Archiv der Kategorie: EPAP – Lighting

LEDs sind auch Fotodioden

Antwort: Dioden des Typs 1N914/1N4148 weisen eine ausreichend hohe Fotoempfindlichkeit auf, um „Brummen“ zu verursachen. Die Empfindlichkeit reicht aber nicht aus, um sie als Fotozellen einzusetzen. Ihre Empfindlichkeit liegt mehr im Infrarot- als im sichtbaren Spektrum. Selbst bei hellem Sonnenlicht beträgt ihr Fotostrom lediglich etwa 10 nA. Glasdioden sind kein praktikabler Ersatz für Photovoltaik-Panels!

Interessanterweise regt ein altes Blitzgerät mit einer herkömmlichen Glühlampe in diesen Dioden zwei oder drei Mal mehr Fotostrom an als direktes Sonnenlicht. Eine an die Netzspannung angeschlossene Glühlampe mit 60 W produziert etwa 7% Fotostrommodulation bei 100 Hz. Dies legt die Vermutung nahe, dass die mögliche Quelle des Brummens im Vorbericht von der Glühlampe und von Leuchtstofflampen stammt.

Bei Preisen von etwa 2 Cent pro Stück (Abnahme von hohen Stückzahlen) kosten LEDs etwa fünf Mal so viel wie Dioden, sind aber wesentlich empfindlicher als Fotozellen. Bei direkter Sonneneinstrahlung beträgt der Fotostrom einer roten 5-mm-LED (1000 mCd bei 20 mA) über 20 A. In den sonnigen Tropen kann dies den Ladezustand einer Uhrenbatterie aufrechterhalten. LEDs eignen sich nicht gut zur Energieerzeugung. Allerdings sind sie komfortable Fotodetektoren zu etwa 10% des Preises von echten Detektoren.

Die spektrale Empfindlichkeit einer LED hängt von ihrer Farbe ab. LEDs erfassen Licht mit Wellenlängen, die kürzer oder gleich groß sind wie ihre eigenen emittierten Wellenlängen. Dies hängt von den Eigenschaften des Gehäuses ab. Licht aus Farben, die es absorbiert, erreicht die LED nicht. Weiße LEDs enthalten Phosphor, um monochromes Licht in weißes Licht zu wandeln, und sind keine guten Fotozellen.

Hersteller charakterisieren LEDs nicht als Fotozellen. So können kleine Design-Änderungen, die einen minimalen Effekt auf ihr Verhalten als LEDs haben, große Änderungen in ihrer Eigenschaft als Fotozellen haben. Beim Einsatz von LEDs als Fotozellen sollte man sie selbst charakterisieren und konservative Auslegungen verwenden, damit die betreffende Schaltung auch mit Änderungen gut arbeitet. Dies erhöht die Nachfrage nach Schaltkreisen aus der Massenproduktion, die LEDs als Fotozellen nutzen. Sind sie doch sehr nützlich in kleinen Einheiten oder einzelnen System-Designs.

Eine elegante Anwendung ist, wenn eine LED durch einen Analog-Mikrocontroller getrieben wird. Die gleiche LED kann als Fotodetektor verwendet werden, indem man den treibenden Digitalausgang abschaltet und den Fotostrom am Ausgang erfasst. Falls der Mikrocontroller über Dual-Purpose Analog-Eingangs/Digital I/O-Pins verfügt, wie etwa der ADuC7023, kann dies mit einer LED und zwei Widerständen und lediglich einem Prozessoranschluss gemacht werden.

Eine Halbleiterdiode kann auf zwei Arten als Fotozelle angeschlossen werden: PV-Mode (Photovoltaik) und fotoleitende Betriebsart (Photoconductive). Solarpanels arbeiten im PV-Modus. Licht scheint auf sie, die Anode wird positiver als die Kathode und ein zum einfallenden Licht proportionaler Strom fließt in jeden Stromkreis, der sich zwischen Anode und Kathode befindet. Die Diode ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ihre Kapazität ist um ein Mehrfaches größer als ihre in Rückwärtsrichtung vorgespannte Kapazität.

