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Detection Lumiere via photodiode BPW21R



  1. #1
    Fortare

    Detection Lumiere via photodiode BPW21R


    ------

    Bonjour à tous,

    Ce sujet fait suite au sujet que j'avais posté il y a plusieurs mois déjà :

    https://forums.futura-sciences.com/e...ml#post6554088

    J'ai réalisé mon circuit et effectuée les premiers tests. Dans un premier temps, tout fonctionnait assez bien ( même si la sensibilité de la photodiode n'était pas la meilleure). Concernant la photodiode, j'ai utilisé le BPW21R de Vishay Semiconductors.

    Schema du circuit :

    Circuit 1.png

    Mais j'ai eu un souci sur la sortie de l'Aop au bout de 3 heures de mesure. La sortie de l'Aop ne commute plus en collecteur ouvert lorsqu il n’y a pas de lumière. J'ai donc controlé toutes les tensions aux bornes de la photodiode dans 3 cas distincts.

    Lorsque la photodiode est éclairée par :

    - Aucune lumière, la tension aux bornes de la photodiode est 3 V environ ( la résistance mesurée de la photodiode est de quelque MOhm environs). La sortie de l aop devrait etre 5 V mais ce n est plus le cas.
    - Lumière ambiante, la tension aux bornes de la photodiode est 2.3 V environ ( la résistance mesurée de la photodiode est de 700 kOhm environs).
    - Lumière rouge de forte intensité, la tension aux bornes de la photodiode est -0.4 V environ ( la résistance mesurée de la photodiode est de 40 kOhm environs).

    Pourquoi j'ai une tension négative à aux bornes de la photodiode lors d'une forte exposition de lumière ? Je pense que cette tension a abimé l'AOP car la tension minimum de sécurité en entrée de l'AOP est de -0.3V.


    Mon schéma pose-t-il soucie ?
    Merci beaucoup,

    Fortare

    -----

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  3. #2
    penthode

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    hello
    une photodiode n'est pas la bonne soluce pour un simple détecteur de lumiére.
    Le diable ne réussit pas grand-chose sans la collaboration étourdie des vertus.

  4. #3
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Oui, j'aurais pu passer par une LDR mais c'est trop lent pour mon application ( je voudrais détecter des flashs de lumiere rouge).
    Il est vrai que j'aurais pu passer par un phototransistor pour plus de sensibilité mais mon choix s'est d'abord portee sur une photodiode.

  5. #4
    titijoy3

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    la photo diode s'est comportée en générateur ?

    il serait peut être nécessaire de placer un filtre devant la photodiode pour atténuer les flashs ? des lunettes de soleil quoi ?
    Dernière modification par titijoy3 ; 30/09/2020 à 10h19.

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    penthode

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    vue l'impédance appliquée à l'entrée + 5,6 meghoms !

    le comparateur a pu prendre une claque en cas de manipulation hasardeuse
    Le diable ne réussit pas grand-chose sans la collaboration étourdie des vertus.

  8. #6
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    La capa de 100 nF et la 5.6 MOhm limitent très fortement la bande passante du montage (à la louche : 300 mHz).
    - Aucune lumière, la tension aux bornes de la photodiode est 3 V environ ( la résistance mesurée de la photodiode est de quelque MOhm environs). La sortie de l aop devrait etre 5 V mais ce n est plus le cas.
    la mesure est probablement fortement parasitée par l'impédance d'entrée de 10MOhm du voltmètre. Cette résistance et la 5.6 MOhm créent un pont diviseur expliquant les 3 V mesurés : 3 ~ 5 * (10M)/(10M+5.6M)

    Pourquoi j'ai une tension négative à aux bornes de la photodiode lors d'une forte exposition de lumière ? Je pense que cette tension a abimé l'AOP car la tension minimum de sécurité en entrée de l'AOP est de -0.3V.
    Ce n'est ici pas un problème : le courant disponible, associé aux protections internes du comparateur, était suffisantes pour le protéger.
    Possible cependant qu'une fausse manipulation l'ai détérioré (comme déjà signalé).

