MyPhotometrics: Photodiodenverstärker Pro-version: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

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Var Sauron Plus?

Sauron Plus er en Pro-version af 4-kanals fotodiodenforstærkere. 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 er den bedste løsning, der ikke er optimal.

Die Pro-version Sauron Plus giver dig en 1000-fache Erhöhung des Eingangstrombereichs mit bis zu 50mA. Denne version af ansøgningen viser en diode, der kan bruges i forbindelse med MyPhotometrics Photo-Rack realisierbar. Mit Sauron Plus er en af de største muligheder for vorgängerversion i nutzen.

Højdepunkter:

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

Anwendungen:

• Kvalitetskontroller
• Komponententester
• Lebensdauertests
• Fotometer
• Effektmåler
• …

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 spænding til frekvensomformer kan resultere i, at Spannungsspitzen til enem Signal mit bestimmter Frequenz um. Denne frekvens kan af denne mikrokontroller 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 and einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware for one (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) and one Beispiel-LabVIEW ™ -Programm as Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labor nichts mehr im Weg.

Lad os begynde…

Trin 1: Aufbau Und Funktion Des Boards

Die goldfarbene Buchse (1), welche an der Platinenkante befestigt ist, should als 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 er klar til instruktioner, der kan erklæres og findes i den store markering af 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 følge følgende 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 en 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. Ved en maksimal indgang (fuld rækkevidde) fra -10V i Eingang des Integrators elsker VFC -frekvensen på 100 kHz. 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.

Vejledning: Diese Funktionsbeschreibung ist grob zusammengefasst, da the 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

Trin 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 automatisk zusammengestellt.

Der Warenkorb indeholder 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 Bestil nu mere. Alternativt kan das Sauron+.brd fil køre og lade en anden troværdig PCB-Fertiger i 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 hos 6, 97 € je Einheit. Grundlæggende firmeninterner Umstellungen gibt es den AS89010 allerdings schon bald bei arrow.com eller futureelectronics.com.
• 2x der Arduino Nano (Nano Atmega 328P) z. B. hier for weniger as 5 €

(Hinweis: Es kann bei Bedarf auch ein Arduino Nano für das Board verwendet, and another 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 wurdeeded 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 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 jegliche Art einer Photodiode with the Messsystem compatible. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 oder
• OSD-50-5T

Die BPX61 er den 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 er deshalb and aufgrundgrundreshres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Trin 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 Oberflächenspannung 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 control. Deshalb ist diese Variante for Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile mit Steckverbindungen. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch 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 fotodiode med en koaksialkabel, der kan bruges på en måde, kan jeg ikke instruere mig om, hvad jeg vil gøre.

Trin 4: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

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

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

Für die Kommunikation with dem Arduino ist das Modul LabVIEW Interface for Arduino über den JKI VI Package Manager to installieren. Fælder endnu ikke installeret, men der er pakkehåndtering her til download af oplysninger. 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 steller die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Henvisning: Die Datei muss unbedingtt in her heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da die VI auch auf diese zugreifen muss.)

Trin 5: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

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

Für die Programierung with the Arduino kan der være fri tilgængelig Open Source IDE Arduino Software verwendet werden. Det er vigtigt, at kommunikation med dem kan bruges til COM - Port (USB).

Die Datei FirmwareForBackplain.zip kan indeholde en betjening af Sauron Plus med den Arduino Nano notwendige Firmware. Denne firmware kan konfigureres og das Auslesen der Messdaten med deraf følgende berettigede 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 and GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ mus med dem 5V-Ausgang des Arduino Nano og INT_RDY med dem INT0 Pin-ord blev.

Die Firmware für den Arduino Nano, der også kan bruges af Platinum von Sauron Plus, findes i Datei ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Die Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt.

Trin 6: Anwendung Benutzer -grænseflade

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

Diese VI ist 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: den jævnlige Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus
• Strøm: Zeigt die auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung in W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode is known und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Bølgelængde: Die Wellenlänge der Lichtquelle må være kendt og eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (der kan ikke være en mikrocontroller, der ikke kan ses).
• Niveau 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: startede Messung
• Live -tilstand: startede kontinuierliche Messung

)