Im Photoconductive Mode bewirkt Licht, das auf eine in Rückwärtsrichtung vorgespannte Fotodiode auftrifft, dass ein zum einfallenden Licht proportionaler Fotostrom fließt. Am besten nutzt man die fotoleitende Betriebsart für AC-Signale, da der Frequenzverlauf besser ist. Lichtmessungen in der fotoleitenden Betriebsart sind sehr einfach.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

LEDs mit höherer Spannung verbessern die Lampen-Effizienz

Man ist sehr daran interessiert, Glühlampen durch Leuchten zu ersetzen, die LEDs als Leuchtmittel verwenden. Normalerweise wird eine geringe Anzahl (5 bis 9) von LEDs in Reihe geschaltet, und ein Netzteil muss bei Strömen von etwa 350 bis 700 mA die Netzspannung in Niedrigspannung (typischerweise einige 10 V) umwandeln.

Bei Ermittlung der besten Art der Isolierung des Verbrauchers von der Netzspannung sind einige Abwägungen zu machen. Die Isolierung kann entweder im Netzteil oder in der Halterung der LEDs realisiert werden. In diesen Lower-Power-Designs werden LEDs im Allgemeinen galvanisch isoliert, da hierbei ein kostengünstigeres, nicht isoliertes Netzteil verwendet werden kann. Das Bild 1 zeigt einen typischen LED-basierten Lampenersatz. Das Netzteil in diesem Beispiel ist nicht isoliert. Das heißt, dass die Isolierung zum Schutz des Verbrauchers vor hohen Spannungen im Gehäuse statt im Netzteil integriert ist.

Bild 1: In einem LED-basierten Lampenersatz ist wenig Platz für ein Netzteil.
Bild 1: In einem LED-basierten Lampenersatz ist wenig Platz für ein Netzteil.

Dort ist offenkundig wenig Platz für das Netzteil vorhanden, was hohe Anforderungen an den Entwurf eines solchen Gehäuses stellt. Darüber hinaus befindet sich das Netzteil im Innern des Gehäuses. Dies behindert die Kühlung und macht eine gute Effizienz zu einem Schlüsselfaktor.

Bild 2 zeigt einen nicht isolierten Schaltkreis, der LEDs aus einem 120-V-Netz betreibt. Er enthält eine Gleichrichterbrücke, die eine Abwärtsleistungsstufe speist. Der Abwärtswandler ist die umgedrehte Version, bei der sich der Leistungsschalter Q2 auf der Rückführung befindet und die Freilaufdiode D3 an die Quelle angeschlossen ist.

Bild 2: Ein Abwärtswandler ergibt einen einfachen, mit Netzspannung betriebenen LED-Treiber.
Bild 2: Ein Abwärtswandler ergibt einen einfachen, mit Netzspannung betriebenen LED-Treiber.

Der Strom wird während der Einschaltzeit des Leistungsschalters über einen Quellenwiderstand geregelt. Während dieser Schaltkreis relativ effizient ist (80 bis 90 %), so weist er doch einige Nachteile auf, die den Wirkungsgrad begrenzen. Der Leistungsschalter muss im eingeschalteten Zustand den vollen Ausgangsstrom führen. Bei ausgeschaltetem Leistungsschalter fließt der Ausgangsstrom durch die Freilaufdiode. Die Spannung an den Strommesswiderständen R8 und R10 beträgt etwa 1 V.

Diese drei Spannungsabfälle sind im Vergleich zu einer LED-Spannung von 15 bis 30 V signifikant und begrenzen die Netzteileffizienz. Insbesondere tragen diese Verluste zum Temperaturanstieg in der Lampenfassung bei. Die Lichtleistung der LED verringert sich mit der Zeit und ist stark von ihrer Betriebstemperatur abhängig.

Beispielsweise nimmt die Lichtleistung einer LED über 50.000 Betriebsstunden bei 70 °C um 30 % ab, und bei 80 °C kann man mit einer Lebensdauer von lediglich 30.000 Betriebsstunden rechnen. Das Wärmeproblem wird weiter verstärkt, da die Lampen in kegelförmigen Lampenschirmen untergebracht sind, die die Wärme einschließen und eine Konvektionskühlung nicht fördern.

