Funktioniert diese Fotodiodenschaltung?

Oli benutzte diese Schaltung

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

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_S$$I_{SC}$

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

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.$V_{OC}$

bearbeitet nach Alfred's Antwort

Der klassische invertierende Verstärker sieht folgendermaßen aus:

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:

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

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).

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.

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.