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Optische Sensoren Strom/Spannungswandler
 
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hannes123



Anmeldungsdatum: 06.01.2018
Beiträge: 26

Beitrag hannes123 Verfasst am: 15. Jul 2021 00:10    Titel: Optische Sensoren Strom/Spannungswandler Antworten mit Zitat

Hallo, ich habe die Tage meine Klausur und ich habe Probleme diese Schaltungen ganz einfach zu verstehen. Kann mir jemand helfen?

Ist es richtig, dass der größte Unterschied einfach ist, dass man beim Elementbetrieb den Kurzschlussstrom misst und beim Betrieb Fotodiode den Sperrstrom?

Ich verstehe auch irgendwie nicht wo denn gemessen wird? Und was bringt genau dann der OPV?

Wäre voll nett, wenn das mal jemand ganz einfach erklären könnte..

Beste Grüße und Schaltungen anbei.



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gast_free



Anmeldungsdatum: 15.07.2021
Beiträge: 76

Beitrag gast_free Verfasst am: 15. Jul 2021 11:35    Titel: Antworten mit Zitat

Im Elementbetrieb misst man den Photostrom IP. Durch die Lichtquanten werden Elektronen in das Leitungsband gehoben und es bleiben Löcher bzw. Defektelektronen übrig. Die Elektronen sammeln sich in der n-Schicht und die Löcher in der p-Schicht. Hierdurch entsteht eine Photospannung. Wird ein Widerstand angeschlossen fließt ein Photostrom. Dieser ist konstant solange der Lichtstrom konstant ist.

Für eine Gleichspannung Up bzw. Gleichstrom IP in Deiner OPV Schaltung.



Wenn Du die Diode umdrehst ändert sich das Vorzeichen.

Beim Betrieb als Diode wird eine el. Gleichspannung in Reihe und Sperrrichtung geschaltet. Unbeleuchtet fließt ein Dunkelstrom, der auch als Sperrstrom bezeichnet werden kann. Wenn Lichtquanten einstrahlen werden wieder Elektronen und Defektelektronen erzeugt. Sie erhöhen in einem bestimmten Arbeitsbereich linear zum Lichteinfall den Photostrom, der immer noch als Sperrstrom bezeichnet werden kann.

In Deiner Schaltung lässt sich die Diode als veränderlicher Widerstand interpretieren. Somit hat man einen invertierende Verstärkerschaltung. Näherungsweise gilt:



RD ist der Diodenwiderstand, der von der Lichtsbestrahlung (Farbtemeratur) und der Strom-Spannungskennlinie abhängt.

In beiden Fällen wird letztlich die Farbtemperatur des Lichtes gemessen. In der Elementschaltung misst man den Photostrom und in der Diodenschaltung den Widerstand.

Die Operationsverstärker entkoppeln das Messobjekt elektrisch von der Messung. Ein idealer OPV hat einen undendlich kleinen Eingangswiderstand (virtuelle Masse) und einen unendlich großen Ausgangswiderstand. Zudem wird rechnerisch auch der Verstärkungsfaktor des OPV-Bauteils mit unendlich zugrunde gelegt. Die realen Eigenschaften hängen nur noch von der Art der Beschaltung ab. Dem Messobjekt wird hierdurch nur ganz wenige Strom und Energie entzogen.
schnudl
Moderator


Anmeldungsdatum: 15.11.2005
Beiträge: 6948
Wohnort: Wien

Beitrag schnudl Verfasst am: 15. Jul 2021 11:44    Titel: Antworten mit Zitat

Die Fotodiode hat diese Kennlinie (siehe Bild): bei Beleuchtung steigt der Strom in Sperrrichtung.

Wenn du die Diode bei 0V betreibst (oberes Bild) hast du eine größere Sperrschichtkapazität als bei Anlegen einer negativen Sperrspannung. Kleinere Sperrschichtkapazität bedeutet höhere Grenzfrequenz.

Der OPV dient hier lediglich als Strom-Spannungs-Wandler (Trans-Impedanz-Wandler) und ist für das Verständnis der Fotodiode nicht relevant.

