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Esposimetro Analogico

Discussioni su tutto ciò che riguarda l'elettronica e le sue applicazioni
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luix
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Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 24/11/2020, 17:36

Buona sera a tutti,

essendo un appassionato di fotografia analogica è da un pezzo che mi gira per la testa di progettare e realizzare un esposimetro analogico.

alla domanda " ma costa solo 50 euro su internet" la mia risposta è "si ma vuoi mettere lo sfizio di progettare qualcosa e smadonnare quando non funziona per poi esultare quando il progetto è portato a termine?"

fatte queste premesse, la mia idea è di usare dei componenti abbastanza moderni e di infilare il tutto in un case in stile vintage con la lancetta analogica, il case andrebbe fatto in stampa 3D e da qui le prime due domande:

1) qualcuno bazzica nella stampa 3D?
2) che programmi servono per poter diesegnare un pezzo e portarlo a stampare?

Tra i vari componenti di facile reperibilità ho scelto il fotodiodo BPW34 che è un fotodiodo general purpose ed ha bisogno di un filtro per gli infrarossi, facilmente reperibile smontando vecchie fotocamere compatte o semplicemente prendendo la sua versione su RS con tale filtro già applicato.

Il fotodiodo può lavorare in due modi:
1) modalità fotoconduttiva: la giunzione va polarizzata inversamente cioè anodo al - e catodo al +, è veloce ma non lineare
2) modalità fotovoltaica: la giunzione non va polarizzata, nel senso che anodo e catodo devono essere allo stesso potenziale, è più lenta ma lineare.

Dovendo leggere un valore di illuminazione la modalità più utile è la fotovoltaica, per tale modalità basta collegare il diodo con il catodo sul pin invertente di un opamp e l'anodo sullo stesso riferimento che si da al pin non invertente dell'opamp, in questo modo l'operazionale sbrigherà il compito di mantenere uguale la tensione ai due pin (se ovviamente lo si usa ad anello chiuso) e la condizione zero bias sarà mantenuta.
TIA.png
TIA.png (6.05 KiB) Visto 580 volte
Il diodo, colpito dalla luce genera una certa corrente inversa, che quindi passa da catodo ad anodo, per questo diodo viene specificata una corrente di circa 750nA/lux.

Ho comprato un luxmetro per poter fare delle misure precise della luce ambiente e poterle poi confrontare con quello che dice il diodo.

Problema, in fotografia si usa una scala che viene chiamata Exposure Value ed è una scala lineare che che può andare da 0 a 18 e che però sottende una misurazione logaritmica, cioè ogni EV corrisponde praticamente a un raddoppio dei lux, ad ogni EV corrisponde una serie di coppie [tempo di otturatore, apertura], la scala la trovate qua sotto:
e39a30a2cacad834bfb48dce0e821ca0.png
Ogni EV viene detto STOP in gergo fotografico.

Soluzione: un amplificatore logaritmico analogico!

Visto che il diodo è un current sink (tira corrente verso di se) l'amplificatore logaritmico dovrà essere fatto con transistor PNP.
Mamma Texas Instruments fornisce un bel tutorial su come realizzare un amplificatore logaritmico e come compensarlo in temperatura (con una PTC) lo trovate qua sotto:
slyt088 logamp app note.pdf
(174.56 KiB) Scaricato 9 volte
In pratica quello che viene misurato è la differenza tra la corrente del fotodiodo e una corrente di riferimento, la corrente di riferimento ho pensato di tirarla fuori utilizzando un semplice LM336-2.5 e una resistenza, visto che il pin invertente dell'opamp fornisce una massa virtuale e che quindi la corrente sarebbe semplicemente I = Vref/R.

Da questo sito https://meetjestad.nl/en/Experiment_-_L ... ute_Bergen si evince che il BPW34 con un semplice filtro davanti può misurare fino a 116'000 lux che corrispondono a circa 15.5EV, se il diodo riuscisse a misurare fino un po di più sarebbe fantastico, devo vedere un po come fare, probabilmente la strada giusta è quella di attenuare la luce con un filtro ricavato dal diffusore delle lampade a led e poi prevedere un amplificatore che possa compensare l'attenuazione della luce... è tutto ancora da definire!

