Hi@all. Habe das Forum hier schon durchwühlt und viele Beiträge zum Thema "wie messe ich quantitativ Helligkeit" gefunden. Aufgrund meiner Funde habe ich schon folgendes herausgefunden: - Man kann von einer Fotodiode oder einem Fototransistor den Kurzschlussstrom messen, der quasi dem Fotostrom (Betrieb als Solarzelle) entspricht. - Der Fotostrom ist direkt proportional zu den Anzahl an Photonen, die die Diode treffen und größer als die Bandlücke des Halbleiters sind (mal abgesehen von der wellenlängenabhängigen Quanteneffizienz, mit der man noch multiplizieren muss. - Da der Fotostrom über viele Dekaden steigt, muss ein Logarithmierer hier, um dann einen A/D Wandler zu füttern. Ich habe folgendes Setup: - Einen Raspberry Pi mit MCP3008 10Bit A/D Wandler - Einen Fototransistor BPX 43-4 (der hat zwar noch relativ viel Infrarotanteil und entspricht nicht der vom Auge wahrgenommenen Helligkeit, aber ich denke, da das Spektrum der Sonne bekannt ist und die Sensitivität in Abhängigkeit von Lambda, sollte man das umrechnen können). - OpAmps vom Typ LM358N Zu meinen Fragen: - Kann man irgendwo herausfinden, wie groß der Photostrom des BPX 43-4 in Kurzschlussbetrieb in Abhängigkeit von der eingestrahlten Leistung ist? Im Datenblatt finde ich immer nur den Kollektor-Emitter Strom, wenn dort 5V Spannung angelegt ist. - Ich habe mir eine Schaltung gebastelt, die einen Logarithmierer (Temperaturstabilisiert) und einen Verstärker enthält. Ich habe als Annahme mal, dass mein Fotostrom zwischen 0 und 300mA liegt (letzterer Wert ist sicherlich viel viel zu hoch). Dieser Strombereich soll logarithmiert und dann in einen Spannungsbereich zwischen 0 und 3.3V umgewandelt werden. Meine Schaltung ist angehängt. Findet ihr die Schaltung so in Ordnung? Oder habt ihr Verbesserungsvorschläge? Beste Grüße und vielen Dank, Michael
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Lass mal den 358 ruhen, der ist hier nicht geeignet. Was du haben willst ist ein niedriger Eingangsstrom, also eher ein Fet typ. Und trage den strom logarithmisch auf, und starte nicht bei Null, sondern bei 1nA
Michael S. schrieb: > - Kann man irgendwo herausfinden, wie groß der Photostrom des BPX 43-4 > in Kurzschlussbetrieb in Abhängigkeit von der eingestrahlten Leistung > ist? Im Datenblatt finde ich immer nur den Kollektor-Emitter Strom, wenn > dort 5V Spannung angelegt ist. Um einen ungefähren Wert zu bekommen, kannst du den Phototransistor an einem schönen Sonnentag (ich weiß, ich weiß ...) um die Mittagszeit auf die Sonne richten. Die Einstrahlung beträgt ca. 1000W/m² oder 0.1W/cm². Damit sollte sich schon mal ein besserer Wert als die Datenblattangabe ergeben. Die 5V UCE dürften allerdings IMHO nicht stören, weil der eigentliche Photostrom der Basisstrom ist. In der Abb. "Collector Current" sieht man, dass der Strom erst bei relativ hohen Werten von UCE abhängig wird.
Logarithmierer sind so ungenau, dass du ein MESSEN mit denen vergessen kannst. Mit dem LM358 unterstreichst du aber, dass es dir auf den Messwert nicht ankommt. Will man messen, baut man bereichsumschaltbare Transimpedanzverstärker. Will man nur einen groben Anhaltspunkt für die Helligkeit misst man die unbelastete (aber mit einem kleinen Kondensator von Rauschen befreite) Photodiodenspannung, referenziert durch eine dunkle Diode gleicher Temperatur die von einem definierten Strom durchflossen wird (3 Bauteile)
Naja. fuer erhoehte Anforderungen gibt es den LogAmp AD 8304, der bringt immerhin 160dB dynamischen Bereich.
