Compensación de temperatura de fotodiodo

El objetivo es diseñar un circuito que pueda medir con precisión la intensidad de la luz con poca dependencia de la temperatura.

La aplicación común usa fotodiodos para hacerlo.

Los fotodiodos se pueden medir en modo fotovoltaico o en modo fotoconductor.

La advertencia es que los fotodiodos tienen una fuerte dependencia de la temperatura de casi el 1% para 10°C, y necesito corregirlo.

Una idea que tuve pasando por algunos esquemas sería diseñar una medida diferencial entre dos fotodiodos idénticos en modo fotovoltaico.

Los fotodiodos estarían en el mismo PCB y encima de los fotodiodos se pegaría una pieza de material traslúcido y difusor y luego se cubriría con una carcasa oscura que está abierta por un lado.

La luz vendría de un lado, incidiría en el primer fotodiodo y luego incidiría en el segundo con una intensidad más baja a medida que se difunde a través del material.

Un circuito de amplificación compararía la diferencia entre los dos fotodiodos y el circuito general calibrado con una fuente de luz conocida.

¿Funcionaría este principio, o hay un problema que pasé por alto?

¿Quizás una solución más simple es posible?

Existe un esquema que funciona en modo fotoconductor y corrige la corriente oscura, pero parece haber otros factores que contribuyen a la dependencia de la temperatura, ¿quizás son insignificantes?

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Sería una sabia elección enlazar con el PD en cuestión.
El PD aún no se ha seleccionado, puede depender de los hallazgos de la pregunta o de una investigación adicional.
Entonces, su advertencia es para todos los PD, ¿sí? Si es así, vincule al menos un dispositivo típico que indique esto.
Sí, es para todos los PD. No siempre se indica en la hoja de datos, pero aquí hay un ejemplo: TEMD7100X01
Tenga en cuenta que en este dispositivo podemos ver que la corriente oscura contribuye a aproximadamente un 6% de deriva sobre 10 ° C si hay una iluminación de 1 sol.

Respuestas (2)

Si tiene fotodiodos idénticos y uno está iluminado con una fracción constante de la iluminación del otro, la diferencia de voltajes será kT/q*ln(intensidad1/intensidad2); este es un voltaje pequeño; independiente de la intensidad de la luz real; y cambia proporcionalmente a la temperatura en Kelvins.

Podría iluminar uno con una luz constante ; entonces, su salida seguiría siendo proporcional a la temperatura ambiente y al registro de la intensidad medida.

Para mayor precisión, puede medir la fotocorriente con 0 V en el fotodiodo. Esto se puede hacer conectándose a la tierra virtual de un amplificador operacional (entrada '-') y una resistencia entre eso y la salida. El voltaje de salida será proporcional a la intensidad de la luz aplicada, con una pequeña variación (disminución) con la temperatura. Esto funciona bien para niveles de luz extremadamente bajos donde las fugas (a través del fotodiodo u otras partes de su circuito) pueden ser significativas.

Si tiene niveles de luz más altos, es mejor polarizar inversamente el fotodiodo (en unos pocos V); entonces la fotocorriente será casi independiente de la temperatura y seguirá siendo lineal con la intensidad.

No veo cómo restar una señal dependiente de la temperatura de una señal dependiente de la temperatura más pequeña tiene mucho valor. Tal vez podría explicar, utilizando ecuaciones en lugar de palabras, cómo cree que podría funcionar esto.

La "fuente de luz conocida" probablemente resultará más difícil que simplemente medir y compensar la temperatura directamente. 1% para 10 °C no es una dependencia de temperatura muy fuerte, por lo que no debería necesitar mucha precisión en su circuito de medición/compensación de temperatura.

La salida de los LED, por ejemplo, varía con la temperatura y el tiempo. Los fotodiodos son al menos bastante invariantes en el tiempo.

Editar: no veo nada de malo en esto, pero es posible que me esté perdiendo alguna sutileza del comportamiento de PD. Obviamente dependerá de que los fotodiodos estén emparejados en características ya la misma temperatura. Las compensaciones de resistencia de derivación y corriente oscura deben seguir.

No estoy seguro de cuál es el punto de darle alguna luz a la referencia oscura PD. Si le da mucha luz, los voltajes de polarización permanecerán igualados pero cambiarán de casi exactamente 5V a un poco menos.

Tengo una fuente de luz absoluta de referencia calibrada secundaria, por lo que ese no es el problema. Además, no es una aplicación LED. Y necesito estar en el rango de 0,1 % por cada 10 °C de desviación. Es una práctica común medir el diferencial entre dos del mismo sensor mantenido en diferentes condiciones para reducir las incertidumbres. En el esquema, dado que los dos fotodiodos tienen la misma fotocorriente oscura, que es la causa principal de la dependencia de la temperatura, simplemente se cancela.
Habría asumido que en su modo PV propuesto habrá ~ 0 V en el PD, por lo que la corriente oscura no será un factor. El esquema es para el modo fotoconductor, por supuesto.
La pregunta está abierta a ambas implementaciones, ya que puede ver el esquema de su modo fotoconductor. El modo PV tiene variaciones de recombinación y derivación que dependen de la temperatura, que también depende del espectro, por lo que sería un poco más complicado.
Coloque su fotodiodo en un horno, o al menos tenga un circuito de control que lo mantenga a una temperatura constante. (es decir, un enfriador o TEC) Entonces su dispositivo siempre está a la misma temperatura y no se requiere corrección de TC.
Es una posibilidad pero no puedo en mi diseño particular por el costo que implicaría. (estaría bien para 1 sensor pero tengo cientos de ellos). @Duck
@SpehroPefhany a su edición, Exactamente, se trata de la sutileza profunda de la PD que también me falta, de ahí la pregunta. El punto de poner algo de luz es que no me convence que en modo oscuro el comportamiento sea exactamente el mismo. Sería lo mismo para la corriente oscura, pero tal vez no para la recombinación (que es la derivación). Si la dependencia de la temperatura de recombinación fuera insignificante, la compensación oscura podría ser suficiente. Creo que construiré y probaré el circuito.
Había pensado lo mismo sobre restar la corriente de un fotodiodo oscuro de la corriente del fotodiodo activo y me animó cuando vi esta publicación, en otros lugares, artículos de los que provino el circuito, y también un artículo de Hamamatsu que hace algo similar en modo fotovoltaico. Desafortunadamente, al menos en mi aplicación, parece no lograr nada (puede haber algo más). Me preguntaba si habías tenido éxito con tus intentos.
Compensación de temperatura de fotodiodo
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