Hersteller von LED-Lampen haben damit begonnen, LED-Lichtquellen mit höherer Spannung zu entwickeln, indem sie mehrere LEDs auf einem gemeinsamen Substrat in Reihe schalten. Durch die höheren Spannungen lassen sich entweder die Kosten senken oder die Netzteileffizienz steigern. Mit diesen Produkten mit höheren Spannungswerten kann eine kostengünstigere Version des Netzteils einfach aus mehreren Gleichrichtern und einem Vorschaltwiderstand realisiert werden.

Bei diesem Ansatz wird zwar ein relativ guter Leistungsfaktor erzielt, jedoch ist der Wirkungsgrad gering, da ein beträchtlicher Teil der Eingangsspannung über dem Vorschaltwiderstand abfällt und dabei Verluste im Bereich von 30 bis 50 % der LED-Leistung entstehen. Dies kann eine Möglichkeit für Anwendungen mit geringerer Leistung sein, bei denen die Größe der wichtigste Faktor ist. Für höhere Leistungen ist dieser Ansatz aufgrund des geringen Wirkungsgrads jedoch ungeeignet.

Netzteile mit Aufwärtswandler oder mit Abwärtswandler?

Bild 3: Steigerung der LED-Treibereffizienz mithilfe eines Abwärtswandlers.
Bild 3: Steigerung der LED-Treibereffizienz mithilfe eines Abwärtswandlers.

Bild 3 stellt eine andere Alternative mit einem Netzteil mit Aufwärtswandlung vor. Der größte Teil des Schaltkreises ist in beiden Ansätzen identisch. Die Verluste an Schalter, Diode und Strommesswiderstand sind jedoch viel geringer, sodass Wirkungsgrade im Bereich von 90 bis 95 % erzielt werden. Dieser Schaltkreis weist zudem einen guten Leistungsfaktor mit Messwerten von 97 %auf.

Bild 4 zeigt ein Foto der zwei Netzteile, die in den Schaltbildern der Bilder 1 und 2 dargestellt wurden. Auch wenn dieses Netzteil ungefähr die gleiche Ausgangsleistung erzeugt, so gibt es doch mehrere offensichtliche Unterschiede, die sich auf die Größe des Netzteils auswirken. Die Spule des Aufwärtswandlers ist deutlich kleiner, da er nicht so viel Energie speichern muss. Zudem besitzt der Aufwärtswandler einen kleineren Widerstand als der Abwärtswandler.

Bild 4: Ein Netzteil mit Aufwärtswandler ist kleiner und effizienter als eines mit Abwärtswandler.
Bild 4: Ein Netzteil mit Aufwärtswandler ist kleiner und effizienter als eines mit Abwärtswandler.

Bei diesem Widerstand handelt es sich um einen Ersatzlastwiderstand (R20 in Bild 2), der verwendet wird, um zu bestimmen, wann in einem Dimmer ein Thyristor (SCR) zündet. Dies ist erforderlich, da die Dimmer über einen Triac mit Entstörkondensator verfügen, der ohne Last eine relativ hohe Spannung in das Netzteil speist. Dies verwirrt das Netzteil und führt zu fehlerhaftem Dimmverhalten.

Am Aufwärtswandler wird ein solcher Widerstand nicht benötigt, da die LEDs über die Boostinduktivität mit dem Eingang verbunden sind und eine ausreichende Last darstellt, sodass obiges Problem hier keine Rolle spielt. Die Rückseite der Platine ist nicht dargestellt, jedoch weist der Abwärtswandler (wie in den Schaltplänen zu sehen ist) mehr einfache Schaltungskomponenten auf. Der Aufwärtswandler ist verlustärmer, was bei Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot, wie beispielsweise LED-Ersatzlampen, von besonderer Bedeutung ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LEDs mit höheren Spannungen zur Verlängerung der Lebensdauer von einschraubbaren LED-Lampen beitragen, indem sie die Verluste und die resultierenden Temperaturanstiege reduzieren. Dies erfolgt durch Austausch des Abwärtswandlers durch einen Aufwärtswandler, was den Wirkungsgrad des Netzteils steigert. Ein Aufwärtswandler weist etwa halb so viele Verluste auf wie ein Abwärtswandler. Darüber hinaus besteht der Aufwärtswandler aus weniger Teilen, erzielt einen besseren Leistungsfaktor und ist kleiner. Zudem wird das Dimmen mit einem Triac vereinfacht.

