MyPhotometrics: Photodiodenverstärker Pro-Version: 6 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

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Was het Sauron Plus?

Sauron Plus is de Pro-Version des 4-Kanal Photodiodenverstärkers Sauron, der mithilfe von geeigneten Photodioden die Strahlungsleistung einer Lichtquelle erfassen kann. 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 spezielle Sphäre aus LEGO zu verwenden, die de Intensität abschwächte en dait Übersättigung des Messinstruments verhinderte. Für professionele Zwecke ist diese Lösung nicht optimaal.

Die Pro-Version Sauron Plus liefert een etwa 1000-fache Erhöhung des Eingangstrombereichs met bis zu 50mA. Diese Version sieht de Anschluss von nur einer Diode vor, jedoch ist eine Messkanalerweiterung mit dem MyPhotometrics Photo-Rack realisierbar. Mit Sauron Plus is ebenfalls möglich seine Vorgängerversion zu nutzen.

Hoogtepunten:

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

Anwendungen:

• Qualitätskontroller
• Komponententests
• Lebensdauertests
• Fotometer
• Krachtmeter
• …

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. Ein Spanning-naar-frequentie-omzetter wandelt die resultierenden Spannungsspitzen zu einem Signal mit bestimmter Frequenz um. Diese Frequenz kann von dem Mikrocontroller erfasst werden. Je höher die aufgenommene Frequenz ist, desto höher ist auch der Eingangsstrom, und somit auch die gemessene Lichtintensität.

In diesem Instructable zeigen wir die Herstellung der Hardware und die Anbindung an einen geeignetten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware voor einen (snel) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) en ein Beispiel-LabVIEW™-Programm als Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labor nichts mehr im Weg.

Laten we beginnen…

Stap 1: Aufbau Und Funktion Des Boards

Die goldfarbene Buchse(1), welche an der Platinenkante befestigt ist, dient als Anschluss einer Photodiode mittels Koaxialkabel. Volgen van relais (2) dazu zwischen den Varianten Sauron (Education) und der Pro-Variante Sauron Plus zu wählen. Mithilfe des hier verwendeten Arduino Nano (3) is de dieser Schalter ansteuerbar. Der Aufbau der Education Version ist bereits in dem Instructable erklärt und befindet sich in dem grün markierten Bereich.

Für die Verwendung von Photodioden mit Signalstärken von mehreren mA ist 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 maximaal 100uA fließen. Die Ansteuerung des TIA (und damit auch die Wahl des Messbereichs) erfolgt wiederum durch de Arduino en een CMOS-multiplexer (6).

Sauron Plus mist die Strahlungsintensität mithilfe eines oszillatorischen Messverfahrens. Dazu dient der VFC (Voltage to Frequency Converter, zu deutsch auch U/f-Wander)(7). Als Referenzspannung dient die Spannungsquelle (8), die man als schwarzen Block auf der Platine erkennen kann. Sie liefert 15V die durch einen 1:1 Spannungsteiler auf die Hälfte abgesenkt werden. Die resultierenden 7, 5V dienen im folgenden Verlauf der Signalverarbeitung als „Triggerpunkt“eines Komparators der Bestandteil des VFC ist. Die Spannung liegt am „Threshold“-Eingang an. Der Komparator vergleicht diese mit der Spannung, die am „Comp_Input“-Eingang anliegt.

(Hinweis: Wo genau sich diese Eingänge befinden, lasst sich im SauronPlus.sch nachvollziehen.)

