Для проведения различных экспериментов потребовался образцовый измеритель пульсаций.
В приоритете — максимально возможная точность.
Предыдущий обзор на подобную тему —
Усилитель для фотодиода с расширенным частотным диапазоном.
Прежняя схема, собранная на скорую руку, уже давно канула в лету.
1. Постановка задачи (ака техническое задание):
1.1 Диапазон рабочих частот от 0 до 20 кГц
1.2 Схема должна быть малошумящей, чтобы результаты были пригодны для использования в спектроанализаторе SpectraLab
1.3 Питание схемы предпочтительно однополярное +5..12 В.
Список сокращений и других непонятных слов, встречающихся в тексте:
ФД — фотодиод
ИК — инфракрасный (диапазон)
ОУ — операционный усилитель
ПП — печатная плата
БП — блок питания
ЛН — лампа накаливания
СДЛ — светодиодная лампа
ООС —
отрицательная обратная связь
Элементная база (фотоприёмники):
Подделка под оригинальные Vishay BPW21R, TEMT6000, отечественные ФД-263-01 и ФД26К.
ОУ:
2. Теория
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1 (1986)
«Слегка» поподробней в англоязычном источнике:
Филипп С. Д. Хоббс (Philip C. D. HOBBS) Усилители для фотодиодов на операционных усилителях
Полный вариант статьи на английском — около 50 страниц (очень полезно читать перед сном).
Рекомендуемые операционные усилители:
3. Первый вариант схемы, который заработал.
Была использована готовая ПП со сверхмалошумящим ОУ OP27:
Схема:
Конденсатор C1 необходим, чтобы убрать выбросы на фронтах.
Питание — как положено: двухполярное стабилизированное +-15В от сетевого БП.
Минус схемы всего один: перед использованием необходимо присоединять проводочки к лабораторному БП.
Я поторопился, отказавшись от OP27. Тем самым неслабо усложнил себе жизнь…
4. Схема на LF351N с однополярным питанием 12 В
была собрана на какой-то печатной плате
Казалось бы, что тут может не работать?
Ну ладно, наводка 50 Гц и гармоники понятно из-за чего.
А «расчёска» откуда?
Включаю осциллограф, смотрю выход LF351N:
Что за чертовщина?
Крутанул развёртку до 400 нс:
[ Удалено цензурой ]
Нарваться на генерацию 925 кГц
скорректированного ОУ — ну надо же, а!
Всё, LF351N отправляется «в сад».
5. OPT101
Прекрасное изделие от Texas Instruments:
Ну-с, попробуем.
Заявлено, что работает от 2,7 В, полоса пропускания до 14 кГц.
Сборка:
Цоколёвка нестандартная, поэтому пришлось резать печатные проводники и придумывать перемычки.
Питание — 5 В от повербанка (попробую, а там видно будет).
Корпус — от канцелярского корректора:
Это типа 2в1: молочный рассеиватель и корпус одновременно.
Дополнительная информация
На свет появилась вот такая зверушка:
Питание — от повербанки 5В, пара проводочков — выход OPT101.
Да, корпус, распечатанный на 3д принтере
из жёлтого пластика был бы кстати, но помощи ждать не от кого.
А 3д принтер в хозяйстве отсутствует.
Испытание схемы дешёвым фонариком:
Немного растянул, чтобы рассмотреть фронт:
Хитрый производитель не просто так умолчал про скорость нарастания выходного напряжения:
по факту SR всего
0,075 В/мкс.
С такой «скоростью» полосы 14 кГц не получится, т.к. частотная коррекция ОУ OPT101 — встроенная.
Согласно формуле
получается полоса всего 8 кГц.
И это совсем без коэффициента запаса, который д.б. хотя бы 2..3.
Выражаясь простыми словами, на частотах выше 6-8 кГц операционник OPT101 остаётся без ООС,
т.е. о точности работы такой схемы можно не вспоминать.
Подробно о скорости нарастания (SR):
Примечание: разница по скорости нарастания OPT101 и операционника 741 — грубо 6х (6-кратная).
Для коэффициента запаса 2,0 по скорости нарастания
частотный предел для OPT101 всего 3-5 кГц. ((
Таким измерителем пульсаций можно только лампы накаливания тестировать. Ну спасибо.