Zitat:
Ist es richtig, dass der größte Unterschied einfach ist, dass man beim Elementbetrieb den Kurzschlussstrom misst und beim Betrieb Fotodiode den Sperrstrom?


Jein, natürlich ist es im Elementbetrieb der Kurzschlussstrom. Näherungsweise ist die Fotodiode eine Stromquelle, deren Kurzschlussstrom auch als (beleuchtungsabhängiger) Sperrstrom bezeichnet wird.

Klar?



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Zuletzt bearbeitet von schnudl am 15. Jul 2021 12:16, insgesamt 2-mal bearbeitet
schnudl
Moderator


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Beiträge: 6948
Wohnort: Wien

Beitrag schnudl Verfasst am: 15. Jul 2021 11:52    Titel: Antworten mit Zitat

gast_free hat Folgendes geschrieben:
und in der Diodenschaltung den Widerstand.


Bei der unteren Schaltung misst man aber nicht den differenziellen Widerstand. Man misst den Fotostrom, genau wie bei der oberen Schaltung. Der Unterschied ist, dass durch die negative Vorspannung Uv die Sperrschichtkapazität reduziert wird, was zu höherer Bandbreite führt.

EDIT: achso, jetzt weiß ich, wie du das meinst...das mit "Widerstand" zu bezeichnen ist etwas irritierend, denn die Kennlinie der Fotodiode ist hochgradig nichtlinear und nicht mal ansatzweise ohmsch. Der Zweipol ist ja eine Quelle. Hier von Widerstand zu sprechen halte ich für nicht zutreffend. Ich dachte aber zuerst, du meinst den differenziellen Widerstand.

Im Prinzip macht die Vorspannung nichts anderes, als den Arbeitspunkt der Diode festzulegen.

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hannes123



Anmeldungsdatum: 06.01.2018
Beiträge: 26

Beitrag hannes123 Verfasst am: 15. Jul 2021 12:40    Titel: Spannungwandler Antworten mit Zitat

Danke schonmal für die Antworten!

Ein paar Zusammenhänge sind mir aber noch nicht klar.

1. Die Vorzeichen verstehe ich nicht, bzw. warum gibt es überhaupt einen I_D (Fotodiodenstrom), der zu der Diode hinführt? Im Elementbetrieb ist mir das klarer, weil ich ja eine Spannung in der Richtung angeschlossen habe.

2. UA = RF*IP, das sehe ich auch so, in meinem Script steht das aber mit dem minus. (Elementbetrieb)

also 2) und 3) beide in der Richtung wie im Bild (Elementbetrieb)

3. Falls, im Fotodiodenbetrieb ein Licht einfällt, schreibst du dass der Sperrstrom als Photostrom bezeichnet werden kann. Meiner Meinung nach wirkt der Photostrom aber doch den Sperrstrom entgegen.

Beste Grüße
schnudl
Moderator


Anmeldungsdatum: 15.11.2005
Beiträge: 6948
Wohnort: Wien

Beitrag schnudl Verfasst am: 15. Jul 2021 13:14    Titel: Antworten mit Zitat

1) es handelt sich ja um eine Solarzelle. Bei dieser baut sich eine Spannung im Leerlauf auf; wenn man Strom entnimmt, sinkt die Spannung. Ein Solarmodul arbeitet nur in einem anderen Quadranten (IV) als die Fotodiode in deiner Schaltung (III unten, Grenze III-IV oben). Das Prinzip ist aber das selbe: der Fotostrom kommt durch Lichteinwirkung zustande. Du musst die Fotodiode losgelöst vom Rest der Schaltung als aktiven Zweipol betrachten. Dazu habe ich dir oben die Kennlinie geschickt.

2) Das Minuszeichen in der untersten Gleichung in deinem Skript ist falsch, wenn man die Stromrichtung so wie eingezeichnet definiert.

3) der Fotostrom hat die selbe Richtung wie der Sperrstrom.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kennlinie_Photodiode_1.png

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