MaWin schrieb: > Will man nur einen groben Anhaltspunkt für die Helligkeit misst man die > unbelastete (aber mit einem kleinen Kondensator von Rauschen befreite) > Photodiodenspannung, Ja, diese Spannung entspricht in etwa auch dem Logarithmus der Helligkeit. > referenziert durch eine dunkle Diode gleicher > Temperatur die von einem definierten Strom durchflossen wird (3 > Bauteile) Ich würde da eine zweite Photodiode gleichen Typs nehmen, das Fenster mit schwarzer Farbe abdecken und beide Dioden direkt thermisch koppen, z.B. mit einer Metallschelle o.ä. Gruss Harald
Hi und habt dank für eure Beiträge. Die Grundidee meiner Schaltung kommt aus der letzten Schaltung auf dieser Seite: http://www.elexs.de/messen6.html @MaWin und Harald: Das verstehe ich noch nicht ganz. Im Gegensatz zum Photostrom ist die Photospannung doch ganz wesentlich von der Temperatur abhängig. Ich soll also lieber die temperaturabhängige Photospannung messen und dann die Temperaturabhängigkeit korrigieren, als den Photostrom zu messen? Ein bereichsumschaltbarer Transimpedanzverstärker ist ja gut und schön, aber da die Schaltung hinterher autonom messen soll, muss ich mich leider mit einer Schaltung begnügen, die man nicht manuell umschalten muss. Hatte schon überlegt, zwei oder drei verschiedene Bereich auf verschiedene Eingänge des A/D Wandlers zu legen... Was ist denn an dem LM358 so schlecht? :)
Michael S. schrieb: > Meine Schaltung ist angehängt. Findet ihr die > Schaltung so in Ordnung? Oder habt ihr Verbesserungsvorschläge? Du solltest die Eingänge von U1 tauschen, sonst funktioniert die Schaltung nicht. LG Christian
Michael S. schrieb: > Ein bereichsumschaltbarer Transimpedanzverstärker ist ja gut und schön, > aber da die Schaltung hinterher autonom messen soll, muss ich mich > leider mit einer Schaltung begnügen Die Umschaltung darf auch gerne der Controller machen, der anhand der gemessenen Werte über den Messbereich entscheiden kann.
Christian L. schrieb: > Du solltest die Eingänge von U1 tauschen, sonst funktioniert die > Schaltung nicht. > > LG Christian Doch, doch. Da ich keine symmetrische Versorgungsspannung am OpAmp habe, musste ich die Schaltung von der Internetseite so modifizieren, dass sie das Eingangsignal nicht invertiert. Die Transistoren hinter dem OpAmp sind entsprechend angepasst. @MaWin und Harald: http://www.user.tu-berlin.de/h.gevrek/ordner/ilse/solar/solar5.html Die Temperaturabhängigkeit des dunkelstroms sorgt für eine starke Änderung der Photospannung, wohingegen sich der Photostrom bei einer Temperaturänderung von 50 Grad gerade einmal um 2% ändert... @Wolfgang: Wie würdest du so eine Schaltung dann aufbauen? Ohne LogAmp?
Der logarithmische Verstärker bringt max. eine Zehnerpotenz Auflösung mehr, und das nur bei einem 10-12 Bit ADC. > zwei oder drei verschiedene Bereich auf > verschiedene Eingänge des A/D Wandlers zu legen Das ist IMHO eine gute Idee. In Kombination mit einem OPV mit niedrigem Eingangsstrom und geringem Offset-Drift und einmaliger Nullpunktnahme durch Abdunkeln sollte das ein genaues Messergebnis garantieren. > wohingegen sich der Photostrom bei einer > Temperaturänderung von 50 Grad gerade einmal um 2% ändert Das kann aber die Dynamik schon stark eingrenzen. Falls du mit einer Dynamik von 60 dB zufrieden bist, reicht evtl auch ein logarithmischer Verstärker. Nenn eher mal die Mindestanforderungen.