Von Robert Kollman, Texas Instruments

Kostengünstige Hochleistungs-LED-Treiberschaltung

Angesichts sinkender Produktionskosten kommen Hochleistungs-LEDs immer häufiger in Anwendungen zum Einsatz, deren Spektrum von batteriebetriebenen Geräten über Automobilsysteme bis hin zur Architekturbeleuchtung reicht.

Mit ihrer hohen Zuverlässigkeit (die Lebensdauer beträgt typisch mehr als 50.000 Betriebsstunden), ihrem hohen Wirkungsgrad (175 L/W) und ihrem fast verzögerungsfreien Ansprechverhalten sind sie eine sehr attraktive Lichtquelle. Das richtige Ansteuern von LEDs ist jedoch keine ganz triviale Angelegenheit.

Um die Helligkeit zu regeln, muss die LED mit einem Konstantstrom angesteuert werden, d.h. mit einem Strom, der von der Eingangsspannung unabhängig ist. Nicht selten müssen LEDs dimmbar sein. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, die Helligkeit eines Displays oder einer Architekturbeleuchtung zu variieren.

Dies lässt sich auf zwei Arten erreichen: Man kann entweder den LED-Strom verändern oder mit einer Pulsweitenmodulation (Pulse Width Modulation, PWM) arbeiten. Am ineffizientesten ist sicherlich das Variieren des Stromes, denn die Intensität des abgegebenen Lichts verändert sich nicht genau linear mit dem Strom, und das LED-Farbspektrum hat die Tendenz, sich bei Strömen unterhalb des Nennstroms zu verschieben.

Dabei muss man berücksichtigen, dass die menschliche Helligkeitswahrnehmung exponentiell erfolgt, so dass für ein vollständiges Dimmen eine große prozentuale Stromänderung erforderlich ist. Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf den Schaltungsentwurf, denn aus 3% Regelabweichung bei vollem Strom können aufgrund von Schaltungstoleranzen leicht 30% oder mehr bei 10% Last werden.

LED-Ansteuerung via PWM mit mehr als 1000 Hz

Das Dimmen von LEDs durch Ansteuern mit einem pulsweitenmodulierten Strom ist präziser, aber bei diesem Verfahren muss die Ansprechgeschwindigkeit der LEDs berücksichtigt werden. In Beleuchtungs- und Display-Anwendungen ist eine Pulsweitenmodulation mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz wünschenswert, damit das menschliche Auge kein Flimmern wahrnimmt.

 Bild 1: Kostengünstige LED-Treiberschaltung auf Basis des Schaltreglers MC33063 Bild 1: Kostengünstige LED-Treiberschaltung auf Basis des Schaltreglers MC33063

 

Bild 1 zeigt einen sehr einfachen und kostengünstigen Abwärtsregler zur Ansteuerung einer einzelnen LED, in dem eine sehr schnelle Dimmfunktion implementiert ist. Er basiert auf dem MC33063, der mit einem internen Schalter, einem Strombegrenzungs-Komparator, einem Oszillator und einer internen Referenzspannungsquelle ausgestattet ist. Eine Abschaltfunktion (DISABLE) kann über den Pin aktiviert werden, der normalerweise zur Spannungsregelung dient.

In diesem Szenario schaltet eine Spannung von mehr als 1,25 V die Stromversorgung ab, während sie bei einer niedrigeren Spannung eingeschaltet ist. Ist die Schaltung aktiviert, dann arbeitet der Regler in einem Strombegrenzungs-Modus mit Hysterese, da die Spannungsrückführung eliminiert wurde.

Der Oszillator erzeugt eine Startimpuls, der bewirkt, dass der Leistungsschalter in den Zustand „Ein“ wechselt. Damit liegt die Eingangsspannung am Strommesswiderstand, an der LED und an der Induktivität an. Der Strombegrenzungs-Komparator stellt fest, wann der Strom etwa 350 mA erreicht, und schaltet den Leistungsschalter aus. Die Spannung an der Induktivität kehrt sich um und übersteigt die Eingangsspannung, so dass die Freilaufdiode leitet. Der Strom durch die Induktivität und die LED fließt so lange weiter, bis der Schalter beim nächsten Schaltzyklus in den Ein-Zustand wechselt.

