¿Funciona este circuito de fotodiodo?

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Oli usó este circuito

ingrese la descripción de la imagen aquí

en una respuesta, y también aparece mucho en las imágenes de Google. ¿Pero funciona? Si lo hace, una explicación teórica será bienvenida.

stevenvh
fuente
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¿Alguien lo ha intentado realmente? He visto circuitos evolucionados que no tienen sentido pero que aún funcionan.
Rocketmagnet
@Rocketmagnet Acabo de hacer el circuito y funciona. Parece funcionar con diodos apuntados en cualquier dirección, pero el programa esquemático proporciona mejores resultados (a menos que olvide qué lado del LED es cuál).
AndrejaKo
@Rocketmagnet: también lo intenté durante la discusión de la otra pregunta . Me alegra que alguien más lo haya confirmado, gracias Andreja.
Oli Glaser
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Apuesto a que la mayoría de las personas que lo hacen de esta manera no tienen idea de por qué funciona.
Federico Russo

Respuestas:

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Según esto, el fotodiodo produce una corriente incluso cuando hay cero voltios a través de él; Es la corriente de cortocircuito . Tenga en cuenta que la dirección de referencia de en el diagrama de la pregunta es opuesta a la de I S C del diodo, por lo que el voltaje de salida es:ISISC

VOUT=-yoSRF=yoSdoRF

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Encontré lo anterior aquí .

Una pregunta razonable es cómo se puede producir una corriente con voltaje cero .

Recuerde que hay un campo E interno a través de la región de agotamiento incluso cuando los terminales del diodo están en cortocircuito. Brevemente, los EHP generados por la luz en las proximidades de la región de agotamiento están separados por el campo E, lo que resulta en una acumulación de carga en los lados P y N (así es como se desarrolla ). Un cortocircuito permite que una corriente restablezca el equilibrio de carga.VOdo

Alfred Centauri
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+1: explicaría mucho. Sin embargo, todavía quiero conservar algo de mi escepticismo: corriente y sin voltaje, ¿no estaba reservado para los superconductores? Por cierto, ¿podría dar un enlace al documento donde lo encontró?
stevenvh
@stevenvh, gracias, y agregué un enlace en mi respuesta. Recuerde que hay un campo E interno a través de la región de agotamiento incluso cuando los terminales del diodo están en cortocircuito. Brevemente, los EHP generados por la luz en las proximidades de la región de agotamiento están separados por el campo E, lo que resulta en una acumulación de carga en los lados P y N (así es como se desarrolla ). Un cortocircuito permite que una corriente restablezca el equilibrio de carga. VOdo
Alfred Centauri
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editado después de la respuesta de Alfred

El amplificador inversor clásico es así:

circuito

El fotodiodo creará una corriente, lo que provocará una caída de voltaje a través de la resistencia. Un opamp con retroalimentación negativa intentará igualar ambas entradas, por lo que la entrada inversora estará a 0 V, y la corriente a través de la resistencia creará un voltaje de salida positivo.

¿Por qué pensé que el otro circuito no funcionaría? Si el diodo crea una corriente, supondrá que también hay una caída de voltaje. Entonces, el voltaje en la entrada inversora sería mayor que cero, y el opamp, tratando de corregir eso, vería su salida hasta el riel negativo.

Sin embargo, el gráfico de Alfred muestra que la entrada puede ser reducida a 0 V por la salida. Requiere que el voltaje a través del diodo pueda bajar a cero, mientras todavía hay corriente. Aquí hay otro gráfico, de este documento , que confirma la respuesta de Alfred:

ingrese la descripción de la imagen aquí

stevenvh
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Un LED en reversa + luz crea una corriente negativa desde el cátodo al ánodo, por lo que el opamp produce una corriente positiva = voltaje a través de la resistencia para compensar.
Oli Glaser
@Oli: sí, eso es lo que digo en la respuesta también. Pero también se aplica al circuito en la pregunta. La salida se reducirá si la entrada inversora> la entrada no inversora.
stevenvh
Ya veo, sí, debería bajar si el LED está al revés, por lo que necesita un riel doble. Acabo de confirmar esto con mi configuración.
Oli Glaser
Tendré que darle un -1, ya que el circuito claramente funciona. El opamp está interesado en igualar la corriente generada por el diodo. Solo necesita establecer su salida a lo que sea necesario para hacer esto a través de Rf.
Oli Glaser
@Oli - Me resulta difícil creer que realmente funcione. Al igual que en x uA te da salida de y mV, y 2x uA te dará 2y mV de salida. Necesitaría una mejor explicación que mi descripción del funcionamiento de un amplificador inversor.
stevenvh
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El circuito en su respuesta se basa en el efecto fotoeléctrico para amplificar la fotocorriente producida por el diodo con un amplificador de transimpedancia.

