Lichtmessung

Letztes Update 21.02.2003

5.4 Referenzlichtquelle


Umrechnung für Strahlungsleistung in Beleuchtungsstärke für Normlicht.

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

3.9.4 Referenzlichtquelle

Diese Lichtquelle soll kein High-Tech-Produkt sein. Um eine echte Referenzquelle zu Erzeugen fehlen mir die Kalibriermöglichkeiten und die mechanische Werkstatt. Es sollte aber schon möglich sein, reproduzierbare Helligkeiten zu erzeugen und vielleicht sogar mit einem Lux-Meter eine ungefähre Skala zu erstellen.

Die Helligkeitsregelung besteht aus einem Rechtecksignal dessen Tastverhältnis zwischen 1 und 99 digital einstellbar ist und damit immer sicher reproduzierbar ist.

Die Schaltung und die Mechanik sind fertig. Ergebnis: das ganze ist nicht zu gebrauchen. Das Tastverhältnis ist zwar sehr schön einstellbar, und dadurch auch die Helligkeit der Lampe, aber selbst bei einer Frequenz von ca. 100 KHz ist diese Frequenz noch bei der Empfänger LED zu erkennen und sorgt für ein schwankendes Meßsignal. Außerdem hat sich gezeigt, das Unterteilung in 100 Schaltstufen albern ist. Wenn die Helligkeitsstufen so dicht zusammenliegen sind die Unterschiede zwar noch so gerade zu erkennen. 10 Stufen reichen völlig aus.


Deshalb wird die Helligkeitsregelung auch jetzt auf die herkömmliche Weise durchgeführt.

Bei dem Schaltplan handelt es sich um eine Standardanwendung des LM317. Der regelbare Widerstand wurd hier nur durch umschaltbare Widerstände ersetzt, so das sich die Ausgangsspannung für jede Schaltstufe zwischen 1,5 und 6,5 Volt um 0,5V ändert.

Das Netzteil, die Schaltung und die Glühbirne sind in einem Alu-Profilgehäuse untergebracht. In der Seitenplatte ist ein Loch von 5mm Durchmesser um eine LED aufzunehmen. Wie im obigen Bild zu sehen hat das ganze einen kleinen Nachteil. Die LED ist thermisch mit dem Gehäuse gekoppelt. Je länger die Glühbirne an ist, je mehr erwärmt sich die LED und je größer wird der Photostrom. Der Temperaturkoeffizient ist bei längerer Beleuchtungdauer nicht mehr zu vernachlässigen. Da keine dicke Lichtfaser zur Verfügung steht um eine themische Entkopplung durchzuführen muß das Problem durch die Schnelligkeit des Meßvorganges gelöst werden. Wird vom ungünstigsten Fall ausgegangen (volle Lichtleistung) dann sollte der Meßvorgang nicht länger als 2 Minuten dauern damit die Meßwertabweichung nicht größer als 1% wird.

Das Bild zeigt die Glühlampenleistung, die mit einem Luxmeter gemessene Beleuchtungsstärke und den Photostrom. Der Photostrom wurde für dir Grafik mit dem Faktor 20,7 multipliziert um die Übereinstimmung mit der Beleuchtungsstärke zu erkennen.

Das Bild zeigt die Reproduzierbarkeit von Messungen, Dazu wurde im Abstand von 60 Sekunden die Glühlampe für 10 Sekunden eingeschaltet. 10 mal für jede Spannung von 2V bis 6V. Der relative Fehler liegt unter 0,5%. Auffällig ist die Abweichung bei der Spannung von 4Volt. Bei den vorherigen Messungen ist dieses zappeln schon öfters in diesem Bereich aufgefallen. Die Glühbirne scheint hier einen etwas unsicheren Arbeitsbereich zu haben. Aber selbst ein Relativer Fehler von unter 1,2% ist noch ganz akzeptabel.


Bei der nächsten Version werden als Lichtquelle zwei weiße LED's mit einer Lichtstärke von je 9000 mcd genommen. Der Vorteil ist, das keine Wärmeentwicklung stattfindet, der Nachteil jedoch, das keine Infrarote Strahlung erzeugt wird. Deshalb wird noch zusätzlich eine IR-Led mit möglichst breitem Spektrum eingebaut. Die zweite weiße LED und die IR Led können jeweils über einen Schalter ausgeschaltet werden.

Regelbare Konstantstromquelle

Die Helligkeit der LED's wird über eine regelbare Konstantstromquelle gesteuert. Jede LED besitzt seine eigene Stromquelle wie sie im obigen Bild zu sehen ist. Mit einer Eingangsspannung von 0 bis 5 Volt wird ein Strom von 0 bis 50 mA eingestellt. Da der OP nicht exakt bis 0 V runterregelt wird noch ein 4,7 kOhm Widerstand parallel geschaltet.

Die Schaltung ist in einem kleinen schwarzen Kunststoffgehäuse untergebracht. Für die Lichtaustrittsöffnung wurde ein Loch von 5mm gebohrt. Der Abstand von der LED zur Öffnung beträgt 35mm.

Schaltplan für SPlan 5.0 (Hinweis)

Layout für Sprint-Layout 4.0 (Hinweis)

Stückliste

Alle folgende Messungen wurden ohne IR-LED durchgeführt. Die blaue Kurve ist die Lichtstärke von einer weißen LED und die rote Kurve die Lichtstärke von zwei weißen LED's.

Zusammenhang zwischen Diodenstrom und Lichtstärke. Aufgenommen mit einem Luxmeter.

Zusammenhang zwischen Diodenstrom und Lichtstärke. Aufgenommen mit einer gelben LED.

Zusammenhang zwischen Diodenstrom und Lichtstärke. Aufgenommen mit einem TSL230.

Zusammenhang zwischen Diodenstrom und Lichtstärke. Aufgenommen mit dem Fotowiderstand M9960.

Änderung der Lichtleistung über die Zeit. Aufgenommen mit einer gelben LED.

Wird die Lichtquelle eingeschaltet und über eine längere Zeit betrieben, dann kann sich die Lichtleistung um bis zu 7% verringern. Zur Erzeugung von reproduzierbaren Messeungen ist also auch die Einhaltung der Meßdauer und der Zeitpunkt der Messung entscheidend.

Für die Spannungsversorgung der Schaltung wird ein Standard Steckernetzteil benutzt. Es ist jedoch darauf zu achten, das kein Schaltnetzteil benutzt wird, weil die Schaltfrequenz bei einem schnellen Sensor zu sehen ist. Das Ganze macht sich dann als Meßwertschwankung bemerkbar.