Diese Schaltung ist für zahlreiche Anwendungen sehr flexibel einsetzbar. Die Verwendung eines Schaltreglers mit einer Nennspannung von 40 V und einem Nennstrom von 1,5 A ist in tragbaren Geräten, Haushaltsgeräten und Automobilanwendungen von Nutzen, wo es vor allem auf Einfachheit und geringe Kosten ankommt. Die Grundtopologie ließe sich in einem noch wesentlich größeren Spektrum von Anwendungen einsetzen, wobei sich dort die Hystereseregelung und die Ein- und Ausschaltfunktionen vielleicht nicht ganz so einfach realisieren lassen

 Bild 2: DISABLE-Befehl und der daraus resultierende LED-Stromverlauf der Schaltung aus Bild 1. Bild 2: DISABLE-Befehl und der daraus resultierende LED-Stromverlauf der Schaltung aus Bild 1.

Die Schaltung aus Bild 1 wurde aufgebaut und getestet. Bild 2 zeigt den DISABLE-Befehl und den daraus resultierenden Verlauf des LED-Stromes. Die LED lässt sich durch PWM-Ansteuerung bei 500 Hz leicht dimmen. Die Anstiegs- und Abfallzeit des Stromsignals beträgt weniger als 100 µs. Wenn eine höhere Stromwelligkeit in der LED tolerierbar ist, könnte die Induktivität einen geringeren Wert haben, und auch die Anstiegs- und Abfallzeiten ließen sich verbessern. Eine 500-Hz-PWM dürfte jedoch für die meisten Anwendungen gut geeignet sein.

Als Fazit kann festgehalten werden, dass sich ein Schaltregler wie der MC33063 gut zum Ansteuern von LEDs eignet, auch wenn er nicht speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. Sein Fehlerverstärker lässt sich für eine DISABLE-Funktion zum Dimmen der LED per PWM nutzen, sein Strombegrenzungs-Komparator spricht schnell an und sorgt für eine präzise Stromeinstellung, und der eingebaute Leistungsschalter ermöglicht den Aufbau einer kompakten und einfachen Schaltung.

Ich bedanke mich bei Dave Parks von TI für die Unterstützung bei der Zusammenstellung dieses Power-Tipps.

Literatur [1] Betten, J.: „LED Lighting Illuminates Buck Regulator Design“, Power Electronics Technology, Oct. 2007

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Effizienter Betrieb von LEDs am Stromnetz

Zwar dürften wir noch Jahre von LED-Einschraublampen entfernt sein, die als brauchbarer Ersatz für Glühlampen in Frage kommen, doch schon heute geht der Trend bei der Architekturbeleuchtung immer stärker zum Einsatz von LEDs, denn sie sind eindeutig zuverlässiger und bieten ein höheres Potential für Energieeinsparungen.

Wie in den meisten Elektroniksystemen ist auch hier eine Stromversorgung erforderlich, die die Eingangsspannung in eine für die LEDs nutzbare Form umwandelt. Bei einer Straßenbeleuchtung ist eine mögliche Konfiguration eine Serie von 80 LEDs, die zusammen eine Last von 300 V und 0,35 A bilden. Bei der Auswahl einer Schaltnetzteil-Topologie müssen Anforderungen in Hinblick auf die Isolation sowie auf die Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) festgelegt werden.

Hinsichtlich der Isolation ist eine aufwendige Sicherheits-Vergleichsstudie erforderlich, bei der unter anderem die Notwendigkeit eines Berührungsschutzes gegen die wachsende Komplexität beim Entwurf der Stromversorgung abgewogen werden muss.

In diesem Anwendungsfall, bei dem die LED Hochspannung führt, wird davon ausgegangen, dass eine Isolation nicht notwendig ist. Die PFC ist dagegen unumgänglich, da in Europa für Beleuchtungssysteme über 25 W eine Leistungsfaktorkorrektur vorgeschrieben ist.