    Note aussi que le LM393 ne fonctionn e pas avec des tensions d'entrée > 3.5 V (pour une alim de 5 V). Ca devrait être ok ici.
    voir : https://forums.futura-sciences.com/e...tml#post304524 (post 2, point 3) et la datasheet https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm393-n.pdf

    la résistance mesurée de la photodiode est de quelque MOhm environs
    la résistance mesurée de la photodiode est de 700 kOhm environs
    la résistance mesurée de la photodiode est de 40 kOhm environs
    Le composant était très non-linéaire, ces valeurs n'ont guère de sens.

    Une LDR est le plus simple à utiliser, mais si la bande passante est trop faible , un photo-transistor remplacera avantageusement la photo-diode.
    Quelle est la bande passante requise ?
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

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  10. #7
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    titijoy3 : Je prefere eviter d utiliser un filtre en plus, mon but est vraiment de detecter tout flash de lumiere. Mon application, c est d envoyer un signal TTL des que la photo diode detecter un flash lumineux d un appareil de detection de champs EM.

    penthode : Justement, ce que j ai du mal a comprendre, pourquoi tu forte impedance en entree peut deteriorer l AOP en cas de mauvaise manipulation ?

    Antoane :
    * Ha donc c est peux etre ca qui explique pourquoi les flashs sont pas tres bien detectees par le circuit. Je me demandais justement si la capacitee etait vraiment necessaire ? Cela pourrait eviter ce probleme de bande passante avec la resistance de 5MOhm.
    * Sachant que un flash en moyenne c est 1/1000 secondes, je pense que une bande passante de 20 kHz est suffisant pour avoir un peu de marge.
    * Pour l ampliop, oui j aurai du me diriger vers un AOP rail to rail mais cela semble fonctionner quand meme car je depasse pas souvent 3.5 V en cas d obscuritee. J espere que cela ne va pas causer de problemes, j y penserai la prochaine fois !
    * En effet, c est vrai qu il m est difficile de conclure par des mesures car l impedance de 5MOhm semble fausser toutes mes mesures. Je suis obligee de prendre une valeur de resistance assez grande car la diode presente une forte impedance lorsqu il y a obscuritee. Je pourrais me diriger vers ce photo transistor SFH 300-3/4 Osram Opto mais je voudrais eviter car ca me ferait changer tout mon plan mecanique.

  11. #8
    jiherve

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,
    encore et encore une photodiode peut s'utiliser de 2 façons :
    Courant de fuite inverse c'est le mode le plus lineaire ayant aussi la plus grande dynamique usage :mesure
    photovoltaique çà reste lineaire mais sur une toute petite dynamique usage: energie
    Si donc la source censée polariser la diode en inverse n'a pas une sortance suffisante alors le photovoltaique prend le dessus et la tension aux bornes de la diode s'inverse.
    JR
    l'électronique c'est pas du vaudou!

  12. #9
    Qristoff
    Animateur Électronique

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Salut, Vishay propose une note d'application https://www.vishay.com/docs/84154/appnotesensors.pdf
    Tout existe, il suffit de le trouver...!

  13. #10
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Merci beaucoup pour votre aide.

    Je vais rester pour l instant sur ma solution de la photodiode mais retirer la capacitee de decouplage pour eviter la diminution de la bande passante, je ne pense pas etre gener par les pics de luminosite car j utilise la photodiode dans un endroit ferme.

    Je vais tout de meme commander TEPT5700 et etudier cette solution, le document de Qristoff a l air de bien expliquer son fonctionnement et je pourrais utiliser une resistance de plus faible valeur qui permettrait d eviter tout soucis avec l aop.
    Dernière modification par Fortare ; 01/10/2020 à 09h21.