А вот СДЛ с ШИМ 5-10 кГц и выше — дудки.
ВЫВОД (ака совет экспериментаторам): если и покупать OPT101, то только чтобы поиграться. ;P
И для люксметров оно не годится из-за пика в ИК области.
Так что се ля ви.
6. Отечественный ОУ КР544УД1А
Против OPT101 на ринг выходит легенда отечественной микроэлектроники — ОУ кр544уд1а.
Печатная плата размещена в пластиковом корпусе серии «Z»:
Слева — гнездо подключения ФД (под джек 3,5мм), справа гнездо подключения БП 12..24В.
Выходной кабель — также с джеком ф3,5мм.
На фото можно заметить Rоос=20 кОм и ёмкость 200 пФ.
Немного ошибся с расчётами, поэтому номиналы цепи обратной связи были скорректированы:
Rоос=51 кОм и ёмкость 47 пФ (полоса 63 кГц по уровню -3 дБ).
Испытание схемы:
Примечание: с фотодиодом от HS1010A выходной сигнал схемы отрицательный.
Скорость нарастания 0,25 В/мкс:
Словом, до 20 кГц схемка сгодится, если полный размах сигнала в пределах 3 Вольт.
Измеритель пульсаций получается путём сборки нескольких «частей»:
— осциллограф
— комп, к которому подключается usb осциллограф
— мультиметр
— собственно схемы с фотоприёмником
— аккумулятор 12 В (питание схемы)
В общем, эдакий огород. Но никто не обещал карманный вариант.
Функции измерения и отображения возложены на следующие приборы:
— вольтметр постоянного напряжения (мультиметр)
— осциллограф (форма сигнала и напряжение от пика до пика)
— программный спектроанализатор SpectraLab
7. ЛН 60 Вт
Питание от сети ~220V 50 Гц, осциллограмма:
Выход ОУ по постоянке 2,44 В
Кп = 0,5 * 0,465 / 2,44 =
0,095 ( 9,5 % )
Спектрограмма:
Питание через диод (однополупериодный выпрямитель), осциллограмма:
Выход ОУ по постоянке 2,20 В
Кп = 0,5 * 1,36 / 2,2 =
0,309 ( 31 % )
Спектрограмма:
Питание ЛН 60 Вт через диодный мост: результаты полностью совпали со штатным питанием 220В.
Поэтому картинки не привожу.
ЛН 60 Вт со
схемой выпрямления и сглаживания сетевого напряжения, осциллограмма:
Выход ОУ по постоянке 2,44 В
Кп = 0,012 / 2,44 = 0,005 ( 0,5 %, ровно в 2 раза меньше, чем показания
аналогового измерителя пульсаций,
который показал 1%, т.к. «считает» не по гостовской формуле, из-за чего показание удвоенное).
Спектрограмма:
Примечание: все спектрограммы не «в масштабе», т.к. приходилось подстраивать чувствительность входа LineIn в микшере системы.
8. ЛН 40 Вт
Питание штатное ~220V 50 Гц
Осциллограмма:
Выход ОУ по постоянке 2,48 В
Кп = 0,5 * 0,565 / 2,48 =
0,114 (11,4 % )
9. СДЛ Winix 10W
Питание штатное ~220V 50 Гц
Осциллограмма:
Выход ОУ по постоянке 2,11 В
Кп = 0,5 * 0,153 / 2,11 =
0,036 ( 3,6 % )
Обратите внимание на частоту: 58 кГц, т.е. для схемы на к544уд1а это на пределе возможностей.