B e r n d W. schrieb: > Der logarithmische Verstärker bringt max. eine Zehnerpotenz Auflösung > mehr, und das nur bei einem 10-12 Bit ADC. > Nenn eher mal die Mindestanforderungen. Es soll "nur" ein Helligkeitsmesser für meine Wetterstation werden und es ist nur "hobby". Aber ich hätte trotzdem gern halbwegs akkurate Ergebnisse. Es wäre schön, zu sehen, ob an einem hellen Tag gerade Wolken aufgezogen sind oder ob Nachts Vollmond ist oder nicht. Und ich hätte halt gerne die Messwerte nicht in irgendeiner Prozentualen Skala, sondern in W/m² oder, falls ich mir die Mühe mit der Umrechnung mache: in Lux. Wieso nur eine Zehnerpotenz? :( Die Schaltung auf der Internetseite verspricht über 6 Dekaden zu gehen? Lieben Gruß, Michael
Michael S. schrieb: > Doch, doch. Da ich keine symmetrische Versorgungsspannung am OpAmp habe, > musste ich die Schaltung von der Internetseite so modifizieren, dass sie > das Eingangsignal nicht invertiert. Die Transistoren hinter dem OpAmp > sind entsprechend angepasst. Ist trotzdem falsch. Einfach die Eingänge vertauschen funktioniert nicht. > Wieso nur eine Zehnerpotenz? :( Die Schaltung auf der Internetseite > verspricht über 6 Dekaden zu gehen? Dann guck doch mal, welcher Transistor über sechs Dekaden eine logarithmische Kennlinie besitzt. Das mag ja in der Theorie funktionieren aber nicht in der Praxis. LG Christian
> Die Temperaturabhängigkeit des dunkelstroms sorgt für eine starke > Änderung der Photospannung, wohingegen sich der Photostrom bei einer > Temperaturänderung von 50 Grad gerade einmal um 2% ändert... Was meinst du, warum nicht nur in deiner, sondern in allen Photodioden-Auswerteschaltungen eine Temperaturkompensation vorgesehen ist.
> Es soll "nur" ein Helligkeitsmesser für meine Wetterstation werden und > es ist nur "hobby". Wie willst du denn Photostrom in lux umrechnen ? Hast du ein Photometer zur Kalibrierung ? Dann nimm doch gleich das als Messgerät. Hast du keines, hilft dir keine Schaltung weiter. Zumal normale Photodioden eine blöde spektrale Empfindlichkeit haben. Nimm einen http://www.ams.com/eng/Products/Light-Sensors/Ambient-Light-Sensor-ALS/TSL45311 und gut is.
MaWin schrieb: > > Wie willst du denn Photostrom in lux umrechnen ? Ich weiß, wie das Sonnenspektrum aussieht, und wie die Spektrale Empfindlichkeit des BPX 43-4 aussieht. Der Photostrom sollte sich meiner Meinung nach so ergeben: Aus dem dem Sonnensprektrum errechne ich, wieviele Photonen pro Wellenlänge, Fläche und Zeit auf der Erde ankommen. Multipliziert mit der spektralen Empfindlichkeit der Diode und anschließendem Integrieren erhalte ich die Anzahl der in der Diode in Elektronen umgesetzten Photonen pro Zeit, also letztendlich den Strom. Wenn man vernachlässigt, dass sich das Sonnenspektrum Abends und Morgens aufgrund von Rayleigh Streuung verändert, kann man jetzt einen Faktor p berechnen, der angibt, wieviel Prozent der maximalen Sonnenintensität (bzw des maximalen Photostroms) gerade vorhanden ist. Mit diesem Faktor kann man dann das Sonnenspektrum multiplizieren und dann mit der spektralen Empfindlichkeit des Auges gefaltet, integrieren und viola, man müsste dann den Wert in Lux angeben können. MaWin schrieb: > >Was meinst du, warum nicht nur in deiner, sondern in allen >Photodioden-Auswerteschaltungen eine Temperaturkompensation vorgesehen >ist. Die Temperaturkompensation in meiner Auswerteschaltung bezieht sich auf den ersten Transistor, der die Logarithmische Kennlinie erzeugt und nicht auf den Phototransistor. Der Phototransistor ist in meiner Schaltung als Stromquelle I1 eingezeichnet. @Christian: Dann meinst du, dass die Schaltung von der Seite so nicht richtig ist? Ich kann mir schon vorstellen, dass ein Transistor in einem Bereich von 0 bis 1mA eine logarithmische Kennlinie hat. Und was genau ist denn an meiner Schaltung oben falsch. Sie liefert ja immerhin einen richtigen Output - in der Theorie zumindest. Lieben Gruß, Michael