Al momento sono fermo all'amplificatore logaritmico che ho montato su breadboard e verificato che funzioni, ed effettivamente funziona, tra poco vi posto qualche screen dell'oscilloscopio.

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da robi » 24/11/2020, 22:02

Ciao Luix,

è quello che mi hai fatto vedere su whatsapp, vero? Che figata!
Son curioso di vedere gli sviluppi!

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da Kagliostro » 25/11/2020, 9:00

Ciao Luix

Dalle mie parti c'è un FabLab

iscrivendosi si ha la possibilità di usare le loro attrezzature ed un'attività che portano avanti e' proprio quella della stampa 3D

Credo che se ci sono anche dalle tue parti potresti sentirli per avere le info che ti servono e magari potresti commissionare la stampa che ti serve

---

Mio figlio è appassionato di fotografia analogica e con degli amici ha preso in affitto degli spazi dove hanno realizzato un laboratorio, di mio c'è un essiccatore per pellicole che ho realizzato sulle specifiche che mi han chiesto, un armadio da 45x45x210 circa (e la personalizzazione dell'impianto elettrico)

Purtroppo, causa il virus quell'attività e' in standby, avevano iniziato a tenere corsi di fotografia per principianti dando in uso il laboratorio agli iscritti

👋👋

Franco

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 25/11/2020, 11:08

Kagliostro ha scritto:
25/11/2020, 9:00
Ciao Luix

Dalle mie parti c'è un FabLab

iscrivendosi si ha la possibilità di usare le loro attrezzature ed un'attività che portano avanti e' proprio quella della stampa 3D

Credo che se ci sono anche dalle tue parti potresti sentirli per avere le info che ti servono e magari potresti commissionare la stampa che ti serve
Grandioso, non avevo pensato ai fabLab! ora li cerco!

Per tuo figlio, bella per lui! Magari quando il tutto sarà ultimato glie lo farò testare [icon_e_biggrin.gif]
robi ha scritto:
24/11/2020, 22:02
Ciao Luix,

è quello che mi hai fatto vedere su whatsapp, vero? Che figata!
Son curioso di vedere gli sviluppi!
Si, proprio quello...

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 26/11/2020, 12:36

Per il momento vi mostro quello che fa un amplificatore logaritmico:
DS1Z_QuickPrint1.png
Ho usato una rampa di tensione che va da 80mV a 6.5V, questa sarebbe una dinamica di sicurezza perchè alimentando un normale opamp a 9V l'uscita massima è un volt in meno dell'alimentazione, supponendo la batteria scarica a 8V avremmo una uscita massima di 7V.
Vedrò poi se usare degli opamp rail to rail... ci sono un mucchio di considerazioni da fare anche in un progettino con una manciata di componenti come questo.

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 26/11/2020, 15:17

Con l'amplificatore logaritmico sono fermo, ora sto smanettando un po con l'amplificatore a transimpedenza (TIA) che ho postato poco sopra.
La tensione di uscita di questi amplificatori è brutalmente Vu = - Id*Rf quindi in uscita si trova semplicemente un valore di tensione che corrisponde alla corrente puppata dal diodo moltiplicata per la resistenza ed invertita, il verso della corrente è tale per cui all'aumentare della luminosità aumenta la tensione di uscita.

Sulla breadboard non ho impostato nessuna compensazione, nella versione definitiva per evitare che oscilli qualche condensatore lo metto.

Al momento sto usando un TLC271 che consente di alterare l'offset e di regolare la potenza assorbita fino a 50uW collegando il pin 8 all'alimentazione.
Impostato a 50uW ovviamente lo slew rate scende drasticamente a 0.03V/us che in questo caso è solo un vantaggio perchè non sto misurando flash ma solo luce ambiente che varia di solito lentamente.
Il rumore aumenta ma non dovrebbe causare problemi considerando che ho intenzione di usare un guadagno massimo di 100mila e che sto misurando un segnale che non varia repentinamente e che si può considerare DC (tuttavia lo vedremo).
Il low power lo ritengo necessario per la giusta durata della batteria.

