Luxmeter Experiment Page in English
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Luxmeter Experiment

Ich habe mir ein Ex­peri­men­tal-Projekt ge­gönnt um mit Photo­dioden zu ex­perimen­tieren. Ich muss be­tonen, ich hatte tat­sächlich noch nie vor­her mit Photo­dioden zu tun (aus­ser dass ich mal eine ge­sehen habe...). Eine simple Ex­perimen­tal-Pla­tine wurde ent­wickelt um zwei Ver­sio­nen zu Tes­ten:

Beide Vari­anten kön­nen auf der glei­chen Leiter­platte auf­ge­baut wer­den. Die Schal­tung wird mit 5 V versorgt und er­zeugt -5 V für eine sym­metrische Ver­sor­gung des OPs in­tern. Sie besitzt einen Low-Gain-Aus­gang der hohe Licht­stär­ken schnell dar­stellt und einen High-Gain-Ausgang der auch niedrige Be­leuch­tungs­stärken um den Fak­tor 100 ver­stärkt noch mit ak­zep­tabler Ge­schwindig­keit ab­bildet. Ich habe zwar einige Er­fahrung in der Ent­wicklung auch von ana­logen Schal­tungen, zu meiner Ent­schul­di­gung muss ich sagen, da ich wie bereits erwähnt noch nie mit Photo­di­oden zu tun hatte mag meine Schal­tung mag nicht op­timal sein. Trotz­dem sind einige Über­legun­gen all­gemein­gültig und kön­nen Ihnen hel­fen, viel­leicht eine bes­sere Schal­tung zu bau­en.

Hier ist der Schaltplan und hier das Target-Layout­file.

Generelle Überlegungen

Photo­dioden kön­nen ent­weder in Sperr­richtung oder im photo­voltai­schen Mo­dus be­trie­ben werden. In Sperr­richtung haben sie einen Leck­strom, der über viele Größen­ordnun­gen pro­por­tional zur auf­tref­fenden Strah­lungs­leis­tung ist. Im photo­volta­ischen Modus er­zeugen Sie einen Fotos­trom der eben­falls weit­ge­hend pro­por­tional zur auf­tref­fen­den Strah­lungs­leistung ist. Dabei handelt es sich je­weils um einige nA pro Lux. Strom im Be­reich von nA ist ver­dammt wenig und kann sehr schnell irgend­wo ver­sickern!

Eine Mes­sung wird primär darauf hinaus­laufen, den Leck- bzw. Photo­strom zu kompen­sieren und damit die Spannung über der Photo­diode konstant zu halten. Damit wird ver­mieden, die Sperr­schicht­kapa­zität der Di­ode (die be­trächt­lich hohe Werte an­nehmen kann, bei der BPW21 ist es z.B. ein gutes halbes Nano­farad!) umladen zu müs­sen (mit ein paar nA!) was die Band­breite der Schal­tung enorm be­gren­zen würde.

Wenn wir uns nicht auf große Be­leuch­tungs­stär­ken be­schrän­ken wol­len muss der nach­geschal­tete OP einige Voraus­setzung­en er­füllen:

Auch die An­for­der­ungen an das Lay­out sind hoch. 100 MΩ Iso­lations­wider­stand machen bei 5 V bereits 50 nA aus! Guard Rings müssen ver­hin­dern, dass 'hohe' Poten­tial­differ­enzen zu den emp­findlichen Signalen auf­treten. Zu­dem muss die Mon­tage im wahrs­ten Sinne des Wortes 'sauber' er­fol­gen, da Dreck jeder Art (insbe­sondere Haut­fett, Rück­stände von der Leber­wurst zur Früh­stücks­pause etc.) die Iso­lations­fähigkeit der Leiter­platte erheblich be­einflus­sen! Gründ­liche Sauber­keit hat daher ab­solute Prio­rität! Na­türlich kön­nen Sie die Leiter­platte hin­terher wa­schen, bes­ser ist je­doch, Sie ma­chen sie erst gar nicht dreckig.

Die Schaltung benötigt eine symmetrische Versorgung, ausgehend von +5 V werden -5 V on board erzeugt und rauscharm gefiltert so dass 5 V als Versorgung ausreichen. Am Pin -5 V darf keine negative Versorgung zugeführt werden! Hier stehen die intern erzeugten -5 V zu Meßzwecken zur Verfügung!

