Lichtmessung

Letztes Update 21.02.2003

5.2 Lichtmessung mit LEDs


Umrechnung für Strahlungsleistung in Beleuchtungsstärke für Normlicht.

1 µW/cm2 = 0,01 W/m2 = ca. 0,21 Lux [lm/m2]

Der Photostrom einer LED liegt im µA Bereich. Die folgenden beiden Bilder zeigen die Kennlinie einer gelben LED. Die rote Kennlinie wurde bei Dunkelheit und die blaue Kennlinie (mit einer Glühlampe als Lichtquelle) bei ca. 800 Lux aufgenommen.

Eine typische Diodenkennlinie. Ab 1,45 Volt ist bei der LED Licht zu sehen.

Zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung wird ein Transimpedanzverstärker benutzt.

C1 verringert das Rauschen, verringert jedoch auch die Bandbreite der Schaltung. Der OP sollte eine möglichst kleine Eingangs-Offsetspannung besitzen.

Als Test wird R = 1,058M Ohm, C = 47nF, OP = TS912, LED = 5mm gelb, Vcc = 5V gewählt.
Licht [Lux] Ua [V] I LED [µA]

0

0,005

0,005

800

0,432

0,408

Für die Messung von geringen Lichtstärken kann man auch mit einem logarithmischen Verstärker arbeiten.

An der Bestimmung der Parameter a1 und a2 wird noch gearbeitet. Ich habe zwar schon mit dieser Schaltungsvariante gearbeitet, und sie funktioniert auch gut, aber um aus den gemessenen Signalen auch den Photostrom zu berechnen brauche ich erst mal eine Lichtquelle, mit der man reproduzierbare Lichtintensitäten erzeugen kann.

Berechnungsversuch

Gleichung der Diodenkennline

Is = Sperrstrom
UT = Tempertaurspannung

k = Boltzmann Konstante
T = Absolute Temperatur
e = Elektrische Elementarladung

Gleichung der Basis-Emitter Kennlinie eines Transistors.

m liegt beim Transistor mit sehr guter Näherung bei 1

In der Schaltung ist die Basis mit dem Collector verbunden um durch einen offenen Eingang Störungen zu vermeiden.

Grundgleichung: I0 = I1

Beim Licht-Spannungswandler ist I0 der Strom, der von der LED geliefert wird.

I1 ist der Strom durch die Transistordiode.

Da UN der virtuelle Nullpunkt des OP ist, ist UBE identisch mit Ua.

ICS ist der Sperrstrom der Diodenkennline und muß dem Datenblatt entnommen werden

UT ist die Temperaturspannung und kann zur Temperaturkompensation berechnet werden.

Ua wird gemessen.

Der Diodenstrom kann jetzt auch für den logarithmischen Verstärker berechnet werden.

Leider steht keine Pico-Ampere-Stromquelle zur Verfügung um das ganze zu überprüfen.

Dies reicht zur Temperaturkompensation jedoch nicht aus, denn in der Regel sollte sich der Verstärker so dicht wie möglich am Sensor befinden, d.h. zusätzlich zum Sensor sind auch noch der Transistor und der OP der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Der Sensor hat eine lineare Temperaturabweichung, weil wir uns im 3. Quadranten der Kennlinie bewegen und laut Datenblatt ebenso der OP. Für die Ermittlung dieser linearen Korrekturfaktoren kann deshalb gut ein linearer Verstärker benutzt werden.