Sobald eine höhere Spannung als 7, 5V anliegt, schhaltet der VFC einen konstanten Strom, der den Kondensator C5 (9) auflädt. Zusammen mit einem Operationsverstärker (10) bildet C5 einen 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, schhaltet der VFC den Ausgangsstrom ab. Durch diesen Vorgang oszilliert die Spannung, frisdrank Ladungsspitzen erkennbar sind. Diese lassen met de Arduino Nano zählen. Bei einem maximalen Input (Full Range) van -10V am Eingang des Integrators liefert der VFC eine Frequenz von 100kHz. 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 en Potentiometer (12) zum Entfernen von Offsets, resultierend durch Kriechströme. Außerdem befinden sich mehrere Schutzvorrichtungen auf der Platine, wie beispielsweise Dioden (13), die vor zu hohen Strömen schützen. Desweiteren met Step-Down Converter (14) met Spannungsquelle von 15V die vom Arduino benötigte Versorgungsspannung von 5V en een IO-Expander (15) van Arduino weitere notwendige IO-Pins op Ansteuerung der Zahlreichen Bauteile.

Hinweis: Diese Funktionsbeschreibung ist grob zusammengefasst, da die 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

Stap 2: Benötigte Bauteile, Platine en 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 en unter "Meine Bestellungen" - "Stückliste hochladen" ausgewählt werden. Der Warenkorb wird automatisch zusammengestellt.

Der Warenkorb enthält die exakten Bauteilmengen, die für Sauron Plus notwendig sind. Wir empfehlen jedoch die Stückzahl einiger Komponenten zu erhöhen. Dies vergulde besonders bei Teilen, die bei der Verarbeitung schnell verloren gehen können (Widerstände, Kondensatoren).

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Bestel nu möglich. Alternatief einfach das Sauron+.brd file runterladen und bei einem beliebigen anderen PCB-Fertiger in Auftrag geben.

(Hinweis: Diese Platine kann auch für das Laserleistungsmessgerät als Stand-Alone-Lösung genutzt werden, da die Anschlüsse für das Display und den Joystick bereits vorhanden sind.)

Meer informatie Bauteile sind:

• Der AS89010 der Firma asm Sensoren Duitsland wird bislang direkt vom Hersteller geordert. Der Verkaufspreis (Stand mei 2017) liegt bij 6, 97€ je Einheit. Aufgrund firmeninterner Umstellungen gibt es den AS89010 allerdings schon bald bei arrow.com of futureelectronics.com.
• 2x der Arduino Nano (Nano Atmega 328P) z. B. hier für weniger als 5€ (Da nicht all Pins notwendig sind, sollte das Board keine verlöteten Steckerleisten besitzen.)

(Hinweis: Dit kan worden gedaan door een Arduino Nano voor de Board-versie, en een andere Controller voor de Messsdatenaufnahme eingesetzt werden. Dafür kan een snelle beliebiger Arduino verwendet werden. Die Anpassung der jeweiligen Pinbelegung voor de I2C-firmware Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts wurde jedoch auch hier ein Arduino Nano ausgewählt.)

• Die SMA- Buchse, die Stiftleisten (4x) und ein übriger Widerstand (1x)z. B bij mouser.de
• Koaxkabel RG174 zB. bei voelkner.de
• brige Kleinteile: 3, 3uF Kondensator (4x), das Relay en een 100uH Spule (2x) z. B. bij 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 Distributor zu bestellen Preis-Leistungs-technisch-technisch. möglicherweise nicht beachtet wird, ist hier die 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 mit dem Messsystem kompatibel. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 oder
• OSD-50-5T

Die BPX61 is die 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. bij 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 is die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt en übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die Verwendung der OSD-50 is deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professionelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Stap 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, door ansonsten das Einatmen des entstehenden Rauchs beim Erhitzen gesundheitsschädlich wirken kann. Danach sind die einzelnen Bauteile an den richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen zijn, um das Bestücken einfacher zu gestalten. Zuletzt muss die bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile en die Platine binden kann. Kleine Ungenauigkeiten in der Platzierung der Bauteile sind akzeptabel, beim Aufschmelzen der Lötpaste "zieht" die Oberflächenspannzinnung des Oberflächenspannzinnung des Oberflächenspannzinnung

Die Lötung erfolgt idealerweise mit einem professionellen 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, is vor Lötlossen" der Lötstellen eine kleinere Platine handelte, war der Lötvorgang leichter zu beobachten und zu kontrollieren. Deshalb ist diese Variante für Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile mit Steckverbindungen. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch Lötungen mit den Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

Wie die Fertigung in einzelnen Schritten aussieht, wird im Video vorgestellt

berschüssige Lötpaste führt bei SMD Bauteilen op AS89010 met een Beinchenabstand van 0,635 mm schnell op Kurzschlüssen op Löten. Normalerweise sich durch kurzes Erhitzen mit dem Lötkolben mit Hohlkehle der überschüssigen Zinn entfernen.

