmter Frequenz um. Dies Frequenz kan av dem Mikrocontroller erfasst werden werden. Je höher die aufgenommene Frequenz ist, desto höher ist auch der Eingangsstrom, and somit auch die gemessene Lichtintensität.

In diesem Instructable zeigen wir die Herstellung der Hardware and die Anbindung an einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware für einen (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) und ein Beispiel-LabVIEW ™ -Programm as Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labor nichts mehr im Weg.

Låt oss börja…

Steg 1: Aufbau Und Funktion Des Boards

Die goldfarbene Buchse (1), welche an der Platinenkante befestigt ist, dient as Anschluss einer Photodiode mittels Koaxialkabel. Folgend dient ein Relay (2) dazu zwischen den Varianten Sauron (Education) und der Pro-Variante Sauron Plus zu wählen. Mithilfe des hier verwendeten Arduino Nano (3) ist dieser Schalter ansteuerbar. Der Aufbau der Education Version is bereits in dem Instructable erklärt und befindet sich in dem grün markierten Bereich.

Für die Verwendung von Photodioden with Signalstärken von mehreren mA is es notwendig das Signal der Diode noch vor der eigentlichen Messung zu dämpfen. Dazu dient der Transimpedanzverstärker (TIA) (4). Er schwächt das Messsignal mithilfe einer Widerstandskaskade (5) insoweit ab, dass an seinem Ausgang maximum 100uA fließen. Die Ansteuerung des TIA (und damit auch die Wahl des Messbereichs) erfolgt wiederum durch den Arduino und einen CMOS Multiplexer (6).

Sauron Plus misst die Strahlungsintensität mithilfe eines oszillatorischen Messverfahrens. Dazu dient der VFC (Voltage to Frequency Converter, zu deutsch auch U/f- Wandler) (7). Als Referenzspannung dient die Spannungsquelle (8), die man as schwarzen Block auf der Platine erkennen kann. Sie liefert 15V die durch einen 1: 1 Spannungsteiler auf die Hälfte abgesenkt werden. Resultatet 7, 5V kan följas Verlauf der Signalverarbeitung as „Triggerpunkt“eines Komparators der Bestandteil des VFC ist. Die Spannung ligger på „Threshold“-Eingang an. Der Komparator vergleicht diese mit der Spannung, die am „Comp_Input“-Eingang anliegt.

(Hinweis: Wo genau sich diese Eingänge befinden, lässt sich im SauronPlus.sch nachvollziehen.)

Sobald eine höhere Spannung als 7, 5V anliegt, schaltet der VFC einen konstanten Strom, der den Kondensator C5 (9) auflädt. Zusammen mit einem Operationsverstärker (10) foto C5 ein Integrator. Fließt jetzt Strom aus dem TIA, wechselt die Eingangsspannung des Integrators die Polarität und der Kondensator entlädt sich. Die Ausgangsspannung, welche gleichermaßen der “Comp_Input” des VFC ist, sinkt. Sobald sie unter den Triggerpunkt fällt, schaltet der VFC den Ausgangsstrom ab. Durch diesen Vorgang oszilliert die Spannung, sodass Ladungsspitzen erkennbar sind. Diese lassen sich mit dem Arduino Nano zählen. Bei einem maximalen Input (Full Range) von -10V am Eingang des Integrators liefert der VFC eine Frequenz von 100kHz. Da mit steigender Stromstärke das Entladen des Kondensators beschleunigt wird, spiegelt sich die Stromstärke in der resultierenden Frequenz wieder.

Einige der übrigen Bauteile dienen zur Verbesserung des Messignals, wie beispielsweise Pi-Filter (11) zum Glätten der Referenzspannung und Potentiometer (12) zum Entfernen von Offsets, resultierend through Kriechströme. Außerdem befinden sich mehrere Schutzvorrichtungen auf der Platine, wie beispielsweise Dioden (13), die vor zu hohen Strömen schützen. Desweiteren liefert ein Step-Down Converter (14) aus der Spannungsquelle von 15V die vom Arduino benötigte Versorgungsspannung von 5V und ein IO-Expander (15) dem Arduino weitere notwendige IO-Pins zur Ansteuerung der zahlreichen Bauteile.

Anvisningar: Diese Funktionsbeschreibung ist grob zusammengefasst, da die Beschreibung der komplexeren Funktionen den Umfang dieses Instructables überschreiten würde. Wer sich tiefgehender über die Signalverarbeitung mittels VFC beschäftigen möchte, kann folgende Seiten besuchen:

• U/f_Wandler
• Datenblatt LM331AN

Steg 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, die großteils bei dem Anbieter Farnell erhältlich sind. Für das Hochladen des bereitgestellten Warenkorbs ist eine Registration auf der Seite www.farnell.de notwendig. Jetzt muss die Datei BOMPLUS.xlsx heruntergeladen und unter "Meine Bestellungen" - "Stückliste hochladen" ausgewählt werden. Der Warenkorb wird automatiskt zusammengestellt.