Michael S. schrieb: > Mit diesem Faktor kann man dann das Sonnenspektrum multiplizieren und > dann mit der spektralen Empfindlichkeit des Auges gefaltet, integrieren > und viola, man müsste dann den Wert in Lux angeben können. Das ist Unsinn, du hast ja kein Spektrometer, sondern nur einen Messwert. Woher soll deine Schaltung wissen, was rot und was blau ist? Das ist ungefähr so verrückt wie anhand der Lautstärke einen Akkord bestimmen zu wollen. Das einzige was du tun kannst ist eine Photodiode mit entsprechend korrigierter Empfindlichkeit zu verwenden. Sonst misst du eben nicht Lux, sondern W/cm². Was bei deiner Schaltung aber wahrscheinlich auch egal ist. Gruss Reinhard
Meine Schaltung braucht nicht wissen, was Blau und Rot ist?! Dankenswerter weise ist die Intensitätsverteilung der Sonne ja klar defintiv und ich integriere nur, um zu ermitteln, bei welcher Helligkeit wieviele Photonen im BPX-43-4 erzeugt werden sollten... Hinterher messe ich einfach nur den Photostrom und kann sagen, wieviel Prozent des maximalen Photostroms, den der BPX-43-4 aus der Sonnenstrahlung erzeugen kann, gerade erzeugt wird. Da ich aber das Spektrum vom BPX-43-4 kenne und das des menschlichen Auges, kann ich also umrechnen...das ist kein Blödsinn. Es wird nur etwas ungenau, wenn sich das Sonnenspektrum aufgrund von Atmosphärenstreuung ändert. Das ganze ist zugegebenermaßen etwas idealisiert, daher werde ich wohl die Kalibrierung mit einem Luxmeter vornehmen, aber von der Theorie her sollte es gehen.
Michael S. schrieb: > Sie liefert ja immerhin einen > richtigen Output - in der Theorie zumindest. Mehr aber auch nicht. Nehmen wir mal an, du misst tagsüber 100000 Lux und nimmst davon den Logarithmus, das sind 5,0. Hat deine Schaltung jetzt einen Gesamtfehler von 5%, also z.B. kommen 4,75 heraus und du rechnest das zurück in Lux, so beträgt der Messfehler in Lux schon fast 50% - fällt dir was auf? Wenn nicht kannst du es schon so machen, ob es Tag oder Nacht ist wird schon richtig ankommen. Gruss Reinhard
Michael S. schrieb: > @MaWin und Harald: Das verstehe ich noch nicht ganz. Im Gegensatz zum > Photostrom ist die Photospannung doch ganz wesentlich von der Temperatur > abhängig. Ich soll also lieber die temperaturabhängige Photospannung > messen und dann die Temperaturabhängigkeit korrigieren, als den > Photostrom zu messen? Ja, Du sparst Dir so den Logarithmierverstärker. Wenn du eine Art Brückenschaltung aufbaust und unten rechts und unten links die beleuchtete und die unbeleuchtete Photodiode plazierst und oben rechts und links je einen Widerstand nach Plus, hast du in der Diagonale die weitgehend temperaturunabhängige Photospannung, die Du da mit einem OPV abgreifen kannst. Gruss Harald
@Reinhard: Gut. Was würdest du also empfehlen? Verschiedene Messbereiche, wie bereits oben schonmal angesprochen? @Harald: Okay, danke. Ich versuche, mir mal eine Schaltung aufzuzeichnen. Gruß, Michael
Michael S. schrieb: > Ich weiß, wie das Sonnenspektrum aussieht, und wie die Spektrale > Empfindlichkeit des BPX 43-4 aussieht. Wenn Du eine BPW21 nimmst, hast Du das entsprechende Korrektur- Filter schon eingebaut. > @Christian: Ich kann mir schon vorstellen, dass ein Transistor in einem > Bereich von 0 bis 1mA eine logarithmische Kennlinie hat. Bei 0mA sicherlich nicht. :-) Sechs Dekaden hiesse dann von 1nA bis 1mA. Die 1nA liegen dann aber schon im Bereich vom temperatur- abhängigen Reststrom von normalen Transistoren. Gruss Harald