Wie eine Photodiode mit einem Koaxialkabel verbunden wird, kann im Instructable Sauron nachgelesen werden.

Stap 4: Kommunikation Zwischen Arduino en LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Für die grafische Darstellung der Messergebnisse lees meer over Entwicklungsumgebung LabVIEW™ verwenden. LabVIEW™ ist für Studenten en Schüler kostengünstig zu erwerben. zie hier

(Hinweis: Das UserInterface voor Sauron benötigt die Version NI LabVIEW™2016)

Voor de Kommunikation mit de Arduino is de Modul LabVIEW Interface voor Arduino über de JKI VI Package Manager voor installatie. Falls dieser noch nicht installiert ist, ist der Package Manager hier zum Download erhältlich. 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 Dateei SPLUS_RACK_4_SHUTTER.vi is te vinden in het LabVIEW™ entwickelte virtuelle Instrument SauronPlus VI. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Hinweis: Die Datei muss unbedingt in dem heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da die VI auch auf diese zugreifen muss.)

Stap 5: Kommunikatie Zwischen Arduino en LabVIEW - Konfiguration Arduino

Der Arduino muss mittels USB an den PC angeschlossen werden. Dieser Controller kontrolliert sterven Messdatenaufnahme.

Voor het programmeren van Arduino kann worden verfraaid met Open Source IDE Arduino-software die is ontwikkeld. Dit is een wichtig, dass für die Kommunikation mit dem Arduino der richtige COM - Port (USB) ausgewählt wird.

Die Datei FirmwareForBackplain.zip sluit aan op Sauron Plus met Arduino Nano notwendige Firmware. Diese Firmware is erlaubt die Konfiguration en das Auslesen der Messdaten mit der ebenfalls bereitgestellten 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 is de pinout (siehe oben) van Arduino hilfreich. Der Ausschnitt der Platine (s.o.) zeigt welche Pins miteinander verbunden werden. Dabei werden die Pins SDA, SCL en GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ muss mit dem 5V-Ausgang des Arduino Nano en INT_RDY mit dem INT0 Pin verbunden werden.

Die Firmware voor Arduino Nano, van de Platine van Sauron Plus befindet, wird in der Datei ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Die Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt.

Stap 6: Anwendung Benutzer-interface

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

Diese VI ist voor 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: schhaltet den jeweiligen Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus
• Vermogen: zeigt die auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung in W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode ist bekannt und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Golflengte: Die Wellenlänge der Lichtquelle muss bekannt sein und eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (kann je nach Mikrocontroller verschieden sein).
• Niveau dB: Auswahl der Dämpfung in dB
• Integratietijd in ms: Auswahl der Integrationszeit des Messsingals in ms
• Kalibratiebestand: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes Bestand, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Die Files sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in der Firmware des Systems verarbeitet en liegen ebenfalls in dem Ordner indem sich die VI befindet.

(Hinweis: Die Datei None pd kann ausgewählt werden um eine 1:1 Messung ohne Kalibrierung durchzuführen.)

• Detector: zeigt dann den ausgewählten Messkopf an
• Messung: begin die Messung
• Live-modus: start kontinuierliche Messung

(Hinweis: Diese Nutzeroberfläche ist nur ein Beispiel, wie Sauron Plus is geboren. Er zijn ook andere Nutzerinterfaces angepasst, um Sauron Plus je nach Bedürfnis zu verwenden.)