Drei Schaltnetzteil-Topologien kommen in Frage

Für diese Anwendung kommen drei mögliche Schaltnetzteil-Topologien in Betracht, nämlich ein Abwärtsregler, ein an der Lückgrenze betriebener Sperrwandler (Transition-Mode-Wandler) und ein Transition-Mode (TM)-SEPIC (single-ended primary inductor converter). Der Abwärtsregler lässt sich sehr effektiv einsetzen, wenn es um Oberschwingungsströme geht und die LED-Spannung in der Größenordnung von 80 V liegt.

Im vorliegenden Fall ist ein Abwärtsregler jedoch wegen der höheren Lastspannung nicht die Lösung. Somit bleiben als Kandidaten der Sperrwandler und der SEPIC-Wandler. Der SEPIC-Wandler bietet den Vorteil, dass er die Schaltsignalverläufe am Leistungshalbleiter festklemmt. Damit lassen sich Bauelemente verwenden, die mit niedrigeren Spannungen arbeiten und somit einen höheren Wirkungsgrad haben.

 Bild 1: Der Transition-Mode-SEPIC-Wandler arbeitet als einfacher LED-Treiber.
Bild 1: Der Transition-Mode-SEPIC-Wandler arbeitet als einfacher LED-Treiber.

Bei unserer Anwendung würde sich damit der Wirkungsgrad um geschätzte zwei Prozent erhöhen. Zudem neigt der SEPIC-Wandler weniger zum Nachschwingen, was die Funkentstörfilterung vereinfacht. Bild 1 zeigt ein Schaltbild der Stromversorgung.

In der Schaltung wird ein TM-PFC-Aufwärtsregler zur Formung des Eingangsstrom-Signalverlaufs verwendet. Beim Einschalten beginnt die Schaltung C6 aus dem Netz aufzuladen. Sobald die Schaltung läuft, liefert eine Hilfswicklung der SEPIC-Induktivität die Betriebsspannung für den Regler.

Ausgangskondensator begrenzt die Welligkeit

Ein relativ groß dimensionierter Ausgangskondensator begrenzt den LED-Welligkeitsstrom auf 20 Prozent des DC-Stromes. Am Rande sei angemerkt, dass die AC-Flussdichte und die Ströme im TM-SEPIC-Wandler recht hoch sind und Litzendrähte und verlustarme Kernmaterialien erforderlich sind, um die Verluste in der Induktivität niedrig zu halten.

 Bild 2: DER TM-SEPIC-Wandler hat einen hohen Wirkungsgrad und liefert eine gute Leistungsfaktorkorrektur.
Bild 2: DER TM-SEPIC-Wandler hat einen hohen Wirkungsgrad und liefert eine gute Leistungsfaktorkorrektur.

Die Bilder 2 und 3 zeigen die Testergebnisse, die an einem Prototyp gemäß dem Schaltbild in Bild 1 erzielt wurden. Der Wirkungsgrad ist recht hoch und erreicht maximal 92 Prozent. Dieser gute Wert wurde erreicht, indem das Nachschwingen an den Leistungshalbleitern begrenzt wurde.

 

 

 Bild 3: Der Netzstrom erfüllt problemlos die Vorschriften nach EN61000-3-2 Klasse C
Bild 3: Der Netzstrom erfüllt problemlos die Vorschriften nach EN61000-3-2 Klasse C

Wie außerdem am Stromverlauf zu erkennen ist, weist der Leistungsfaktor mit über 96 Prozent einen ziemlich guten Wert auf. Interessanterweise verläuft das Signal nicht rein sinusförmig, sondern zeigt auf der steigenden und fallenden Flanke eine gewisse Steilheit, was daran liegt, dass die Schaltung nicht den Eingangsstrom, sondern den Schaltstrom misst. Der Signalverlauf ist jedoch gut genug, um die europäischen Vorschriften bezüglich der Oberschwingungsströme zu erfüllen.


Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Umgang mit parasitären Kapazitäten in Photodiodenschaltungen

Photodioden transformieren eine grundlegende physikalische Erscheinung (Licht) in elektrische Form (Strom). Elektronische Bauelemente wandeln den Strom des Photodetektors in eine nutzbare Spannung um, wodurch die Veränderungen des Signals der Photodiode beherrschbar werden. Es gibt eine Reihe verschiedener Herangehensweisen an die Probleme bei lichtempfindlichen Schaltungen. Ein Leser fragte nach einer Schaltung, mittels derer die Bandbreite und die Auswirkungen des Rauschens der Photodiode von außen oder mit einer parasitären Kapazität reduziert werden konnten.

Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems
Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems

Die klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems besteht aus einer Photodiode, einem Operationsverstärker und einem Paar aus Rückkopplungswiderstand und Rückkopplungskondensator am Frontend (Bild 1). Bei dieser Schaltung wird die Bandbreite durch die Photodiode, den Verstärker und die Rückkopplungskapazität beschränkt.

Bei der Lichtmessung mit einer Photodiode, die eine große parasitäre Kapazität besitzt oder die weit entfernt ist, liegt folglich eine große Kapazität über dem Eingang des Verstärkers an. Als Resultat dieser zusätzlichen Kapazität steigt die Rauschverstärkung der Schaltung, solange der Rückkopplungskondensator nicht vergrößert wird. Wenn der Rückkopplungskondensator (CF) vergrößert wird, sinkt die Bandbreite der Schaltung.

Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping
Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping

Sie können eine Bootstrap-Schaltung verwenden, um dieses Problem zu lösen (Bild 2). Photodioden mit einer relativ geringen Diodenkapazität profitieren jedoch nicht von dieser Schaltung. Ein Spannungsfolger mit dem Verstärkungsfaktor Eins, A2, entfernt die Leitungskapazität und damit die Parasitärkapazität der Photodiode vom Eingang des Transimpedanzverstärkers, A1.

Bei der Entwicklung dieser Schaltung haben Sie eine relativ freie Wahl, was den Typ des Verstärkers für A2 angeht. Dabei sind nur vier Spezifikationen wichtig. Zu diesen Entwicklungsrichtlinien zählt, dass der ausgewählte Verstärker eine geringe Eingangskapazität, ein geringes Rauschen, eine höhere Bandbreite als A1 und eine geringe Ausgangsimpedanz aufweist.

Bei dieser Schaltung ist die Eingangskapazität von A2 die einzige Kapazität, welche für die AC-Übertragungsfunktion des Transimpedanzsystems eine Rolle spielt. Die Eingangskapazität des Spannungsfolgers A2 ersetzt die Summe der Eingangskapazität von A1, der Leitungskapazität und der parasitären Kapazität der Photodiode. Als Faustregel gilt, dass CA2 << (CA1 + CCA +CPD), wobei CA1 und CA2 der Summe ihrer Eingangsdifferenz- und Gleichtaktkapazität entsprechen.

Bei dieser Schaltung wird jedoch ein Rauschproblem (A1) durch ein anderes (A2) ersetzt. Der Spannungsfolger entfernt die Rauschwirkung von A1. Als Faustregel gelten, dass das Rauschen von A2 <= A1 ist.

Die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal fällt in diesem System über der Leitungs-/Diodenkapazität ab. Sie können diese Differenz niedrig halten, indem Sie A2 mit höherer Bandbreite als A1 wählen und die Ausgangsimpedanz von A2 gering halten. Durch die Abnahme der Verstärkung von A2 ergibt sich eine obere Grenze für die Bandbreitenverbesserung. Das Bandbreitenverhältnis zwischen den Verstärkern ist A2-BW >> A1-BW. Diese Schaltung erfordert eine Optimierung der Stabilität, indem Sie CF an die Eingangskapazität von A2 angleichen.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] Baker, B.: „The eyes of the electronic world are watching“, EDN, 7. Aug.(2008)

[2] Baker, B.: „Transimpedance-amplifier stability is dye“, EDN, 4. Sept. (2008)

[3] Graeme, J.: Photodiode Amplifier, McGraw-Hill, ISBN 0-07-024247-X

[4] Kurz, D., Cohen, A.: „Bootstrapping Reduces Amplifier Input Capacitance“,  EDN, 20. März (1978)