10. Некоторые выводы:
— специализированная микросхема OPT101 годится только для низких частот
— для измерений коэффициента пульсаций разных СДЛ желательно иметь схему с полосой до 100 кГц
— спектроанализатор полезен только для НЧ измерений (например, ЛН)
— для наблюдения формы сигнала от СДЛ необходим осциллограф
— сделать универсальную схему преобразователя I->U
для любых фотодиодов не получится, т.к. каждый ФД имеет свою ёмкость p-n-перехода, что влечёт за собой изменение частотной коррекции в обвязке ОУ; поэтому если идёт борьба за низкие шумы, устойчивость и полосу пропускания придётся поискать оптимальный вариант ОУ+ФД
— корпус устройства должен быть металлическим (100% экранирование), т.к. при резисторе более 10 кОм в цепи ООС схема с удовольствием ловит сетевую наводку 50 Гц
— размещение ФД также должно быть в экранированном корпусе рядом с ОУ
— для снижения ёмкости p-n-перехода фотодиода можно использовать обратное напряжение несколько вольт
Одним словом, чтобы собрать качественный измеритель пульсаций ОУ+ФД, придётся немало повозиться.
Но оно того стОит.
А для начинающих можно рекомендовать
люменвокс АФАП-1
Всё-таки, несколько паек и всего две радиодетали — это по плечу любому желающему.
Всем удачных экспериментов!
Дополнение от 23.02.2022
Вот уже 2-й раз всплывает вопрос, откуда в световом потоке ЛН присутствуют гармоники 200 Гц и выше?
Провёл моделирование в Мультисиме:
Модель
упрощённая:
— не учитывается тепловая инерция ЛН
— полагается, что световой поток пропорционален потребляемой мощности
Резистор R1 — измерительный шунт (1 Ом),
перемножитель А1 — вычислитель мощности (перемножение значения тока на напряжение).
Осциллограмма:
График зелёным цветом — форма тока через R1,
график голубым цветом — мощность (не в масштабе по Y).
Легко заметить, что график мощности — не синусоида.
Вот оттуда и гармоники. )))
в свою очередь 544-й уступает по параметрам более новому ОУ THS4601
просто для поставленной задачи достаточно именно к544уд1
И если То зачем тогда их сравнивать?
но если без шуток, то обычному радиолюбителю доступны:
— недорогие компоненты с али\ebay
— отечественная элементная база (олх, авито и т.д.)
недорогих фотоприёмников не так уж и много (грубо десяток +- )
поэтому сравнение одного доступного решения (544уд1+ФД) с другим доступным (OPT101)
— малый входной ток (5 пА у к544уд1, т.е. с полевиками на входе)
— максимально устойчивый (д.б. внутренняя частотная коррекция до единичного усиления)
— доступность (в наличии пакетик с 20-30 шт.)
у меня в доме в основном отечественная элементная база «возрастом» более 25 лет
вот и использую, что есть
У них даже экран вокруг был иногда.
в экране стоит микросхема, которая принимает кодированные пакеты
«несущие» частоты разные (33 кГц, 36кГц, 38 кГц и др.)
подробности есть по ссылке
каждый приёмник «заточен» под свою частоту: на входе пакеты определённой частоты, на выходе — уже готовые импульсы для процессора
за пределами своих частот трёхвыводные фотоприёмники слепы (чтобы другие команды не ловить)
ну и конечно же, корпуса фотоприёмников — из пластика, который пропускает ИК диапазон
а видимый диапазон и особенно пульсации в видимом диапазоне эффективно подавляются
Но ИК-засветку от ЛН и ЛЛ (с электронным и ЭМ балластами) он отличает, ещё в паспорте.
TSOP321.., TSOP323.., TSOP325.., TSOP341.., TSOP343..,
Vishay Semiconductors
В более древних ТВ «Горизонт» была менее интегрированная схема приёмника.
вот и использую то, что осталось в запасах
Ошибку сами исправите?
но скорость нарастания, заданная внутренней частотной коррекцией на кристалле, остаётся без изменений
поэтому уменьшение резистора ОС — пустая трата времени
лет эдак 25 назад я пытался собрать фотоприёмник для пульта ИК ДУ
в наличии были 544уд2
естественно, я посчитал, что шустрые ОУ — это круть, собрал схему
а она слепая, хоть что делай
игрался с цепями ОС, частотку менял, 2-й ОУ поставил
нет чувствительности, хоть застрелись
собрал обычный ПИ-5, пересчитав все элементы под питание 5В
и всё заработало
т.е. операционникам банально не хватало скорости
особенно из-за ёмкости pn-перехода фотодиода приколы начинаются
прицепом эта ёмкость меняется динамически (надо обратное смещение городить, чтобы её застабилизировать)
в конечном итоге проще вообще отказаться от ОУ и готодить усилитель на россыпухе с местными обратными связями, чтобы не было общей ООС
и динамических искажений
сейчас меня интересует вот этот хвостик на характеристике:
специально никто не делал )))
во 2х, корректность расчёта Кп в той схеме для сложной формы импульсов — бАльшой вопрос
в 3х, частотные свойства схемы на процессоре — 2й большой вопрос
для измерений совсем не годятся
фоторезисторы пригодны для пороговых устройств: реле освещения и подобн.