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@Harald: Entspricht diese Schaltung deiner Brückenschaltung? Wie sind hier die Widerstande am besten zu dimensionieren? (Mein A/D kann 0 bis 3.3V in 1024 Schritten) Gruß und nochmals Danke, Michael
Michael S. schrieb: > @Christian: Dann meinst du, dass die Schaltung von der Seite so nicht > richtig ist? Ich kann mir schon vorstellen, dass ein Transistor in einem > Bereich von 0 bis 1mA eine logarithmische Kennlinie hat. Und was genau > ist denn an meiner Schaltung oben falsch. Sie liefert ja immerhin einen > richtigen Output - in der Theorie zumindest. Die Schaltung von der Seite ist zwar richtig aber rate mal, warum er für die Transistorvariante keinen Transitotyp angibt. Es Dürfte sehr schwer werden einen Transistor mit 6 Dekaden logarithmischer Kennlinie zu bekommen. Selbst Transistorarrays, wie der MAT14, welcher mit seiner weiten logarithmischen Kennlinie beworben wird, schafft nur etwas über drei Dekaden. Auch beim LM194, welcher ebenfalls mit seiner hervorragenden logarithmischen Kennlinie beworben wird, sind es nur etwas über vier Dekaden. Was meinst du, wie dann ein 0815 Transistor dabei abschneidet? Nicht umsonst verwenden Hersteller von logarithmierenden OPVs gerne mehrere Transistoren mit unterschiedlichen Arbeitspunkten, welche am Ende miteinander verrechnet werden. Die Schaltung ist trotzdem falsch. Es scheint nur so, dass es funktioniert. Hast du mal die Spannung an der Stromquelle gemessen? Der OPV arbeitet doch gar nicht in einer Gegenkopplung, sondern mit einer Mitkopplung. Wie soll er da jemals etwas regeln können? Das Problem liegt in deiner Simulation. Durch die ideale Stromquelle jagst du auf Teufel komm raus den Strom durch deine Schaltung. Irgendein pn-Übergang wird dann leitend und es sieht so aus, als würde eine logarithmische Kennlinie entstehen. Dabei ist die Kennlinie, die du siehst nicht einmal logarithmisch. Wieso sollte die den bei etwa 0,15V beginnen? LG Christian
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Michael S. schrieb: > Verschiedene > Messbereiche, wie bereits oben schonmal angesprochen? Ja, allerdings ist es bei den geringen Photoströmen nicht ganz so einfach. Anbei ein Transimpedanzverstärker mit Umschaltung 1:8. Gruss Reinhard
Michael S. schrieb: > @Harald: Entspricht diese Schaltung deiner Brückenschaltung? Ja, Du brauchst natürlich einen Differenzeingang. Da aber Dein AD-Wandler sowie zu unempfindlich ist, brauchst Du ja sowieso einen OPV zur Verstärkung. Es muss ja nicht unbedingt der OPA LM358 sein. Gruss Harald
Christian L. schrieb: > Die Schaltung ist trotzdem falsch. Es scheint nur so, dass es > funktioniert. Hast du mal die Spannung an der Stromquelle gemessen? Der > OPV arbeitet doch gar nicht in einer Gegenkopplung, sondern mit einer > Mitkopplung. Wie soll er da jemals etwas regeln können? Das Problem > liegt in deiner Simulation. Durch die ideale Stromquelle jagst du auf > Teufel komm raus den Strom durch deine Schaltung. Irgendein pn-Übergang > wird dann leitend und es sieht so aus, als würde eine logarithmische > Kennlinie entstehen. Dabei ist die Kennlinie, die du siehst nicht einmal > logarithmisch. Wieso sollte die den bei etwa 0,15V beginnen? > > LG Christian Hm, meiner Meinung nach fließt der Strom über den 1. Transistor ab. Die Kollektor/Basis Leitung müsste sich wie eine Diode in Durchlassrichtung verhalten, daher fällt hier eine (stromabhängige) Spannung um 0.7V ab. Diese wird dann irgendwie verstärkt. Aber du hast schon recht, mit der Mitkopplung - da ist noch so einiges falsch. @Reinhard: Danke. Sieht in der Tat etwas kompliziert aus, was nicht heißt, dass ich es nicht evtl versuchen werde. :) Was hälst du von Haralds Vorschlag?