Dalle prove che ho fatto in attesa del benedetto luxmetro, con resistenza di feedback 1k:
- Luce diretta solare Vu = 0.5V -> Id = 500uA -> circa 6000 lux -> circa EV 11
- Penombra Vu = 0V

con resistenza di feedback da 100k:
- Stessa luce diretta solare Vu = 7.86V -> saturazione dell'uscita dell'opamp
- Stessa penombra Vu = 23.7mV -> Id = 237nA -> circa 1/3 di lux cioè 0.33lux -> circa EV -4

In questo momento non ho modo di oscurare del tutto il fotodiodo e verificare quale sia la corrente di leakage o dark current, il datasheet a 25°C la da come 1nA, considerando che al momento a casa mia ci sono 21°C posso ritenerla come 1nA e correggere la precedente Id minima in 236nA, il che non cambia le cose...

Per ora è tutto... Veder muovere la lancetta del multimetro cinese che gli ho attaccato è un piacere, spero di portare a termine questa impresa [icon_e_biggrin.gif]

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da mastrococco » 26/11/2020, 16:50

luix ha scritto:
24/11/2020, 17:36
2) che programmi servono per poter diesegnare un pezzo e portarlo a stampare?
Ciao Luix, non bazzico la stampa 3d ma per lavoro mi è capitato di interfacciarmi per dei preventivi. In genere è sufficiente fornire un file 3d "universale" tipicamente un .step o .iges che verrà caricato nel software di stampa. Sono gli stessi file che vengono usati per tutte le lavorazioni industriali su macchine a vari assi. Si possono esportare da qualsiasi cad 3d, ce ne sono diversi, abbastanza diffusi perlomeno in ambito meccanico sono Solidworks , Creo, Inventor... E' roba che costa un botto e nessun hobbista si può permettere ma alcuni permettono di scaricare liberamente una demo funzionante 30gg. Alcuni, come Autodesk Inventor, rilasciano delle licenze studente gratuite e rinnovabili dietro registrazione, ovviamente non per uso professionale, ma può essere una scappatoia se si è del settore.
Non mi risulta ci siano programmi gratuiti per la progettazione 3d, o perlomeno programmi che restituiscano un file parametrico utilizzabile.

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 27/11/2020, 9:26

Grazie mille!

La forma che vorrei realizzare è quella del Weston Master II che trovi qua sotto:
c97838b0-f667-478e-9935-3b8b87c31552.jpg
L'unica cosa è che dovrà essere un po più spesso perchè le attuali bobine mobili sono più profonde...
Quelli che si trovano purtroppo sono tutti starati o esauriti perchè la cella al selenio si esaurisce con gli anni, c'è una ditta che le rimpiazza ma è in UK e tra spedizione costo del lavoro la cifra è decisamente troppo alta...

A Torino esiste un FabLab solo che a causa pandemia io non mi muovo di casa!
C'è anche un negozio che permette di stampare 3D portando il file, non li ho ancora contattati ma lo farò presto...

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Sistema di alimentazione

Messaggio da luix » 27/11/2020, 11:05

Parliamo un attimo del sistema di alimentazione, vorrei alimentare il tutto con una charge pump perchè l'amplificatore logaritmico abbia una buona dinamica.

Dunque con un TC7660S (N.B. la S) genero una tensione duale di +17V e -8V a partire dalla batteria da 9V.

Il circuito classico:
TC7660S_circuit.png
Da datasheet questo IC assorbe 400uA per funzionare a 48kHz, cioè connettendo il pin 1 con il pin 8.

