IR-Lichtübertragungsverzögerungsfehler

Die folgende Schaltung besteht aus zwei IR (Infrarot) LED-Dioden; einer als Lichtsender (IR1) und der andere als Lichtempfänger (IR2). Sie haben einen Abstand von ungefähr 4 cm, sodass der Abstand hier nicht das Problem ist. Das Problem ist, dass beim Anlegen einer Rechteckwelle an die Sendediode die Empfangsdiode das gesendete Signal nicht vollständig "repliziert". Angelegte Rechteckwelle an der Sendediode führt zu einer verzerrten Rechteckwelle an der Empfangsdiode mit erheblicher Abfallzeit. Die Abfallzeit nimmt zu, wenn die Übertragungsfrequenz erhöht wird.

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Gemessenes Signal an der Empfängerdiode im Vergleich zum Signal an der Sendediode:

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In beiden Bildern wird idealerweise ein Rechtecksignal vom Funktionsgenerator an IR1 angelegt. Ein anderes Signal mit merklicher Abfallzeitsteigung ist das gemessene Signal bei IR2. Das linke Bild zeigt Messungen bei 1 kHz Rechtecksignal und das rechte Bild zeigt Messungen bei 10 kHz.

Das Hauptproblem hierbei ist, dass diese Schaltung ein Teil der Auslöseschaltung ist. IR2 wird dann mit dem Komparator verbunden. Dies bedeutet, dass, wenn sich die Steigung von IR2 mit der Frequenz ändert, der Ausgang des Komparators ein Rechtecksignal ist, dessen EIN-Zustandslänge sich mit der Frequenz ändert. Aber wenn das empfangene Signal ungefähr aus dem gesendeten Signal repliziert würde (nicht in der Amplitude, sondern in Form der Wellenform des Signals), würde ich ein solches Verhalten am Ausgang des Komparators nicht sehen.

NOTIZ:Ich habe auch versucht, die Empfangsdiode durch den IR-Optokoppler TSOP32230 zu ersetzen, der als optische Kommunikationsempfängergeräte verwendet werden soll, die mit viel höheren Frequenzen arbeiten. Seine Ausgabe hatte eine sehr niedrige Amplitude (AUS-Zustand = 50 mV, EIN-Zustand = 80 mV), aber die Wellenform des empfangenen Signals war vollständig identisch mit der gesendeten. Das Datenblatt dieses Optokopplers zeigt an, dass der Ausgang in der Amplitude viel größer sein sollte, meine Messungen ergaben jedoch unterschiedliche Ergebnisse. Das Problem hier wäre, dass, wenn ein solcher Optokoppler als Auslösegerät für meine Schaltung verwendet würde, der Komparator eine sehr stabile Referenzspannung benötigen würde, die irgendwo zwischen 50 mV und 80 mV liegen würde, um den Rest der Schaltung richtig auszulösen. Ich habe jedoch nicht das Wissen, eine solche stabile Referenzspannungsquelle zu entwerfen. Es wäre viel einfacher für mich,

Irgendwelche Ideen, wie es weitergehen soll? Kann die Abfallzeit der IR-Diode irgendwie kompensiert werden? Oder könnte etwas anderes gegen Optokoppler getan werden?

Wie stellen Sie IR2 vor?
Das Problem bei einer langsamen AUS-Zeit besteht darin, dass die Diode zu einem offenen Stromkreis für die Diodenkapazität wird und pF so langsam anspricht, während eine TIA-Last mit niedrigerer Impedanz = Rfb * C (Diode) für schnellere AUS-Zeiten, jedoch mit Umwandlung von Strom in Spannung, sorgt.
@winny Nun ... Ich habe nicht daran gedacht, es zu beeinflussen. Warum sollte ich es voreingenommen? Ich habe seine Anode (+ Pin) mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators und die Kathode (- Pin) mit Masse verbunden. Während das IR-Licht übertragen wird, gibt IR2 etwa 700 mV aus. Da kein IR-Licht übertragen wird, gibt IR2 ungefähr 400 mV aus (es geht nicht ganz auf Null, da es wahrscheinlich andere IR-Strahlung aufnimmt, die von anderen Quellen stammt). Die Referenz am Komparator (am invertierenden Eingang) wird dann mit einem Potentiometer irgendwo zwischen 700 mV und 400 mV eingestellt, um den Rest der Schaltung richtig auszulösen.
Das Vorspannen des Rx in Sperrrichtung reduziert die Kapazität für alle Dioden
Sie benötigen einen Fotodioden-Transimpedanzverstärker. Verwenden Sie auch eine echte Fotodiode. Oder einen Fototransistor. Damit die Eingangs- / Ausgangsformen tatsächlich übereinstimmen (für die analoge Verwendung), benötigen Sie so etwas wie die HCNR200 (zwei Fotodioden mit einer einzelnen LED) in einer angesteuerten Rückkopplungsschleife. Siehe Datenblatt Anwendungsschaltungen. Sie sagen auch, dass die Entfernung nicht das Problem ist, aber das liegt daran, dass 4 cm nur in Ihrer Nähe sind, aber diese haben ein Sichtfeld von 35 Grad.
Anstatt warum funktioniert dies schlecht, zeigen Sie, was Sie erwarten, und wie erkenne ich das dann?
Geschwindigkeit. Geben Sie hier die erforderlichen Zeichen ein...
@DKNguyen Ich habe den Abstand verringert, aber nur die Amplitude des IR2 wird erhöht. Sowohl IR1 als auch IR2 sind genau aufeinander gerichtet, sodass IR2 innerhalb des Strahlungswinkels von IR2 liegt. HCNR200 ist ein Optokoppler, der in einer integrierten Schaltung versiegelt ist. Ich möchte IR-Licht durch Luft übertragen.
Ändert nichts an der Tatsache, dass Sie eine TIA benötigen. So etwas wie der HNCR dient nur der Rückkopplung, sodass Sie ihn für eine lineare Ausgabe ansteuern können. Wenn Sie das nicht brauchen, können Sie die Luftübertragung verwenden.
@DKNguyen Was ist TIA? Wo verbindest du HCNR? Nach IR2? Das ergibt für mich keinen Sinn.
Genau dieser Artikel ist jetzt auf Digikey .
TIA = Transimpedanzverstärker. Lesen Sie etwas darüber. Außerdem haben Sie das HNCR-Datenblatt nicht gelesen, bevor Sie gefragt haben, wohin es führt. Ich kann sagen. Außerdem sind wir zu dem Schluss gekommen, dass es sowieso nicht funktionieren wird, da Sie eine Luftübertragung benötigen.
@winny Geschwindigkeit? Worüber redest du?
Sie haben gefragt, warum man es beeinflussen würde. Weil Sie an Geschwindigkeit gewinnen.
www.ti.com/lit/ug/tidu535/tidu535.pdf Aber lesen Sie zuerst woanders, damit Sie ungefähr verstehen, was die TIA-Schaltung tatsächlich mit der Fotodiode macht. Klingt so, als müssten Sie mehr über Fotodioden im Allgemeinen lesen. Sie scheinen eine Menge Dinge über sie anzunehmen und nur ein LED- und Fotodiodenpaar wie 2 Spulen an einem Transformator zu behandeln, aber Sie können nicht.

