So verwenden Sie eine Fotodiode über einen breiten Bereich optischer Leistungen

Ich verwende eine GaAs-Fotodiode, um einen kleinen Teil des Lichts eines Hochleistungs-Infrarotlasers abzugreifen, dieses einer PID-Schleife zuzuführen und so die Intensität des Lasers zu stabilisieren. Die Sache ist nun, dass die optische Leistung durch Anlegen einer Spannungsrampe an den Sollwerteingang des PID-Reglers kontinuierlich über bis zu drei Größenordnungen (40W bis ~10mW) verändert werden muss. Leider konnte ich keinen Parametersatz für die PID-Schleife finden, für den sie über den gesamten Betriebsbereich ein vernünftiges Verhalten zeigt.

Beim Lesen über das Problem bin ich auf sogenannte Verstärker mit programmierbarer/variabler Verstärkung (Transimpedanz) gestoßen. Was haltet ihr davon, die Spannungsrampe stattdessen an den Verstärkungseingang des programmierbaren TIA zu liefern und den Sollwert am PID-Regler konstant zu halten? Auf diese Weise hat der PID-Regler ein Signal, mit dem er arbeiten kann und das eine konstante Größe hat, und - Vorsicht vor meinen begrenzten EE-Kenntnissen - das System sollte in der Lage sein, die Leistung über diesen breiten Bereich besser zu regeln? Oder hat jemand schon einmal so etwas verwendet, vielleicht für eine ähnliche Anwendung?

Natürlich begrüße ich alle anderen Vorschläge, wie man über einen so breiten Bereich optischer Intensitäten ein einigermaßen hohes Signal aus einer Fotodiode herausholen kann.

Wie ist der PID-Regler implementiert? Nur analog oder ist die Steuerung digital? Was ist die Antwort von Ihrem Fotodiodensensor, die an Ihre PID geht? Könntest du den Strahl teilen? Auf diese Weise könnten Sie mehr Fotodioden mit jeweils guter Verstärkung für eine bestimmte Teilmenge der Ausgangsleistung verwenden. Obwohl die Verwendung einer einzigen Fotodiode möglich sein sollte. Wie viel Licht erreicht tatsächlich den Sensor, wenn der Laser konstant 40 W oder 10 mW hat?
Wie groß ist der Dynamikbereich der photogenerierten Ströme? Sie haben den optischen Leistungsbereich erwähnt (fast vier Ordnungen des Dynamikbereichs), aber ich würde gerne wissen, was dies für Ihren Prozess "Eine kleine Menge Licht aufnehmen" in Bezug auf den Strom bedeutet. Können Sie auch die Idee in Betracht ziehen, das photogenerierte Licht einfach durch einen logarithmischen Verstärker zu leiten (der, wenn Sie nicht besonders wählerisch sind, nur ein BJT-Kollektor sein könnte und Sie die resultierende Basisspannung untersuchen?)
Die PID ist komplett analog. Obwohl ich die Stromwerte nicht zur Hand habe, ist es derzeit so eingerichtet, dass der Fotodiodenausgang an einen I-to-V-Stromvorverstärker gegeben wird und die Verstärkung so eingestellt ist, dass 40 W Laserleistung der maximalen Spannung von entsprechen 5V. Ich könnte sicherlich die Strahlen aufteilen und mehrere Fotodioden verwenden, aber wie würde ich zwischen den PDs umschalten, wenn ich eine lineare Rampe zwischen dem gesamten Bereich der optischen Leistung anwende und die PID-Sperre weiterhin beibehalten wird?

Antworten (1)

Wenn Sie das Licht stabilisieren, indem Sie das Detektorsignal mit einer Spannungsreferenz vergleichen, besteht das Problem darin, dass der Bereich von drei Größenordnungen bedeutet, dass Ihr Vergleich bei 40 W auf einem 5-V-Pegel liegen kann, aber auf einem 0,00125-Volt-Pegel, um 10 mW zu erreichen . Die Schleifenrauschempfindlichkeit wird bei der niedrigsten Leistung schlecht sein. Am einfachsten wäre es, einen Verstärkungsbereich durch Einfügen von Dämpfungsgliedern in den optischen Pfad zu bestimmen: Ein paar Neutraldichtefilter oder sogar kalibrierte Löcher in Lichtblenden können das abgetastete Licht reduzieren, bevor es den Sensor erreicht.

Drei Bereiche mit zwei 16-fachen Dämpfungsgliedern werden alle einem dynamischen Bereich der Schleifenfehlererkennung von 5 V bis 0,3 V zugeordnet, und selbst ein mittelmäßiger Fehlerverstärker sollte bei Signalen in diesem Bereich genaue Ergebnisse liefern.

Verstärker mit sehr geringen Stromfehlern können mit logarithmischer Verstärkungseinstellung verwendet werden, aber der Sensor selbst kann Nichtlinearitäten bei geringem Lichtpegel aufweisen, so dass dies eine weniger sichere Alternative ist. Hier siehe Abbildung 48; Q2-Polarität falsch gezeichnet ist eine logarithmische Stromquelle; summieren Sie es mit einer lichtabhängigen Stromsenke, und der resultierende Strom ist ein geeignetes Schleifenfehlersignal.

Die Verwendung eines Protokollfehlersignals ist möglicherweise ein ungeeigneter Ansatz. Da log keine lineare Funktion ist, wird der Fehler auch nicht sein, und die Schleifenverstärkung ändert sich mit dem Fehlerpegel. Dies ist (notwendigerweise) kein Problem, kann aber zu Instabilität führen, wenn der Schleifensollwert variiert wird. Wenn der Regelkreis alternativ für eine gute Reaktion bei niedrigen Sollwerten optimiert wird, ist er bei hohen Sollwerten träge.
@WhatRoughBeast: Ja, es gibt Stabilitätsbedenken. Eine kapazitive Fotodiode sollte bei niedrigen Strömen träge reagieren, was die "richtige" Richtung für Stabilität ist. Man möchte auch die Reaktion des Lasers auf das Steuersignal verstehen.
Vielen Dank für die erneute Klarstellung, dass "die Empfindlichkeit des Schleifenrauschens auf der niedrigsten Stufe schlecht ist" genau das Problem ist. Ich habe von dem Log-Verstärker gehört, gut, dass Sie aufgrund der Nichtlinearität auf Stabilitätsbedenken hinweisen. Manchmal werden Ihre Vorschläge mit mehreren PDs mit unterschiedlichen Dämpfungsgliedern verwendet. Ich kann mir jedoch schwer vorstellen, wie dies geeignet sein kann, wenn beispielsweise eine lineare Rampe über den gesamten Leistungsbereich angewendet wird: Wie kann ich zwischen den verschiedenen Fotodioden umschalten und gleichzeitig die PID-Sperre beibehalten, insbesondere wenn die Rampe nur einige Hundert dauert Millisekunden?
@A.Impertro: Wenn eine Rampe (linear, nicht logarithmisch) beabsichtigt ist, ist möglicherweise 40 W +/- 0,01 W bis 0,01 W +/- 0,01 W eine ausreichend genaue Genauigkeit? Es gibt auch elektronische Schalter, wenn Sie wirklich drei Dioden und drei Vorverstärker verwenden, kann ein Umschalten zwischen drei Steuersignalen schnell genug gehen, um nicht wahrnehmbar zu sein.
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