Высокоточный измеритель пульсаций светового потока. OPT101 vs КР544УД1А.

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:

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.


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. )))