Fotodiodo y Arduino para medir la velocidad de un proyectil

Question

Estoy intentando construir un crono para medir la velocidad de un proyectil. Pienso utilizar un Arduino y un fotodiodo. Me gustaría que el fotodiodo cambiara el estado del pin digital del Arduino cuando un objeto pasa por él. Tengo previsto tener un LED de infrarrojos razonablemente potente que emita hacia arriba con el fotodiodo también mirando en esa dirección - la idea es que cuando un proyectil pase por encima refleje algo de IR que será detectado por el diodo.

Tengo el fotodiodo BPV10NF. Este parecía tener un tiempo de respuesta rápido y una alta sensibilidad radiante que podría ser buena para este proyecto. Leyendo varias referencias sobre fotodiodos también me hice con unos cuantos OP-AMPs MCP6002, ya que entiendo que la salida del fotodiodo es muy pequeña y debe ser amplificada.

Este es el circuito que he montado a base de ver diferentes ejemplos. Sólo muestra un DP pero una vez que lo tenga funcionando como se desea, lo replicaría una segunda vez, a una distancia fija de la primera para poder calcular la velocidad del proyectil detectado.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Esto no parece funcionar como se esperaba. Si pongo un voltímetro a través de la salida OA1 y GND obtengo alrededor de 4,8v independientemente del nivel de luz al que esté expuesta la DP. Si pongo un voltímetro a través de OA1+ y GND el voltaje es de alrededor de 4,8v y si apunto mi linterna del iPhone a la DP cae a ~3,3v. Me imagino que si le doy un LED IR el voltaje será menor (dado que es una PD IR).

¿Podría alguien comprobar la cordura de este circuito por mí y explicarme en qué me he equivocado?

Answer 1

Tienes que determinar si quieres que tu detector funcione en modo fotovoltaico o fotoconductor. Si es el primero, simplemente deshazte de R1 e invierte tu DP.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

En este último caso, invierta la posición de R1 y de la DP, así

simular este circuito

En teoría, el fotoconductor es más rápido que el fotovoltaico, ya que los 5 voltios actuarán como tensión de polarización en la DP, reduciendo la capacitancia de la DP. Sin embargo, el gran 1M combinado con la capacitancia de entrada del amplificador óptico actúa como un filtro de paso bajo, y sin la cifra de capacitancia en la hoja de datos del amplificador óptico, y sin la hoja de datos de la DP, no tengo idea de qué efecto dominará.

Answer 2

Al intentar obtener una salida de tensión del fotodiodo, se encuentra con el problema de que la impedancia es muy alta, lo que forma un filtro de paso bajo con la inevitable capacitancia parásita. Por ello, los fotodiodos se suelen utilizar con un amplificador de transimpedancia. Éste detecta la corriente producida por el fotodiodo en modo fotocélula mientras se mantiene en cortocircuito. El amplificador de transimpedancia lo convierte en una señal de tensión. He aquí un ejemplo:

En primer lugar, hay que tener en cuenta el uso de un opamp con mayor ancho de banda. El MCP600x que está utilizando es inadecuado en este caso.

El fotodiodo funciona en modo de fotocélula, pero la salida es la corriente de cortocircuito, no la tensión de circuito abierto. Debido a la retroalimentación alrededor del amplificador óptico, el cátodo del diodo se mantendrá a potencial de tierra. La luz que incide sobre el diodo hará que fluya cierta corriente en su cátodo y salga por su ánodo. Esta corriente fluye a través de R1. Como el extremo izquierdo de R1 se mantiene a 0 V, el extremo derecho tendrá un voltaje proporcional a la corriente del diodo.

Esto es lo que se llama un transimpedancia amplificador. Toma una señal de corriente como entrada y produce una señal de tensión como salida. La ganancia es, por tanto, tensión/corriente, que está en unidades de resistencia.

En este circuito, la ganancia es directamente la resistencia de R1. En este ejemplo, la ganancia es de 100 kΩ, lo que significa que habrá 1 V de salida por cada 10 µA de entrada. He elegido un número arbitrario. La ganancia correcta depende del fotodiodo y de la luz más alta a la que estará sometido en funcionamiento normal. Usted quiere que esa luz máxima resulte en la salida máxima del opamp.

A esta etapa básica de transimpedancia le seguirá un acoplamiento de CA, posiblemente más ganancia, y algún tipo de detección de umbral para convertirla en una señal digital.

Answer 3

Como habrá mucha más potencia en el haz incidente del emisor que en su reflexión, creo que tendrás mucha más suerte si configuras tus sensores como detectores de rotura de haz y proteges los fotodiodos de la iluminación ambiental.

El problema básico de tu circuito (si quieres que funcione como un comparador y proporcione o bien +5 o bien 0V al Arduino) es que estás ejecutando un amplificador no inversor con una ganancia de 11 con su entrada no inversora (+) conectada al raíl positivo a través de 1 megaohmio, por lo que su salida no tendrá otra opción que el raíl.

Si quieres hacerlo funcionar como un comparador debes desconectar R3 de la salida del opamp, conectarlo a +5V, y seleccionar R2 y R3 para que el voltaje en su unión sea el mismo que el voltaje que sale de D1 cuando quieras que la salida del opamp conmute.

El fotodiodo es de polarización inversa, por lo que es esencialmente una impedancia infinita a tierra, dejando la entrada + del amplificador de potencia conectada al carril positivo a través de R1.

Sin embargo, cuando el fotodiodo esté lo suficientemente iluminado entrará en modo fotovoltaico y generará un voltaje propio, y la entrada + del amplificador pasará a cualquier voltaje que gane la lucha de corrientes a través de R1.