Antworten (1)

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Das Ersatzschaltbild der empfangenden Fotodiode auf dem Oszilloskopfoto von OP ist das linke. Ich gehe von einer direkten Verbindung zum Standard-Oszilloskopeingang aus, der typischerweise aus einem 1-Meg-Widerstand parallel zu einer Kapazität von etwa 25 pf besteht . Das Oszilloskopsondenkabel fügt etwa 100 pf hinzu.
Die Diode selbst fügt eine weitere Kapazität hinzu (geschätzt auf 30pf).
Fotoströme müssen diese parallelen Kapazitäten aufladen, wenn sie Licht sehen. Dies verlangsamt die Vorderflanke eines "Impulses".
Wenn das Licht ausgeschaltet wird, müssen sich diese Kapazitäten irgendwie entladen. In diesem Fall verläuft der Entladungspfad durch den 1M-Umfangswiderstand. Das ist eine langsame zeitkonstante RC-Entladung an der hinteren Impulsflanke.

Die billige Möglichkeit, das Zeitverhalten dieser Schaltung zu beschleunigen, reduziert die RC-Zeitkonstante durch Hinzufügen eines Parallelwiderstands (rechte Schaltung). Nun müssen Fotoströme die Eigenkapazität der Diode aufladen. Die Entladegeschwindigkeit wird verbessert, da die RC-Zeitkonstante kürzer ist.
Durch Hinzufügen von R2 (10k) sind die durch Fotoströme in R2 erzeugten Spannungen jedoch viel kleiner. Hier gibt es einen Kompromiss: Geschwindigkeit oder Empfindlichkeit? Ein Ergebnis des Gewinn-Bandbreiten-Produkts.

Eine noch schnellere Lösung spannt die Diode mit einer Gleichspannung in Sperrichtung vor. Dadurch wird seine Eigenkapazität erheblich reduziert. Mehr Komplexität. Sie werden die Geschwindigkeitsverbesserung nur bemerken, wenn andere Kapazitäten (z. B. Oszilloskop, Kabel) minimiert wurden.

Ein Transimpedanzverstärker ist noch schneller: Photodiodenströme werden an den Rückkopplungswiderstand des Operationsverstärkers angelegt, anstatt Kapazitäten zu laden oder zu entladen. Der Kondensator C1 (5pf) wird hinzugefügt, um die Übergangsflanke zu steuern: Ohne ihn „klingeln“ die Flanken, und manchmal kann die Schaltung oszillieren. Der Wert von C1 hängt vom Schaltungslayout, den Eigenschaften des Operationsverstärkers und dem für R1 gewählten Wert ab. Eine geeignete Fotodiode (anstatt einer LED) hat wahrscheinlich eine kleinere Eigenkapazität, was eine schnellere Zeitreaktion ermöglicht. LEDs sind großflächig und haben eine erhebliche Eigenkapazität.

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Die IR-LED stellt in diesem Fall also eine Stromquelle dar? Also Stromquelle am Eingang und Spannung am Ausgang macht und Verstärker Transimpedanzverstärker?
Aber wie kann ein solcher Verstärker die Entladezeit der Diode verbessern? Ich weiß, wie Operationsverstärker funktionieren, aber ich kann mir nicht wirklich erklären, was hier passiert oder warum diese Schaltung die Entladezeit der Diode verbessert.
@Keno Genau: Spannungsausgang für Stromeingang. Der Operationsverstärker hält hier die Diodengleichspannung auf null Volt. Fotoströme von der Diode haben also wenig Kapazität zum Aufladen. Die Impedanz am Eingang des Operationsverstärkers ist sehr niedrig. Halten Sie den Weg zwischen Diode und Operationsverstärker kurz.
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