MAJOR – Serie

Eine neue Series von digitale Photodioden Sensoren (DPDS)

» Gepostet am 11.Aug.2013

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MAJOR – Eine Serie von Photodioden Modulen

 

LASER COMPONENTS hat eine komplett neue Serie von digitalen Photodioden im Markt eingeführt, die auf dem ACU2 Modulen basiert sind: die MAJOR-Serie. Diese Sensormodule sind universell und flexibel einsetzbar und können ihre Verwendung  in neuen und bestehenden Systeme finden oder aber auch als OEM Produkte eingesetzt werden. Die Produktreihe umfasst folgende Hauptgruppen:

 
  • C-MAJOR: SiC, 220 nm bis 380 nm
  • D-MAJOR: InGaAs, 500 nm bis 1700 nm
  • E-MAJOR: Extended InGaAs, 650 nm bis 2200/2600 nm

Alle MAJOR Module sind in M12x1 Gehäusen erhältlich und sind in der Lage über ihren RS-232 Schnittstelle mit der Außenwelt zu kommunizieren. Aus Sicht ihrer Schnittstelle, sind diese Sensormodulen in zwei Gruppen aufgeteilt:

 
  1. MAJOR-A Module mit analogen & digitalen Ausgängen für Einzelbetrieb
  2. MAJOR Module mit ausschließlich digitalen Schnittstellen zur Vernetzung der Module

Die Elektronik ist in beiden Gruppen die gleiche. Bedingt durch die limitierte Anzahl der Anschlüsse an der M12 Gehäuse, können nur 8 der 12 möglichen Anschlüsse der Elektronik ausgeführt werden. Diese Tatsache erzeugt die zwei genannten Gruppen, gefolgt mit einer dritten kundenspezifische Variante mit zwei Anschlüsse für Steuerimpulse zum Ansteuern des Modules bzw. ansteuern von externen Geräten.

Während die erste Gruppe ihren Fokus auf einzeln betriebene Module mit analogen oder digitalen Ergebnisse an übergeordnete Systeme hat, ist die zweite Gruppe darauf ausgerichtet, dass sie alle über einen gemeinsamen digitalen Bus ihre Daten an einander oder an übergeordneten Systeme übermitteln.

Bei der digitalen Vernetzung der Module sind keine Begrenzungen für die Anzahl der verwendeten Modulen und die Länge der Kette gegeben, solange der Abstand zwischen zwei hintereinander folgenden Sensormodulen nicht 30 Meter übersteigt. Diese Gruppe der MAJOR Module haben zwei unabhängige seriellen Schnittstellen. Damit lässt sich eine Reihe von Sensormodulen bilden. Die Begrenzung in dieser Konfiguration ist die Bandbreite der Datenkommunikation. Die Anzahl der simultan übertragenen Daten über eine Strecke kann nicht die maximale Übertragungsrate von 115200 Baud übersteigern. Die Daten können aber hintereinander übertragen werden. 

Bei der ersten Variante, die MAJOR-A Gruppe, weisen die Sensormodulen einen analogen und einen digitalen Schnittstelle auf. Dadurch können die gemessenen Sensorwerten sowohl digital als auch analog einem übergeordneten System übermittelt werden. Gleichzeitig kann ein analoger Wert für die Temperatur des Moduls abgegriffen werden. Der analoger Ausgang des Sensorwertes steht als konditionierter Wert am Ausgang zur Verfügung. Anstatt einen analogen Wert für die Temperatur kann auch eine Benutzer definierte, in der Software errechnete Wert am Ausgang ausgegeben werden.

 

Merkmale

 
  • Kleiner Formfaktor (M12x1 Gewinde-Gehäuse, 65mm lang)
  • Komplett integrierter Sensorsignalkonditionierung und Bearbeitung
  • Beinhaltet eine 12-Bit AD-Wandler mit 200ksps und dynamish einstellbaren Eingangsbereich
  • Sensorablesegenauigkeit bis zu 4µV/LSB mit automatische Verstärkung
  • Temperatur- und Rauschkompensationsmöglichkeit
  • Speicherung von Sensordaten mit Zeit- und Temperaturstempel
  • Ausgabe von Sensordaten und die Temperatur bei der Messung
  • Digitale Kommunikation über RS-232: Zwischen Modulen selbst und zwischen PC und Modulen 
  • Zwei unabhängige RS-232 Schnittstellen pro Sensormodul
  • Steuereinheit unabhängige Kommunikation zwischen vernetzten Modulen
  • Möglichkeit der Portierung von Benutzer-Applikationen

 

Neuste MAJOR Module

Die Detektoren der MAJOR Produktfamilie sind auf basis von InGaAs, x-InGaAs, Pbs, PbSe oder SiC Materialien aufgebaut und werden von Laser Components GmbH hergestellt. Durch eine gemeinsame Kooperation hat Laser Components das weltweite Exklusivrecht zum Vertrieb der MAJOR Module.