El circuito en su pregunta se basa en el efecto fotovoltaico, pero la dirección actual es incorrecta (considere una célula solar con un solo diodo), y solo tiene sentido con ganancia finita (es decir, con una resistencia en serie con el cátodo). También hay una fuente de fotocorriente implícita en paralelo con el diodo.

No sé qué tan eficiente sería un fotodiodo como fuente fotovoltaica, pero sospecho que no muy.


EDITAR

Circuito amplificador fotovoltaico

Pensándolo bien, R1 no es necesario ya que incluso si el diodo está en cortocircuito, la fotocorriente seguirá fluyendo (de nuevo, considere poner en cortocircuito una célula solar).

MikeJ-UK
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@stevenvh - Sí, esto será cierto para cualquier fuente de voltaje conectada a un amplificador inversor sin resistencia de entrada.
MikeJ-UK
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@stevenvh: me acabo de dar cuenta de que un diodo fotovoltaico es realmente una fuente de corriente y no una fuente de voltaje, por lo que mi comentario anterior no se aplica.
MikeJ-UK
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Tengo la idea del circuito a continuación de p253 circuito J, "Art of Electronics", versión 1989. La nota de aplicación Sharp también utiliza una resistencia en el + Vin para un amplificador operacional y un fototransistor, pero no explica lo que hace.

Probé el circuito a continuación con y sin la resistencia inferior: no pude ver ningún efecto cuando saqué el corto sobre la resistencia inferior: ni siquiera un cambio en la ganancia. Estoy probando a pulsos de muy bajo nivel de luz, usando diodos regulares de 850 nm y 830 nm como "fotodiodos". Obtuve una detección mucho mejor cuando el "fotodiodo" se invirtió de los diagramas de esta página. Esto probablemente es importante solo en niveles de luz bajos (menos de 1 mW / cm ^ 2). Cuando el diodo se orientó como se muestra en esta página, la salida no se invirtió, en contradicción con los comentarios de todos. Tal vez los fabricantes de fotodiodos declaran que la orientación se invierte de lo que realmente es. Un condensador de 0.0001 a 0.0047 uF sobre la resistencia de retroalimentación ayudó a reducir los picos en los pulsos, pero empeoró los picos para niveles de luz muy bajos.

El uso de un fototransistor polarizado hacia atrás de 880 nm con el amplificador operacional (figura 13 en la nota de aplicación aguda) con un diodo de 830 nm que suministra la luz funcionó aproximadamente 10 veces mejor a bajos niveles de luz que el LED de 830 nm como detector si los pulsos eran más que aproximadamente 1 ms, y si se usó un condensador sobre la resistencia de retroalimentación. Parece que es posible la detección de 0.01 mW / cm ^ 2.

El amplificador operacional es JFET para corrientes de entrada muy bajas.

fotodetector muy sensible

Scott Roberts
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Que diseño Un esquema que muestre de qué está hablando aclarará su punto.
El Photon
Este diseño. Simplemente inserte 1 resistencia donde indiqué. Aquí está la nota de aplicación, figura 13. physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf
scott roberts
1. Se espera que las respuestas aquí sean completas en sí mismas. No hay un orden fijo de las diferentes respuestas, por lo que si se refiere a otra respuesta como "arriba", "abajo" o "esto", la mayoría de los lectores no sabrán de qué está hablando. Además, cuando tenga el representante, el esquema debe editarse en su respuesta. 2. No veo ninguna conexión entre + Vin y un diodo en la figura a la que te refieres, por lo que todavía no es obvio de qué estás hablando. Si hace un esquema que muestra lo que quiere decir y lo carga a Imgur o un servicio similar, podemos editar su respuesta para poner la imagen en línea.
El Photon
OK, esquema agregado a mi publicación original.
Scott Roberts
Mucho más fácil de entender lo que estás sugiriendo ahora. Pero todavía hay 0 sesgos en el fotodiodo (que es lo que OP estaba preguntando). ¿Y cuál es la ventaja en comparación con solo tener 9.4 MOhm en la ruta de retroalimentación?
El Photon
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No estoy seguro de si esto ayuda, pero acabo de probar el siguiente circuito en una placa de prueba y funciona bien. La sensibilidad no es excelente, necesita un poco de luz para registrar cualquier cosa y la respuesta no es lineal, pero definitivamente mide la cantidad de luz que le ilumina el LED blanco. La resistencia afecta la sensibilidad, más resistencia = más sensible: lo modifiqué hasta que era como lo quería, en algún lugar alrededor de 100k-300k, creo.

El voltaje en la salida alcanza un máximo de alrededor de 4v, pero creo que es una limitación de LM358.

Esquema dudoso

Charlie Skilbeck
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