MyPhotometrics: Photodiodenverstärker Pro-Version: 6 Kauj Ruam (nrog Duab)

2024 Tus sau: John Day | [email protected]. Kawg hloov kho: 2024-01-30 09:27

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Puas yog Sauron Plus?

Sauron Plus ist die 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, tuag Intensität abschwächte und damit eine Übersättigung des Messinstruments verhinderte. Rau cov kws tshaj lij Zwecke ist diee Lösung nicht optimal.

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

Cov ntsiab lus tseem ceeb:

• Eingangsstrombereich 20 nA - 50mA ·
• Auflösung 10-20 Ntsis
• Kev sib xyaw ua ke 1 - 1024 ms

Ua tsis tau:

• Qualitätskontroller
• Komponententests
• Lebensdauertests
• Duab ntsuas
• Lub hwj chim ntsuas
• …

Tuag Messung der Strahlungsintensität erfolgt weiterhin über eine Photodiode, tuag einfallendes Licht hauv einen messbaren Strom umwandelt. Tuag weitere Verarbeitung tuag Stromsignals ermöglichen mehrere Bausteine, tuag zusammen ein oszillatorisches Messverfahren erlauben, das einen deutlich höheren Eingangsstrombereich liefert. Durch tuag spezielle Verschaltung eines Kondensators, oszilliert tuag über ihn abfallende Spannung hauv einer Frequenz, tuag je nach Eingangsstrom variiert. Ein Voltage rau Zaus Hloov pauv wandelt tuag resultierenden Spannungsspitzen zu einem Teeb liab mit bestimmter Frequenz um. Diese Frequenz kann von dem Mikrocontroller erfasst werden werden. Je höher tuag aufgenommene Frequenz ist, desto höher ist auch der Eingangsstrom, und somit auch tuag gemessene Lichtintensität.

Hauv cov lus qhia zeigen wir tuag Herstellung der Hardware und die Anbindung an einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware für einen (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) und ein Beispiel-LabVIEW P -Program als Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labour nichts mehr im Weg.

Cia peb pib…

Kauj Ruam 1: Aufbau Und Funktion Des Boards

Tuag goldfarbene Buchse (1), welche an der Platinenkante befestigt ist, dient als Anschluss einer Photodiode mittels Koaxialkabel. Folgend dient ein Relay (2) dazu zwischen den Varianten Sauron (Kev Kawm) und der Pro-Variante Sauron Plus zu wählen. Mithilfe des hier verwendeten Arduino Nano (3) ist dieser Schalter ansteuerbar. Der Aufbau der Education Version ist bereits in dem Qhia paub erklärt und befindet sich hauv 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 maximal 100uA fließen. Tuag Ansteuerung des TIA (und damit auch die Wahl des Messbereichs) erfolgt wiederum durch den Arduino und einen CMOS Multiplexer (6).

Sauron Plus misst tuag Strahlungsintensität mithilfe eines oszillatorischen Messverfahrens. Dazu dient der VFC (Voltage rau Zaus Hloov, zu deutsch auch U/f- Wandler) (7). Als Referenzspannung dient tuag Spannungsquelle (8), tuag txiv neej als schwarzen Thaiv auf der Platine erkennen kann. Sie liefert 15V tuag dhuav einen 1: 1 Spannungsteiler auf die Hälfte abgesenkt werden. Cov txiaj ntsig tuag 7, 5V dienen im folgenden Verlauf der Signalverarbeitung als "Triggerpunkt" eines Komparators der Bestandteil des VFC ist. Tuag Spannung liegt am "Threshold" -Eingang an. Der Komparator vergleicht diese mit der Spannung, tuag yog "Comp_Input" -Eingang anliegt.

(Hinweis: Wo genau sich diese Eingänge befinden, läst 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) bildet C5 einen Integrator. Fließt jetzt Strom aus dem TIA, wechselt tuag Eingangsspannung des Integrators tuag Polarität und der Kondensator entlädt sich. Tuag 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 tuag Spannung, sodass Ladungsspitzen erkennbar sind. Diese lassen sich mit dem Arduino Nano zählen. Bei einem maximalen Input (Full Range) von -10V am Eingang des Integrators liefert der VFC eine Frequenz von 100kHz. Da mit steigender Stromstärke das Entladen des Kondensators beschleunigt wird, spiegelt sich tuag Stromstärke hauv 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 durch Kriechströme. Außerdem befinden sich mehrere Schutzvorrichtungen auf der Platine, wie beispielsweise Dioden (13), tuag vor zu hohen Strömen schützen. Desweiteren liefert ein Step-Down Converter (14) aus der Spannungsquelle von 15V tuag ntus Arduino benötigte Versorgungsspannung von 5V und ein IO-Expander (15) dem Arduino weitere notwendige IO-Pins zur 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, thiab lwm yam Segenden besuchen:

• U/f_Wandler
• Kev lees paub rau lub dav hlau LM331AN data

Kauj Ruam 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, tuag großteils bei dem Anbieter Farnell erhältlich sind. Los ntawm Hochladen des bereitgestellten Warenkorbs ist eine Sau npe auf der Seite www.farnell.de notwendig. Jetzt muss tuag Datei BOMPLUS.xlsx heruntergeladen und unter "Meine Bestellungen" - "Stückliste hochladen" ausgewählt werden. Der Warenkorb wird automatisch zusammengestellt.

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

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Order now möglich. Alternativ 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.)