Der Warenkorb innehåller die exakten Bauteilmengen, die für Sauron Plus notwendig sind. Wir empfehlen jedoch die Stückzahl einiger Komponenten zu erhöhen. Dies gilt besonders bei Teilen, die bei der Verarbeitung schnell verloren gehen können (Widerstände, Kondensatoren).

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Beställ nu möglich. Alternativt bara das Sauron+.brd file runterladen und bei einem beliebigen others PCB-Fertiger in Auftrag geben.)

Weitere notwendige Bauteile sind:

• Der AS89010 der Firma asm Sensors Germany wird bislang direkt vom Hersteller geordert. Der Verkaufspreis (Stand Mai 2017) ligger vid 6, 97 € je Einheit. Aufgrund firmeninterner Umstellungen gibt es den AS89010 allerdings schon bald bei arrow.com or futureelectronics.com.
• 2x der Arduino Nano (Nano Atmega 328P) z. B. hier für weniger as 5 € (Da nicht alle Pins notwendig sind, sollte das Board keine verlöteten Steckerleisten besitzen.)

(Hinweis: Es kann bei Bedarf auch ein Arduino Nano für das Board verwendet, and anotherer Controller for the Messdatenaufnahme eingesetzt werden. Dafür kann ein fast beliebiger Arduino verwendet werden. Die Anpassung der jeweiligen Pinbelegung für die I2C-Schnittstelle in der Firmware ist dem Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts are jedoch auch hier ein Arduino Nano ausgewählt.)

• Die SMA- Buchse, die Stiftleisten (4x) und ein übriger Widerstand (1x) z. B bei mouser.de
• Koaxialkabel RG174 zB. bei voelkner.de
• Übrige Kleinteile: 3, 3uF Kondensator (4x), das Relay und eine 100uH Spule (2x) z. B. bei digikey.de

(Hinweis: Sicher gäbe es einige Bauteile, die hier extra aufgeführt sind, auch bei farnell.com. Allerdings sind die Bauteile so gewählt, dass sich der Aufwand bei unterschiedlichen Distributoren zu bestellen Preis-Leistungs-technisch durchaus lohnt. Ein wichtiger Faktor, der möglicherweise nicht beachtet wird, hier is the Abweichung eines Bauteils vom angegebenen Messwert in Prozent. Dies ist ein Qualitätsmerkmal, was in manchen Bereichen der Schaltung von Sauron Plus nicht zu umgehen ist.)

Prinzipiell ist jagliche Art einer Photodiode mit dem Messsystem compatible. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 eller
• OSD-50-5T

Die BPX61 är die kostengünstige Lösung, die für einfache Anwendungen und Versuche ausreicht.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, die OSD-50-5T, zeichnet sich nicht nur durch ihre exzellente Empfindlichkeit aus, sondern leider auch durch einen sehr hohen Preis. Es sind häufig Angebote, z. B. hos Ebay, AliExpress usw., zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Die Diode eignet sich mit einer aktiven Fläche von 50qmm für Messungen mit einer direkten Einstrahlung der Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt and übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die Verwendung der OSD-50 is deshalb and aufgrundgrund ihres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Steg 3: Anfertigen Der Hardware

Zum Anfertigen der Platine sollte zuerst mithilfe des Stencils Lötpaste auf die vorgesehenen Pads aufgetragen werden. Als Lötpaste empfehlen wir eine bleifreie Variante, z. B. SMD Solderpaste von Chipquik, zu verwenden, da ansonsten das Einatmen des entstehenden Rauchs beim Erhitzen gesundheitsschädlich wirken kann. Danach sind die einzelnen Bauteile and the richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen werden, um das Bestücken einfacher zu gestalten. Zuletzt muss die bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile an die Platine binden kann. Kleine Ungenauigkeiten in der Platzierung der Bauteile sind akzeptabel, beim Aufschmelzen der Lötpaste "zieht" die Oberfaceenspannung des Lötzinns die Bauteile in der Regel.

Die Lötung erfolgt idealerweise mit einem professionalellen Lötofen z. B. einem Dampfphasen Lötofen. Da die Anschaffung eines solchen Geräts sehr teuer ist empfiehlt sich beispielsweise eine kostengünstigere Lösung in Form eines Reflow-Kits, das von PCB Pool angeboten wird.