  14. #11
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    Si besoin, un montage en transimpédance avec la capa idoine de compensation en parallèle de la résistance boosterait la bande passante.
    Avec un dual-AOP (e.g. un LM358, ou plus rapide) cela ne demande pas beaucoup plus de hardware. Si le "niveau haut" délivré par le 358 (ou autre) monté en comparateur n'est pas suffisant, il est possible d'ajouter une résistance de pull-up sur sa sortie.
    On trouve aussi quelques boitier intégrant un AOP et un comparateur.
    Dernière modification par Antoane ; 01/10/2020 à 09h24.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  15. #12
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    J'aurai une dernière question à propos de l'ampliop.
    En effet, c'est par rapport à la remarque de Antoane.

    "Note aussi que le LM393 ne fonctionne pas avec des tensions d'entrée > 3.5 V (pour une alim de 5 V). Ça devrait être ok ici."

    Si par exemple, pour une alimentation de 5 V, sur mon entree -, j'ai 2.5 V et 4.5 V ( > 3.5 V) sur mon entree + sur mon LM393. Que se passera-t-il concrètement ? Es ce que l'entree + verra 3.5 V au lieu de 4.5 V( ce qui ici ne posera pas un problème pour moi) ou alors j'aurai un comportement aléatoire au dessus de 3.5 V. C'est une situation difficile à simuler.

    Merci
    Dernière modification par Fortare ; 08/10/2020 à 16h05.

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  17. #13
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    Tu peux te renseigner sur la notion de "phase reversal op-amp". En particulier : https://www.analog.com/media/en/trai...als/MT-036.pdf

    C'est normalement spécifié dans la datasheet du composant.

    Pour le LM393, voir https://www.ti.com/lit/an/snoaa35a/snoaa35a.pdf. On y lit (section 2.7) :
    exceeding the positive common mode range tends to result in predictable behavior
    le document indique cependant par ailleurs :
    A nice feature of the LM339family(andONLYappliesto the LM339familydeviceslistedin Table2) is that only one input needs to be within the valid input voltage range for a valid output.The other input can be above the input voltage range or, even above VCC and the output will be in the expected state.
    Néanmoins :
    TI strongly advises to stay within the specified input voltage range limits and not to rely on the following feature as part of normal operating conditions.The device will not meet full datasheet specifications in this mode.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  18. #14
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Merci pour ces deux documents très intéressants ! Je vois qu ils ont tendance a utiliser des diodes pour proteger les entrees.

    Cette fonctionnalité du LM393 me laisse dubitatif car elle existe mais TI se met à l'abris en nous mettant en garde sur son utilisation.

    La suite du paragraphe indique :

    "While this is a nice feature,it does come at a cost.When operating outside the specified input voltage limits, performance deteriorates and will no longer meet the datasheet specifications .Critical specifications such as off set voltage,bias current and propagation delay will be adversely affected. TI still recommends to stay with in the datasheet input voltage range specifications."
    Mon utilisation du comparateur reste assez simple ( utilisation d'un phototransistor pour détection de lumière rapide), selon votre expérience, je ne prends pas trop de risques à utiliser cette fonctionnalité sur la durée ? ( 4.5 V sur l'entree + correspond à l'absence de lumière et donc à l'utilisation normale et donc ne corresponds pas a une situation exeptionnelle de faute). Je ne pense pas que les tensions d'offset, temps de propagation et courant de polarisation soient des paramètres critiques pour moi.

  19. #15
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,


    Après réflexion et lecture complète des documents, je pense qu'il est risqué de rester sur cette solution.

    J'ai donc cherché un moyen de résoudre ce problème sans toucher au PCB ( pas question de rajouter un regulateur 5V vers 3V).
    La solution la plus pratique est de changer le comparateur et d utiliser un rail to rail en entree.

