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:

• Ei­ne Lux­me­ter-Ver­sion mit ei­ner Pho­to­di­ode, de­ren Emp­find­lich­keit de­rer des mensch­li­chen Au­ges na­he­kommt
• Ei­ne schnel­le Va­rian­te, die mög­lichst kur­ze und schnel­le Licht­im­pul­se de­tek­tie­ren kann

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 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 (0,000.000.001 A oder ge­ra­de mal ~6.000 Elek­tro­nen pro µs) 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:

• Wenn wir nur nA als Si­gnal ha­ben, muss er ei­nen nied­ri­gen Off­set/Bias-Cur­rent auf­wei­sen. Ein µA741 oder selbst ein re­la­tiv mo­der­ner TLC272 taugt hier nicht.
• Wenn 0 nA auch 0 V am Aus­gang be­deu­ten sol­len, darf auch die Off­set-Span­nung nur sehr klein sein. 10 nA ma­chen am 1 kΩ-Feed­back-Wi­der­stand ge­ra­de mal 10 µV aus! Wenn der OP 1 mV Off­set hat lie­gen wir be­reits 100 Lux da­ne­ben (am Low-Gain-Aus­gang)! Der TLC272 mit sei­nen 10 mV Off­set schei­det des­halb trotz des ge­rin­gen Bias-Stroms völ­lig aus.

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.

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  Ein un­ge­steu­er­ter Blitz (aus­ge­löst durch die Test­blitz-Tas­te am 420EX). Die ge­sam­te En­er­gie des Blitz­el­kos wird in Licht um­ge­wan­delt. Wie man sieht wird die ma­xi­ma­le Hel­lig­keit des Blit­zes nach et­wa 250 µs er­reicht und flacht dann ex­po­nen­tiell ab. Er er­reicht da­bei in mei­ner Auf­nah­me­si­tu­at­ion et­wa 150.000 Lux, al­so et­was mehr als wir an ei­nem hell be­leuch­te­ten Som­mer­tag er­war­ten könn­ten.
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  Das sel­be in ge­rin­ge­rer Zeit­auf­lö­sung. Man sieht, dass nach et­wa 1.5 ms die we­sent­li­che Licht­men­ge ab­ge­ge­ben wur­de (Die Licht­men­ge ent­spricht et­wa der Flä­che un­ter der Kur­ve). Ei­ne Fo­to­gra­fie mit Blitz ent­spricht al­so et­wa ei­ner Be­lich­tungs­zeit von 1/1000 bis 1/500 s.
  An der Ka­me­ra müs­sen Sie trotz­dem ei­ne re­la­tiv lan­ge Be­lich­tungs­zeit von 1/125 oder 1/60 ein­stel­len. Der Grund da­für ist, dass der Ver­schluss­vor­hang kom­plett of­fen sein muss wenn der Blitz zün­det (und of­fen blei­ben muss bis der Blitz aus­ge­brannt ist). Auch be­weg­te Mo­ti­ve kön­nen so re­la­tiv scharf ab­ge­bil­det wer­den. Aller­dings kön­nen Sie durch ei­ne län­ge­re Be­lich­tungs­zeit (manch­mal bis in den Se­kun­den-Be­reich) das Um­ge­bungs­licht nut­zen und ei­ne aus­ge­wo­ge­ne­re Be­lich­tung er­rei­chen als nur durch den Blitz al­lei­ne. Der Blitz ar­bei­tet dann als Auf­hell­blitz um das (na­he, aber im Schat­ten lie­gen­de) Mo­tiv zu be­leuch­ten wäh­rend et­wa der ent­fern­te Strand (an des­sen Be­lich­tung der Blitz we­gen der Ent­fer­nung kei­nen nen­nens­wer­ten An­teil hat) durch die Son­ne be­reits aus­rei­chend be­lich­tet ist. Ei­ne hoch­wer­ti­ge Ka­me­ra wird ei­ne aus­ge­wo­ge­ne Be­lich­tung ab­hän­gig von der ge­wähl­ten Be­lich­tungs­zeit au­to­ma­tisch er­mit­teln.
  Ty­pi­sche Fo­tos, wel­che dies nicht tun, fin­den sich zu­hauf im In­ter­net und äu­ßern sich in ei­nem kor­rekt (oder leicht über­be­lich­te­tem) Mo­tiv vor ei­nem weit­ge­hend schwar­zen Hin­ter­grund...
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  Hier nun ei­ne ech­te Pho­to­gra­phie, qua­si in Zeit­lu­pe. Zu se­hen ist der Mess­blitz und et­wa 75 ms spä­ter der Haupt­blitz (der Trig­ger (das oran­ge­far­be­ne T) liegt auf dem Haupt­blitz).
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  Hier der Mess­blitz. Er sieht tat­säch­­lich aus wie ei­ne ge­schal­te­te Kon­stant­strom­quel­le, et­wa wie bei ei­ner LED-Lam­pe. Das Blitz­ge­rät er­zeugt ei­nen kon­stan­ten Licht­strom für ei­ne de­fi­nier­te Zeit und kann aus der re­flek­tier­ten Licht­men­ge die nö­ti­ge Licht­men­ge für ei­ne kor­rek­te Be­lich­tung be­rech­nen.
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  Und der Haupt­blitz. Deut­lich zu se­hen ist, wie das Blitz­ge­rät den Blitz ab­schal­tet nach­dem die er­rech­ne­te Licht­men­ge er­zeugt wur­de. Die an­fäng­li­che Kur­ven­form ist iden­tisch mit dem un­ge­steu­er­ten Blitz, er wird je­doch be­en­det so­bald ge­nug Licht er­zeugt wur­de.
  In frü­he­ren Blitz­ge­rä­ten ge­schah dies da­durch, dass ein Thy­ris­tor die Blitz­lam­pe kurz schloss und die ver­blei­ben­de En­er­gie des Blitz-Elkos ver­nich­te­te (was sich akus­tisch in ei­nem deut­lich wahr­nehm­ba­ren Plopp äu­ßer­te). Heute wird der Blitz­strom durch trick­rei­che Schal­tun­gen, ei­nem MOSFET oder ei­nem IGBT ge­trennt so dass die ver­blei­ben­de En­er­gie für den nächs­ten Blitz zur Ver­fü­gung steht. Das spart Bat­te­rie und er­höht gleich­zei­tig die Blitz­fre­quenz.

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 (bei ei­ner Spei­cher­tie­fe von sechs Me­ga­sam­ples!).

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 ja be­reits ei­ne Über­be­lich­tung sein. Die 75 ms be­inhal­ten auch die Zeit die nö­tig ist um den Ver­schluss­vor­hang der Ka­me­ra voll­stän­dig zu öff­nen.