> Entspricht diese Schaltung deiner Brückenschaltung?
Eigentlich ohne R1, der Strom durch die BPW21 soll ja gerade der
erzeugte Photostrom sein, der durch die abgedunkelte ist per A/D
Wandlerwert errechenbar, dann ist der Photostrom aus der Shockley-Formel
berechenbar.
Michael S. schrieb: > Was hälst du von > Haralds Vorschlag? Garnichts. 1. Laut Datenblatt Siemens ist die Ausgangsspannung definiert von 10 Lux (250 mV) bis 2000 Lux (450 mV). Eine Messung der Leerlaufspannung ist bei einem Vorwiderstand aber garnicht gegeben, da wird eine normale Diodenkennlinie mit dem durch R1 gegebenen Strom gemessen. 2. Im Prinzip wäre es ja schön den Dunkelstrom zu kompensieren, aber da nützt eine 2. Diode nichts. Das sind Restströme, die sind bei jeder Diode anders. Man kann sie auch nicht aus dem Datenblatt entnehmen, das sind Grenzwerte oder typische Werte, die das einzelne Exemplar aber so nicht aufweist. Gruss Reinhard
Reinhard Kern schrieb: > Eine Messung der Leerlaufspannung ist > bei einem Vorwiderstand aber garnicht gegeben, Da hast Du natürlich recht, da ist mir ein Denkfehler unterlaufen. Man kann die Dioden naürlich direkt als Photoelemente anschliessen. Der Eingang des OPV muss dann natürlich hochohmig sein. > 2. Im Prinzip wäre es ja schön den Dunkelstrom zu kompensieren, aber da > nützt eine 2. Diode nichts. Das sind Restströme, die sind bei jeder > Diode anders. Hier spielt dann aber eher die sog. Temperaturspannung der Dioden eine Rolle. Der Dunkelstrom dürfte sich im Elementbetrieb kaum auswirken. Gruss Harald PS: Die Idee kam ja ursprünglich von MaWin. Ich habe sie als Schnellschuss nur leicht erweitert. Dabei ist mir leider obiger Fehler unterlaufen.
Michael S. schrieb: > Es soll "nur" ein Helligkeitsmesser für meine Wetterstation werden und > es ist nur "hobby". Aber ich hätte trotzdem gern halbwegs akkurate > Ergebnisse. Falls es dir nicht primär um die Eigenkonstruktion der Signalkonditionierung geht, sind vielleicht die Light-to-Digital Converter von TAOS für die Aufgabe geeignet. Dynamik 1:1 Mio, photopisch bewertet und wahlweise mit SMBus- (TSL2560) oder I2C-Interface (TSL2561). Von der Dynamik brauchst du allerdings schon 1:230000 um den Bereich zwischen Vollmond und max. Sonne abzudecken, so dass vielleicht ein zweiter Sensor für die nächtliche Unterscheidung der Mondphasen praktisch wäre ;-) Für die Umwandlung des Photodiodenstromes in ein Zeitsignal kann man auch eine Integrator bemühen, d.h. man integriert den Diodenstrom in einem Kondensator in der Gegenkopplung eines OP auf, bis ein Schwellwert überschritten wird. Manche Leute schaffen es sogar, sich dieses uralte Wandlungsprinzip noch im Jahre 2007 patentieren zu lassen. http://www.patent-de.com/20090625/DE102007062161A1.html Michael S. schrieb: > @Wolfgang: Wie würdest du so eine Schaltung dann aufbauen? Ohne LogAmp? Dabei hatte ich an Analogschalter gedacht, die beim TIA die Gegenkopplungswiderstände umschalten. Ohne zusätzliche Tricks könnte allerdings das begrenzte Verhältnis von On- zu Off-Widerstand, z.B. bei einem 4066 den Dynamikbereich begrenzen. Das müßte man sich mal im Detail durchrechnen.
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