    J'ai donc trouvé cette référence : lmc6772 ( de -0.2V à 5.2V en entree).

    https://www.ti.com/product/LMC6772?qgpn=lmc6772

    Cette AOP a l'air de posséder les mêmes caractéristiques ( open drain qui permet de sortir 5 V a l etat haut, tension de fonctionnement, même boitier ( SOIC - 1.75 mm) et broches et dual car j'ai besoin de 2 aop dans mon circuit).
    D autant plus que j'utilise une porte CMOS NAND après ( voir schéma) donc cela reste compatible.

    Schema circuit final.png

    De plus, j'ai décidé d'utiliser un phototransistor TEPT5700 pour plus de sensibilité selon vos conseils ( avec une résistance de 10 k).

    Je ne ferai plus cette erreur, j espere que ce poste servira au plus grand nombre.

    Est-ce que le Lmc6772 est une bonne alternative pour résoudre le problème ou j'ai encore oublié quelque chose ? ( Je ne sais pas si la faible consommation ( 25 uA nax ) peut poser probleme dans mon cas ).

    Merci beaucoup.

  20. #16
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    Ca me semble bon.
    Tu peux n'utiliser qu'un seul pont diviseur pour les entrées - des deux comparateurs.

    Peux-tu donner le schéma complet de ce qui se trouve derrière les comparateurs ? il est peut-être possible de simplifier.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  21. #17
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    Voici le schéma complet de ma carte :

    Petites explication :
    - Comme je l ai dis dans mon précédent topic, mon but est de détecter un flash de couleur rouge d un certain appareil, si le flash est détectée, certaines LED s allume et j envoie un signal TTL en sortie sur les port jack. On dira que est l alarme est déclenchée ( fail).
    - Mon circuit est symetrique et est dupliquée ( pour augmenter la fiabilité).
    - J utilise deux comparateur ( contenue dans une seule puce dual ) pour detecter la lumiere. Si il y a de la flash, on a 0V en sortie du comparateur. Si il y a pas de flash, on a 5 V en sortie.
    - J utilise une porte NAND CMOS à la suite pour déclencher l alarme quand :
    * Le port jack n est pas connecté
    * Quand le l appareil n est pas en place, ce qui fais actionner un interrupteur.
    - J utilise une bascule RS CMOS pour mémoriser l alarme jusqu a ce que le bouton reset soit activé ( j ai utilisé une capacité pour simuler le reset au démarrage ).
    - J utilise des buffers ( BICMOS ) pour pouvoir envoyer assez de courant à l etat haut TTL ( pour pouvoir allumer les LED ).
    - J utilise un autre buffer pour pouvoir envoyer le singal TTL à l etat haut avec assez de courant pour pas que la tension d écroule en dessous du niveau haut TTL quelque soit la charge en sortie ( j aurai besoin de 20 mA environs a l etat haut ).
    - J utilise un relai en sortie. Pour quel raison ? Si il y a une coupure de l alim, je veux qu il y ait un signal TTL qui soit envoyé en sortie pendant une courte durée ( au moins 1 seconde ). Je charge donc une super capacité et si l alimentation est coupée, le relai commute et la super capa se décharge en sortie pour envoyer le signal TTL.
    - J ai aussi mis un port USB pour pouvoir recharger l appareil sous 5 V.

    Je n ai pas représenté lignes d alimentation de chaque composant avec les capa de découplage mais elles sont bien présente sur mon PCB.

    Schema complet.jpg

    Merci beaucoup

  22. #18
    Fortare

    Re : Detection Lumiere via photodiode BPW21R

    Bonjour,

    Avec l ajoue du LMC6772, la seule chose a voir serait peut etre la resistance de pull up en sortie du comparateur.
    J ai calculer que 100 k est bien dans la plage de fonctionnement du comparateur et de la porte NAND.

    Si j ai oublier autre chose, n hesitez pas a me le faire savoir.

    Sinon merci encore de l aide, je vais commander le composant et faire les tests avec. En esperant que cela fonctionne cette fois.

    Fortare

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