Variante 1 benutzt eine BPW21 welche für den sicht­baren Spektral­bereich op­timiert ist (die Emp­find­lichkeit ist im Daten­blatt ent­sprechend in nA/Lux spezi­fiziert) und einen relativ lang­samen (aber ver­gleichs­weise bil­ligen) OP vom Typ LTC2051. Dieser hat so­wohl eine sehr niedrige Offset-Span­nung von maximal 3 µV als auch einen niedrigen Bias-Strom vom maximal 50 pA (bei Raum­tem­pera­tur). Sein Preis ist mit etwa 4€, na ja, er­träglich.

Die Foto­diode wird hier im photo­volta­ischen Be­trieb genutzt und der OP kom­pen­siert den von der Diode er­zeug­ten Foto­strom so dass die Span­nung über der Diode bei 0 V bleibt.
Damit eliminieren wir praktisch auch den Dunkelstrom der Diode. Jedes Elektron (zumindest fast jedes), das nun aus der Diode kommt ist die Folge eines Photons das in diese einschlägt.

Variante 2 be­nutzt eine BPW24, die er­heblich schnel­ler ist. Sie reagiert vor­wie­gend auf nahes Infrarot­licht und ent­spre­chend ist auch ihre Emp­findlich­keit in A/W (Fotostrom pro auftreffender Strahlungs­leistung) spezi­fi­ziert. Sie wird mit -5 V vorgespannt um ihre Sperr­schicht­kapa­zität zu ver­ring­ern und damit die Geschwin­dig­keit zu er­höhen. Eine höhere ne­gative Vor­span­nung würde sie noch schnel­ler machen jedoch muss auch die nach­geschaltete Schal­tung eine ver­gleich­bare Band­breite bieten (und man muss die ne­gative Vor­span­nung na­türlich irgend­wie er­zeugen). Dazu pas­send wurde auch ein wesent­lich schnel­lerer OP vom Typ LT1469 ver­wendet. Die­ser erhöht die Gesamt­kosten der Schal­tung beträcht­lich! Wie schnell sie tatsächlich ist konnte ich bis­her nicht tes­ten da ich über keine Licht­quelle mit der ent­spre­chend kurzen (und defi­nierten) An­stiegs­zeit verfüge.
Eine Schaltung dieser Art würde wohl haupt­säch­lich zur schnellen Daten­über­tragung ver­wen­det.

Ein simp­les Trimm­poti erlaubt, ganz alt­modisch, den Ab­gleich der Emp­find­lich­keit der Schal­tung. Wenn Sie keine Refe­renz-Licht­quelle greif­bar haben, mes­sen Sie (natürlich ohne angelegter Versorgung) den Wider­stand des Potis und stel­len ihn auf 1 kΩ ein. Dann hat, für die Variante 1, der Low-Gain-Aus­gang etwa 10 µV pro Lux und der High-Gain-Aus­gang etwa 1 mV pro Lux. 1 mV mag wenig erscheinen, aber bei einem Lux können Sie tatsächlich auch fast noch nichts sehen! An Ihrem Arbeitsplatz sind mindestens 500 Lux vorgeschrieben und dann wären wir ja bereits bei 0.5 V, bei Sonnenschein eher deutlich mehr und wenn Sie die Fotodiode dann in Richtung einer hell erleuchteten Fläche oder gar in Richtung Sonne drehen kommt der High-Gain-Ausgang schnell an seine Grenzen!

Der Low-Gain-Ausgang hingegen ist prä­des­ti­niert, kurze, helle Blitze wie sie in der Foto­grafie verwendet werden, darzustellen.

Versuch: Mes­sung eines Photo-Blitzes

Hier ein paar Oszil­logramme eines Canon 420EX Blitz­geräts, auf­genom­men mit der Low-Speed-Vari­ante (mit der BPW21).

Faszinierend ist, wie weit man bei mo­der­nen Os­zil­los­kopen in die auf­gezeich­neten Daten hinein­zoomen kann. Tat­säch­lich sind die Bil­der des Mess­blitzes und des Haupt­blitzes nur Aus­schnitt­ver­größer­ungen aus dem Bild 'Zeit­lupe', welches mit 25 Mega­samp­les pro Se­kunde auf­ge­zeich­net wurde.

Klar ist auch, dass der Mess­blitz nicht in die Auf­nahme ein­gehen darf da er 75 ms vor dem Haupt­blitz statt­findet und da­mit wie eine Dop­pel­belich­tung wir­ken würde. Die Be­lich­tung be­ginnt erst mit dem Haupt­blitz. Die im Mess­blitz ent­haltene En­ergie ist für die Auf­nahme ver­loren. Das muss auch so sein, denn der Mess­blitz könn­te be­reits eine Über­be­lich­tung sein. Die 75 ms be­inhal­ten auch die Zeit die nö­tig ist um den Ver­schluß­vor­hang der Kamera voll­ständig zu öffnen.