Folgende MAJOR Module sind direkt bei  Laser Components unter der Bezeichnung “ Digital Photodiode Sensors (DPDS) „ erhältlich:

  Artikel #   Name   DPDS Module mit digitalen & analogen Ausgänge
  3009081   C-MAJOR-4-1212-1.0-A   SiC Digital Photodiode 1.6mm²
  3009082   C-MAJOR-4-2525-1.0-A   SiC Digital Photodiode 5mm²
  3009083   C-MAJOR-4E-0505-1.0-A   SiC Digital Photodiode 0.5×0.5mm², eryth.
  3009085   C-MAJOR-4-1010-1.0-A   SiC Digital Photodiode 0.965mm², TO18
  3009086   D-MAJOR-17-3000-1.0-A   InGaAs Digital Photodiode, 3mm, 1.7µm
  3009087   D-MAJOR-17-1000-1.0-A   InGaAs Digital Photodiode, 1mm, 1.7µm
  3009088   E-MAJOR-22-1000-1.0-A   x-InGaAs Digital Photodiode, 1mm, 2.2µm
  3009089   E-MAJOR-26-1300-1.0-A   x-InGaAs Digital Photodiode, 1.3mm, 2.6µm

 

 

Kurze Einführung

Die Module sind in der Lage Sensordaten zu messen, konditionieren, bearbeiten und speichern ohne das eine übergeordnete Prozessebene benötigt wird. Ergebnisse können mit vorher festgelegten Werte verglichen werden, um Ereignisse auszulösen oder Befehle für andere im System abzusetzen.

 

 ACU2_block_diagram

Wie im Blockdiagramm dargestellt sind die Module mit einem internen Temperatursensor sowie eine programmierbare analoge Sensor Schnittstelle als Frontend ausgestattet. Zusammen mit einem AD-Wandler, einen 16-Bit µController und einen externen 4 MByte großen nicht flüchtigen Speicher sind die Sensor Module eine ideale Lösung für viele Anwendungen in der Industrie.

Die digitale Datenverarbeitung ist auf eine 16-Bit RISC Prozessor mit 16 MIPS, 128kByte Flash und 10kByte SRAM aufgebaut. Der AD-Wandler ist eine im Prozessor integrierter 12-Bit, 200ksps schnellen SAR-Konverter mit intern erzeugten Referenzspannung.

Das analoge Signal erreicht den AD-Wandler über einen programmierbarer Verstärker (PGA), welcher über die Software gesteuert werden kann. Gleichzeitig kann die Software eine Offsetspannung als Referenz einstellen, um den Schwellwert für das Nutzsignal einzustellen oder aber auch unerwünschten Rauschpegeln am AD-Wandler auszublenden. Dadurch kann sehr flexibel der Eingangsbereich des Nutzsignales, das von Interesse ist, optimal dem Eingangsbereich des AD-Wandlers angepasst werden. 

Die Elektronik weist eine totale „trans-impedance“ Verstärkung von 1,28·108V/A auf. Diese Verstärkung bildet sich durch ein trans-impedance Verstärkung von 10V/A und eine reine Spannungsverstärkung von 2n aus, wobei m = { 1 bis 6 } und  n = { 0 bis 7} sein kann. Die reine Spannungsverstärkung wird über die Software gesteuert. Die trans-impedance Verstärkung wird durch einen festen Widerstand, abhängig der verwendeten Detektoren, während der Produktion festgelegt.

Die digitale Schnittstelle ist mit einem RS232 Sender-Empfänger mit 3 Ein- und 5 Ausgängen ausgestattet. Alle Anschlüsse sind bis zu ±8kV durch die „IEC 61000-4-2 Air-Gap discharge method“, bis zu ±8kV durch die „IEC61000-4-2 Contact Discharge method“, und bis zu ±15kV durch die „Human-Body Model“ Definitionen geschützt.

Die analoge Ausgänge sind für Ströme bis zu 200mA Spitze und 60mA Dauerstrom ausgelegt und können kapazitive Lasten bis zu 780pF treiben. Der Ausgangsverstärker besitzt ein slew rate von 10V/µs und eine Verstärkungsbandbreite (GBWP) von 10MHz. 

Aufgezeichnete Sensordaten können als binäre Daten, oder aber lesbare Werte zu einem PC übermittelt werden. Die MAJOR Module besitzen einen Befehlsinterpreter, um lesbare Befehle direkt vom Benutzer zu erhalten.