A 20mA ha una efficienza di conversione dell'80% che non è male.
TC7660S_eff.png
Semprea a 20mA, generando una tensione negativa si ha una caduta di tensione di 1V, cioè generando -9V ottengo in realtà -8V, il che è anche molto buono.
TC7660S_Vout-.png
Il data sheet consiglia condensatori da 10uF possibilmente al tantalio, cioè con basso ESR, considerando che quelli SMD costano pochissimo credo di poterlo accontentare :face_green:

Per il ramo che duplica la tensione di alimentazione a vuoto, il datasheet dice che l'efficienza di conversione è del 99% (a vuoto) quindi mi aspetto di trovare Vout+ = (2*Vbatt)-(2*Vd) = 18V - (2*0.4V) = 17.2V, il che è verificato, questo integrato è decisamente meglio del vecchio ICL7660.
Sul datasheet non c'è nessun grafico che mi dica quanto scende la tensione duplicata con il carico ma posso liberamente supporre che sia la stessa cosa che per la porzione negativa quindi a 20mA scenderà di 1V, ordunque mi aspetto di trovare 16.2V, lo verifico quanto prima.

Con una batteria da 9V scarica devo aspettarmi una caduta di tensione a 7V per cui il minimo di tensione negativa sarà -6V ed il minimo di tensione positiva sarà 12.2V, famo 12V.

Come si evince dallo screen del logamp, quando in ingresso (dal fotodiodo) ho 0V la tensione di uscita è negativa per cui devo dare un offset della tensione di 1.4V per non portare tutto a sinistra l'ago del microamperometro, la tensione massima di uscita è 6.5V che con il mio offset di 1.4V fa 7.9V, arrotondiamo a 8V, c'è ancora una buona dinamica anche in caso di batteria scarica.

Quasi dimenticavo, lo strumento analogico ha fondo scala 100uA per cui non è una fonte di preoccupazione per la durata della batteria.
La circuitazione invece si, con i valori attuali che ho sul logamp il riferimento di corrente è di 100uA mentre la corrente massima fornita dall'amplificatore del fotodiodo è di 1mA, valori piuttosto bassi.
Tutte le correnti assorbite dagli opamp vengono ovviamente dalla batteria per cui se vengono assorbite dall'alimentazione al doppio della tensione, la batteria vedrà una corrente raddoppiata (anche qualcosa di più per via del rendimento che è all'80%)
Se vengono assorbite dalla alimentazione negativa invece non vengono raddoppiate ma solo aumentate del 20% per via del rendimento diverso da 1.
Quindi, in sostanza, meno assorbono gli opamp e meglio è [icon_e_biggrin.gif]

Una tecnica per preservare la batteria è quella di mettere un interruttore che consente di misurare solo quando schiacciato, in questo modo si consuma batteria ogni volta che schiaccia il tasto.

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da Kagliostro » 27/11/2020, 13:36

La butto lì

E prenderne uno di palesemente starato a buon prezzo ed adattargli un circuito elettronico nuovo

Per nuovo non intendo una replica, altrimenti basterebbe cambiare i componenti difettosi e/o esauriti, ma un circuito tipo quello che proponi

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 27/11/2020, 15:30

già provato e non è fattibile [icon_e_biggrin.gif]

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da mastrococco » 27/11/2020, 17:00

Prova a googlare anche "prototipazione rapida" oltre a stampa 3d, trovi un sacco di gente che lo fa, dalla copisteria sotto casa al centro specializzato e molti fanno preventivi online, ma ci vuole già il file. Il costo generalmente non è molto influenzato dalla complessità del pezzo e varia con le dimensioni di massima e con la tecnologia utilizzata.
Per la progettazione dalla foto che giri non sembra niente di complicato da fare esternamente, bisogna vedere di quali attacchi/incastri hai bisogno internamente per la chiusura dei gusci e l'alloggiamento delle interiora. Ti conviene avere già i pezzi pronti da assemblare prima di mandare in stampa...

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da Kagliostro » 27/11/2020, 20:01

già provato e non è fattibile
e te pareva, sarebbe stato troppo bello

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Re: Esposimetro Analogico

Messaggio da luix » 30/11/2020, 17:24

Ho preso giusto un paio di misure sul fotodiodo coperto con una lastrina di vetro anti IR recuperata da una vecchia fotocamera compatta (si questi diodi sono sensibili anche agli IR il che sballerebbe le misure):

Resistenza del TIA: 1M
Condensatore del TIA: 3.9nF

44 Lux -> 580mV -> 580nA
23 Lux -> 255mV -> 255nA

dA/dLux = (580-255)/(44-23) = 15.5nA/Lux

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