ещё не все фотодиоды протестированы
Если немного повысить напряжение питания, то результат совпадет с данными ДШ. Где и чего схотрил производитель… остается загадкой.
― Потерпи, я два вечерних платья надевала, еще два осталось.
Насколько понял лепить фотоприемники для ловли пульсаций ламп очередное хобби. Для тех кто хочет этим в магазине пользоваться, надо ещё с собой кожух таскать, хоть коробку чтобы отсечь засветку и пульсации от светильников в магазине, а то биения всю картину смажут :)
А ВЧ — пофигу.
Мы сейчас доделываем портативный «народный измеритель пульсации света».
Прибор одновременно показывает два коэффициента пульсации (по формуле ГОСТ и по упрощённой формуле). На экране отображаются две осциллограммы: внизу основная, вверху увеличенная (только сама пульсация). Дополнительно отображается уровень фоновой засветки, минимальный и максимальный уровни освещённости в условных единицах, масштаб верхней осциллограммы.
Может быть нам объединить усилия?
Откуда там такой лес гармоник? В лн этого нет. И в сети таких помех нет
Да не надо ничего искать. В любом нормальном фотодиоде в даташите есть схема применения с оу
www.vishay.com/docs/84154/appnotesensors.pdf
www.osioptoelectronics.com/application-notes/AN-Optical%20Communication%20Photodiodes%20and%20Receivers.pdf
пример с большой полосой
www.analog.com/media/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0272.pdf
«И в сети таких помех нет»
да, почти верно, т.к. в сети синус
«Откуда там такой лес гармоник?»
ЛН «мигает» на каждую полуволну
поэтому её питание синусом равно питанию после диодного моста (без сглаживающего конденсатора)
разложение в ряд Фурье сигнала (после диодного моста) — это не 100 Гц, а 100 Гц + куча гармоник
ЛН не способна полностью сгладить пульсации за счёт тепловой инерции нити накала, поэтому "+ куча гармоник" вылазят в виде светового потока
синим цветом sin(x) — это одна полуволна питающего напряжения
красным цветом sin(x)*sin(x) — квадрат напряжения (для одной полуволны)
если бы ЛН была линейным элементом, то всё было бы ОК
Но вольт-амперная характеристика (ВАХ) лампы накаливания выглядит примерно так:
Т.е. очень хар-ка НЕЛИНЕЙНА.
Световой поток (в 1-м приближении) пропорционален потребляемой мощности ЛН в каждый момент времени.
Т.о. Световой поток пропорционален sin(x)*sin(x)/R(x)
где R(x) — нелинейное сопротивление вольфрамовой нити в зависимости от напряжения
элементомизлучателем света)www.radiokot.ru/konkursCatDay2014/47/
Во 2-х, схема содержит ошибки.
В 3-х, количество повторивших схему с момента публикации (2014 год) равно
нулюодномуна форуме видны лишь сообщения «я купил детали» и «что-то там не работает»
это знаю точно, потому что s12sd протестированы лично
какие показания Кп на проверенных источниках (например, ЛН 60 Вт)?
думаю, многим будет интересно
Вам не кажется, что богатый спектр с фотоприёмника — следствие его нелинейности?
ps
Сборка ФД+ОУ — сверхлинейна (5-7 декад!)
Если сделать схемку, с выходом помощнее и уровнем около 5 вольт, то можно использовать экранчики продвинутых USB — докторов ( с «осциллографом»). Они форму и уровень пульсаций покажут. Навеяло картинкой «народного измерителя» чуть выше от Ammo1
И «бабахать» импульсами 2кВ по входу.