 

InGaAs Photodioden der Serie IG17

Die IG17-Serie ist ein „panchromatic PIN Photodiode mit einem spektralem Bereich von 500nm bis 1.7 µm. Diese Detektor Serie  ist für Bedürfnisse der Anwendungen im Bereich der Radiometrie und Spektroskopie konzipiert worden. Sie besitzen excellente Eigenschaften im Kombination mit außerordentlich guten Empfindlichkeiten über einen weiten spektralen Bereich.

 

Merkmale

 
  • 50 % Cut-off Wavelength ≥ 1.65µm
  • Typische maximale Empfidlichkeit: 1.05 A/W
  • Excellente Temperaturstabilität
  • Verringerten „Edge“ Effekte

 

APPLICATIONS

 
  • Spektrophotometer
  • Dioden-Laser Überwachung
  • Kontaktlose Temperaturmessungen
  • Flammen Kontrolle
  • Feuchtigkeitsmessungen

 

Elektro-Optische Eigenschaften

 

Artikel-
nummer
Diameter
[µm]
Shunt-Widerstand
@ VR= 10 mV
[MOhm]
Dunkelstrom
@ VR= 5 V
[nA]
Kapazität
@ VR= 0 V [pF]
Durchbruch-spannung
[V]
    Min. Typ. Typ. Max. Typ.  
IG17X250S4i 250 200 830 0.4 4 15 0.73
IG17X1000S4i 1000 20 75 2 20 215
IG17X1300S4i 1300 10 40 5 50 305
IG17X2000G1i 2000 5 25 10 100 700
IG17X3000G1i 3000 3 15 20 200 1550

 

 Ideal Diode ID Dunkelstrom
IPH Photostrom
IR Rauschstrom
CS Shunt Kapazität
RP Parallel oder Shunt
Widerstand

 

MAJOR_Photosensitivity_Linearity

 

MAJOR_Spectral_Responce

 

MAJOR_Shunt_resistance_vs_Temperature

 

IG17series_current_Irradiance

 

MAJOR Modul Arbeitsmethode

 

Photodiode_operation

 

Wie im Bild dargestellt, kann ein Photodiodendetektor zur Messung mit oder ohne Vorspannung UR betrieben werden. Die MAJOR Module werden in Photovoltaic Modus betrieben. Das heißt UR=0 und dadurch ist auch ID=0. Das führt zu einer größeren Kapazität CS im Detektor und damit zu langsamere Reaktionszeiten. Vorteilhaft ist dabei aber die rauscharmere Messung von Signalen.

Unabhängig der verwendeten Detektor im Modul, misst die Elektronik nur die Spannung über den Lastwiderstand RL. Die blaue Linie im Bild oben stellt den Arbeitsbereich des Widerstandes RL in der Elektronik dar.

Die einfallende Lichtenergie auf dem Detektor erzeugt ein Photostrom IPH, welcher durch die im Dioden Ersatzschaltbild dargestellten Elemente selbst und durch den extern angeschlossenen Lastwiderstand belastet wird. Wenn RL<<RP (mindestens um Faktor 1000), dann können die anderen Teile des Diodenersatzschaltbildes inklusive des Rauschstromes IR vernachlässigt werden. Der AD-Wandler im MAJOR misst nur die Spannung, die über den Lastwiderstand entsteht. Die Spannung die durch RL·IS sich bildet, wird konditioniert und zur Messung an dem AD-Wandler geführt. Der maximaler Wert der Spannung am Lastwiderstand darf die Durchbruchspannung der Diode nicht übersteigen. Diese ist im Datenblatt mit 730mV angegeben. Die gewählte maximale Grenze im MAJOR Modul für die Spannung über den Lastwiderstand ist auf 500mV festgelegt worden, um Nichtlinearitäten zu vermeiden.

 

Modul Charakteristiken 

 

MAJOR_conversion_characteristics

 

Standard MAJOR Module sind für die Messung von schwachen Signalen optimiert. Unter der Betrachtung der gewählten 500mV maximalen Detektorspannung und einem eingebauten Lastwiderstand von RL=10kΩ, ergibt sich eine maximal erlaubte Lichtintensität, welche im Detektor zu einem Photostrom von IPH=50µA führt.

Unerwünscht einfallendes Licht inklusive alle Rauschströme die im Detektor entstehen können, führen zu einer unerwünschten Spannung über den Lastwiderstand RL. Diese Spannung kann in der Software über einen einstellbaren Offsetspannung Voffset komplett ausgeblendet werden, so dass der AD-Wandler diese gar nicht sieht und der dynamischer Bereicht des AD-Wandlers nicht durch diese Spannung verkleinert wird.

Je nach Anwendung kann der Benutzer den erwünschten Signalbereich am Eingang optimiert dem AD-Wandler zuführen, um den maximal möglichen Sensibilität durch die Elektronik ausschöpfen zu können. 

 

MAJOR Modul relevante Informationen und Links

 

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