(Hinweis: In unserer Vorgängerversion der Verstärkerplatine bot sich auch die improvisierte Variante der Erhitzung der Platine mit der Verwendung einer einfachen Herdplatte, zB einer Camping Herdplatte, an. Nach einem kurzen "Aufrauchen" der Lötstellen, ist der Lötvorgang abgeschlossen. eine kleinere Platine handel, war der Lötvorgang leichter zu beobachten and to controlieren. Deshalb ist diese Variante für Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile mit Steckverbindungen. Die einzelnen Steckverbinder sollten through Lötungen mit the Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

Wie die Fertigung in einzelnen Schritten aussieht, wird im Video vorgestellt

Überschüssige Lötpaste führt bei SMD Bauteilen wie dem AS89010 mit einem Beinchenabstand von 0.635 mm schnell zu Kurzschlüssen nach dem Löten. Normalerweise lässt sich durch kurzes Erhitzen mit dem Lötkolben mit Hohlkehle der überschüssigen Zinn entfernen.

Som en fotodiod med en koaxialkabel kan vi säga att det inte går att instruera.

Steg 4: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Für die grafische Darstellung der Messergebnisse lässt sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW ™ verwenden. LabVIEW ™ är für Studenten och Schüler kostengünstig zu erwerben. siehe hier

(Hinweis: Das UserInterface for Sauron benötigt die Version NI LabVIEW ™ 2016)

Für die Kommunikation mit dem Arduino ist das Modul LabVIEW Interface for Arduino über den JKI VI Package Manager to installieren. Faller inte ännu, det är pakethanteraren här för nedladdning. Achte darauf, dass der NI VISA Treiber installiert ist. Dies ist der Treiber, der für die Kommunikation mit dem Arduino zuständig ist.

Lade die.zip Datei LabVIEWPlus.zip herunter. Die darin enthaltene Datei SPLUS_RACK_4_SHUTTER.vi beinhaltet das mit LabVIEW ™ entwickelte virtuelle Instrument SauronPlus VI. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Hinweis: Die Datei muss unbedingt in dem heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da die VI auch auf diese zugreifen muss.)

Steg 5: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

Der Arduino muss mittels USB and the PC angeschlossen werden. Dieser Controller kontrollerade die Messdatenaufnahme.

För att kunna programmera med Arduino kan vi använda öppna källkod IDE Arduino -programvara som inte kan användas. Det är viktigare, att föra kommunikation med dem Arduino der richtige COM - Port (USB) ausgewählt wird.

Die Datei FirmwareForBackplain.zip kan innehålla den för Betrieb von Sauron Plus med dem Arduino Nano notwendige Firmware. Denna fasta programvara klarar konfigurationen och das Auslesen der Messdaten mit derbenen bereitgestellten LabVIEW ™ -VI. Die Datei Sauron.ino wird auf den Controller geladen, der die Messdatenaufnahme kontrolliert.

Der Arduino muss dann, z. B. mithilfe von female-female Jumper Kabeln, mit dem Arduino auf der Platine verbunden werden. Dazu ist das Pinout (siehe oben) des Arduino hilfreich. Der Ausschnitt der Platine (s.o.) zeigt welche Pins miteinander verbunden werden. Dabei werden die Pins SDA, SCL och GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ måste med dem 5V-Ausgang des Arduino Nano och INT_RDY med dem INT0 Pin verbunden werden.

Die Firmware für den Arduino Nano, der sich auf der Platine von Sauron Plus befindet, wird in der Datei ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Die Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt.

Steg 6: Anwendung Benutzer -gränssnitt

Nach dem Laden der Sauron PLUS VI lassen sich hier über das Benutzerinterface die Betriebsparameter einstellen.

Diese VI är auch für die Nutzung mit dem Photo Rack geeignet. Aus diesem Grund stellt die VI ein Userinterface zur Bedienung von vier Kanälen gleichzeitig bereit.

• Schalter oben: schalten jeweiligen Messkanal für die Messung ein
• CH 1- CH4: schaltet den jeweiligen Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus
• Power: tidigt att använda en fotodiod enkel installation i W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode is known und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Våglängd: Die Wellenlänge der Lichtquelle måste vara känd och eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (kan du inte ha Mikrocontroller verschieden sein).
• Nivå dB: Auswahl der Dämpfung i dB
• Integrationstid i ms: Auswahl der Integrationszeit des Messsingals i ms
• Kalibreringsfil: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes File, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Die Files sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in der Firmware des Systems verarbeitet and liegen ebenfalls in the Ordner indem sich die VI befindet.

(Hinweis: Die Datei None pd kann ausgewählt werden um one 1: 1 Messung ohne Kalibrierung durchzuführen.)

• Detektor: zeigt dann den ausgewählten Messkopf an
• Messung: startade Messung
• Live Mode: startade kontinuierliche Messung

)