Luxmeter Experiment Page in English
Luxmeter Experiment Page in English

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.