Cómo usar un fotodiodo en una amplia gama de potencias ópticas

Estoy usando un fotodiodo de GaAs para recoger una pequeña cantidad de luz de un láser infrarrojo de alta potencia, suministrarla a un circuito PID y así tener una forma de estabilizar la intensidad del láser. El problema ahora es que la potencia óptica debe cambiarse continuamente en hasta tres órdenes de magnitud (40W a ~10mW) aplicando una rampa de voltaje a la entrada del punto de ajuste del controlador PID. Desafortunadamente, no pude encontrar un conjunto de parámetros para el lazo PID para el cual muestre una respuesta razonable en todo el rango operativo.

Mientras leía sobre el problema, me encontré con lo que se llama amplificadores programables/de ganancia variable (transimpedancia). ¿Qué opinan acerca de suministrar la rampa de voltaje a la entrada de ganancia del TIA programable y mantener constante el punto de ajuste en el regulador PID? De esta manera, el regulador PID tiene una señal con la que trabajar que tiene una magnitud constante y, tenga cuidado con mi conocimiento limitado de EE, ¿el sistema debería poder regular mejor la potencia en este amplio rango? ¿O hay alguien que haya usado uno de estos antes, quizás para una aplicación similar?

Por supuesto, agradezco todas las demás sugerencias sobre formas de obtener una señal razonablemente alta de un fotodiodo en una gama tan amplia de intensidades ópticas.

¿Cómo se implementa el regulador PID? Solo analógico o el control es digital? ¿Cuál es la respuesta de su sensor de fotodiodo que va a su PID? ¿Podrías dividir el haz? De esa forma, podría usar más fotodiodos, cada uno con una buena ganancia para un subconjunto específico de la potencia de salida. Aunque debería ser posible usar un solo fotodiodo. ¿Cuánta luz llega realmente al sensor cuando el láser está a una potencia constante de 40 W o 10 mW?
¿Cuál es el rango dinámico de las corrientes fotogeneradas? Ha mencionado el rango de potencia óptica (casi cuatro órdenes de rango dinámico), pero me gustaría saber qué significa esto para su proceso de "recoger una pequeña cantidad de la luz" en términos de corriente. Además, ¿puede considerar la idea de simplemente pasar la luz fotogenerada a través de un amplificador logarítmico (que, si no es muy exigente, podría ser simplemente un colector BJT y examina el voltaje base que resulta?)
El PID es completamente analógico. Si bien no tengo los valores actuales a mano, actualmente está configurado de tal manera que la salida del fotodiodo se entrega a un preamplificador de corriente de I a V, y la ganancia está configurada de tal manera que 40W de potencia láser es igual al voltaje máximo de 5V. Seguramente podría dividir los haces y usar múltiples fotodiodos, pero ¿cómo cambiaría entre los PD al aplicar una rampa lineal entre el rango completo de potencia óptica y aún se mantiene el bloqueo PID?

Respuestas (1)

Si estabiliza la luz comparando la señal del detector con una referencia de voltaje, el problema es que el rango de tres órdenes de magnitud significa que su comparación puede ser a un nivel de 5 V a 40 W, pero será a un nivel de 0,00125 voltios para llegar a 10 mW . La sensibilidad al ruido del bucle será pobre a la potencia más baja. Lo más fácil sería tener un rango de ganancia determinado colocando atenuadores en la ruta óptica: un par de filtros de densidad neutra, o incluso agujeros calibrados en las paradas de luz, pueden reducir la luz muestreada antes de que llegue al sensor.

Tres rangos, con dos atenuadores de 16x, se asignarán a un rango dinámico de detección de errores de bucle de 5 V a 0,3 V, e incluso un amplificador de error mediocre debería dar resultados precisos con señales en ese rango.

Los amplificadores con errores de corriente muy bajos se pueden emplear con una configuración de ganancia logarítmica, pero el propio sensor puede tener no linealidades de bajo nivel de luz, por lo que es una alternativa menos segura. Aquí ver figura 48; La polaridad Q2 está mal dibujada es una fuente de corriente logarítmica; súmelo con un sumidero de corriente dependiente de la luz, y la corriente resultante es una señal de error de bucle adecuada.

El uso de una señal de error de registro es un enfoque potencialmente inadecuado. Dado que log no es una función lineal, tampoco lo será el error, y la ganancia del bucle cambiará con el nivel de error. Esto no es (necesariamente) un problema, pero puede provocar inestabilidad si se varía el punto de ajuste del bucle. Alternativamente, si el lazo se modifica para una buena respuesta en puntos de ajuste bajos, será lento en puntos altos.
@WhatRoughBeast: sí, hay problemas de estabilidad. Un fotodiodo capacitivo debería ser lento para responder a corrientes bajas, que es la dirección "correcta" para la estabilidad. También se quiere comprender la respuesta del láser a la señal de control.
Gracias por aclarar que "la sensibilidad al ruido del bucle será deficiente en el nivel más bajo" es exactamente el problema. He oído hablar del amplificador de registro, es bueno que insinúes problemas de estabilidad debido a la no linealidad. A veces, se utilizan sus sugerencias de usar varios PD con diferentes atenuadores. Sin embargo, me cuesta imaginar cómo esto puede ser adecuado cuando, por ejemplo, se aplica una rampa lineal en todo el rango de potencia: ¿Cómo puedo cambiar entre los diferentes fotodiodos mientras mantengo el bloqueo PID, especialmente cuando la rampa dura solo unos pocos cientos de milisegundos?
@A.Impertro: si se pretende una rampa (lineal, no logarítmica), ¿podría ser que 40W +/- 0.01W a 0.01W +/- 0.01W sea una precisión lo suficientemente buena? También hay interruptores electrónicos, si realmente usa tres diodos y tres preamplificadores, un cambio entre tres señales de control podría ser lo suficientemente rápido como para ser indetectable.
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