Tsis txhob hnov qab Bauteile sind:

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

(Hinweis: Es kann bei Bedarf auch ein Arduino Nano für das Board verwendet, und ein anderer Controller für die Messdatenaufnahme eingesetzt werden. Dafür kann ein fast belbiger Arduino verwendet werden. Die Anpassung der jeelilen Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts wurde jedoch auch hier ein Arduino Nano ausgewählt.)

• Tuag SMA- Buchse, tuag Stiftleisten (4x) thiab ein übriger Widerstand (1x) z. B bei mouser.de
• Koaxialkabel RG174 zB. yog voelkner.de
• Igebrige Kleinteile: 3, 3uF Kondensator (4x), das Relay und eine 100uH Spule (2x) z. B. peb digikey.de

(Hinweis: Sicher gäbe es einige Bauteile, tuag hier ntxiv aufgeführt sind, auch bei farnell.com. Allerdings sind die Bauteile yog li gewählt, dass sich der Aufwand bei unterschiedlichen Distributoren zu bestellen Preis-Leistungtus dehich möglicherweise nicht beachtet wird, ist hier tuag Abweichung eines Bauteils ntuav angegebenen Messwert hauv Prozent. Tuag ist ein Qualitätsmerkmal, nyob hauv manchen Bereichen der Schaltung von Sauron Plus nicht zu umgehen ist.)

Prinzipiell ist jegliche Art einer Photodiode mit dem Messsystem kompatibel. Wir empfehlen tuag Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 oder
• OSD-50-5T

Tuag BPX61 ist tuag kostengünstige Lösung, tuag rau einfache Anwendungen und Versuche ausreicht.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, tuag 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. bei 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 und übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Tuag Verwendung der OSD-50 ist deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professionelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Kauj Ruam 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 tuag einzelnen Bauteile thiab den richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen werden, um das Bestücken einfacher zu gestalten. Zuletzt muss tuag bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile an die Platine binden kann.

Tuag 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 hauv Daim ntawv 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 derch" eine kleinere Platine handelte, tsov rog der Lötvorgang leichter zu beobachten und zu kontrollieren. Deshalb ist diese Variante für Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile nrog Steckverbindungen. Tuag 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

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.

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

Kauj Ruam 4: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Rau qhov tuag grafische Darstellung der Messergebnisse lässt sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW ™ verwenden. LabVIEW ™ ist für Studenten thiab Schüler kostengünstig zu erwerben. lwm hier

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

Für die Kommunikation mit dem Arduino ist das Modul LabVIEW Interface rau Arduino denber den JKI VI Tus Thawj Tswj Pob Zu installieren. 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. Tuag darin enthaltene Datei SPLUS_RACK_4_SHUTTER.vi beinhaltet das mit LabVIEW ™ entwickelte virtuelle Ntsuas SauronPlus VI. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Hinweis: Tuag Datei muss unbedingt hauv dem heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da tuag VI auch auf diese zugreifen muss.)

Kauj Ruam 5: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

Der Arduino muss mittels USB ntawm lub PC PC angeschlossen werden. Dieser maub los tswj hwm kev tuag Messdatenaufnahme.

Rau qhov kev tuag Programmierung mit dem Arduino tuaj yeem tuag frei verfügbare Open Source IDE Arduino Software verwendet werden. Es ist wichtig, dass für die Kommunikation mit dem Arduino der richtige COM - Chaw nres nkoj (USB) ausgewählt wird.

Tuag Datei FirmwareForBackplain.zip beinhaltet die zum Betrieb von Sauron Plus mit dem Arduino Nano notwendige Firmware. Diese Firmware erlaubt die Konfiguration und das Auslesen der Messdaten mit der ebenfalls bereitgestellten LabVIEW ™ -VI. Tuag Datei Sauron.ino wird auf den Controller geladen, der die Messdatenaufnahme kontrolliert.

Der Arduino muss dann, z. B. mithilfe von poj niam-poj niam 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 tuag Pins SDA, SCL thiab GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ muss mit dem 5V-Ausgang des Arduino Nano und INT_RDY mit dem INT0 Pin verbunden werden.

Tuag Firmware für den Arduino Nano, der sich auf der Platine von Sauron Plus befindet, wird in der Datei ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Tuag Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt.

Kauj Ruam 6: Anwendung Benutzerinterface

Nach dem Laden der Sauron PLUS VI lassen sich hier über das Benutzerinterface tuag 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: schaltet den jeweiligen Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus
• Lub zog: zeigt tuag auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung hauv W (Voraussetzung: Tuag Empfindlichkeit der Photodiode ist bekannt und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Wavelength: Tuag Wellenlänge der Lichtquelle muss bekannt sein und eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (kan je nach Mikrocontroller verschieden sein).
• Qib dB: Auswahl der Dämpfung hauv dB
• Lub sijhawm sib koom ua ke hauv ms: Auswahl der Integrationszeit des Messsingals hauv ms
• Calibration File: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes File, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Tuag Cov ntaub ntawv sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in der Firmware des Systems verarbeitet und liegen ebenfalls in dem Ordner indem sich die VI befindet.

(Hinweis: Tuag Datei Tsis muaj pd kann ausgewählt werden um eine 1: 1 Messung ohne Kalibrierung durchzuführen.)

• Ntes: zeigt dann den ausgewählten Messkopf an
• Messung: pib tuag Messung
• Hom Nyob: pib ua txuas ntxiv Messung

(Hinweis: Diese Nutzeroberfläche ist nur ein Beispiel, wie Sauron Plus angewendet werden kann. Es können auch andere Nutzerinterfaces angepasst werden, um Sauron Plus je nach Bedürfnis zu verwenden.)