Ich habe hier einen sehr komplexen Messaufbau bei dem ich die Helligkeit einer LED sehr genau messen kann. Die Schaltung besteht aus einem Multi-Wellenlängen LED-Array einer präzisen Stromquelle und einen CMOS-Sensor(Fotosensor) mit 1280x240 Pixeln, welche zu einem Intensitätswert zusammen gerechnet werden. Ich werte mit dieser Schaltung die Absorption von licht verschiedener Wellenlängen in einem Medium aus und schließe so auf dessen Chemischer Zusammensetzung. Ich messe auf Teflon meine Null kuve und habe ein starkes Temperatur verhalten meiner Schaltung gemessen(figure_2). Ich versuche jetzt die die Schaltung zu optimieren und die Ursache für diese Temperatur Abhängigkeit zu ermitteln. meine Frage: Wie ändert sich die Helligkeit einer LED mit Konstantem Strom, wenn sie sich erwärmt? Ich gehe von zwei möglichen gründen für den Helligkeitsabfall aus. Entweder die Stromquelle ist in Abhängigkeit von der Temperatur nicht konstant oder die LED ist es nicht(oder beides). leider bin ich mir in Bezug auf das verhalten der LED nicht ganz sicher. Halbleiter haben ja einen negativen Temperatur Koeffizient und wie sich der auf die Lichtemission am PN überging auswirkt kann ich nur raten. Ich weiß nur noch, dass sich die Flussspannung mit steigender Temperatur bei konstantem Strom verringert.
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In aller Regel nimmt bei LEDs die Helligkeit mit zunehmender Temperatur ab. Wie stark hängt von der LED Type ab. Einige Datenblätter haben dazu auch Kurven. Ein so einfache Theorie wie für die Flussspannung gibt es für die Helligkeit nicht. Das kann man mehr oder weniger empirisch als gegeben ansehen. Es gibt Ansätze es plausibel zu machen, aber kaum was quantitatives. Bei der Stromquelle kann es auch passieren dass der Strom nicht so stabil ist, aber dass sollte bei einer guten Variante nicht so viel sein. Das kann man immerhin getrennt messen.
Ich hänge dir mal das Datenblatt einer beliebigen Feld-, Wald und Wiesendiode an, in der die Jungs Vorwärtsstrom und Helligkeit in Abhängigkeit von der Temperatur plotten. Deutlich ist sowohl die Abnahme des Stromes als auch der Helligkeit zu sehen.
Joachim J. schrieb: > Wie ändert sich die Helligkeit einer LED mit Konstantem Strom, wenn sie > sich erwärmt? Sie wird dunkler und sie wird langwelliger. Insbesondere aber bei den LEDs für Beleuchtungszwecke arbeiten die Hersteller heftig daran den Helligkeitsverlust zu vermindern um höhere Chiptemperaturen zulassen zu können. P.S.: Wenn du eine konstante Lichtintensität brauchst, solltest du eine Photodiode mit einbauen um die Lichtleistung zu stabilisieren oder um den Messwert darauf zu beziehen. LEDs altern schliesslich auch.
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Hi, solche Messungen macht man normalerweise als Differenzmessung. Sprich: Der Strahl wird einmal ohne das zu messende Medium gemessen und einmal mit Medium. Die Extinktion ergibt sich dann aus log(I0/I). Das kannst Du nacheinander Messen (genauer, aber umständlicher) oder aber gleichzeitig (ungenau da 2 identische Empfänger benötigt werden, dafür schnellere Messung) Irgendwelche Helligkeiten der Strahlungsquelle bei solchen Messungen vorauszusetzen oder berechnen zu wollen ist grober Pfusch. Handelsüblich Geräte machen dies mit einem Shutter. Es wird daebi mittels Spiegel der Strahl alternativ umgelenkt und jeweils mit und ohne Medium mehrmals pro Sekunde gemessen. Gruß Andreas
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Andreas B. schrieb: > Handelsüblich Geräte machen dies mit einem Shutter. Es wird daebi > mittels Spiegel der Strahl alternativ umgelenkt und jeweils mit und ohne > Medium mehrmals pro Sekunde gemessen. Oder einem Strahlenteilungsprismen, mit denen einmal das Licht durch das Medium, und einmal daran vorbei geleitet wird. Idealerweise landen beide Strahlengänge hinterher auf dem gleichen CCD/CMOS-Chip.
Martin S. schrieb: > Andreas B. schrieb: >> Handelsüblich Geräte machen dies mit einem Shutter. Es wird daebi >> mittels Spiegel der Strahl alternativ umgelenkt und jeweils mit und ohne >> Medium mehrmals pro Sekunde gemessen. > > Oder einem Strahlenteilungsprismen, mit denen einmal das Licht durch das > Medium, und einmal daran vorbei geleitet wird. Idealerweise landen beide > Strahlengänge hinterher auf dem gleichen CCD/CMOS-Chip. Oder mittels halbdurchlässigen Spiegeln oder wie auch immer. Gruß Andreas
Super, danke für die Auskunft. Das Hilft mir schon weiter. Eine Differenzmessung findet schon statt es geht nur um das Problem, dass die LED's in ihrer Schaltzeit auf die Belichtung des CMOS Sensor hin eingestellt werden um das Signal Rausch Verhältnis zu optimieren. werden die LED's mit der zeit dunkler fällt dass Signal Rausch Verhältnis. Der Effekt ist bei den einzelnen Wellenlängen unterschiedlich stark. wenn ich den Sensor auf das Medium setze ist die 575nm LED zu Anfang recht gut aber nach einer halben Stunde eben nicht mehr. Ich habe mir die Schaltung nochmal sehr genau angeschaut und einen shunt widerstand gefunden der einen Temperatur Koeffizienten von 400ppm/°C hat. Ich werde bei nächster Gelegenheit diesen durch einen anderen ersetzen, mit 100 oder 50 ppm/°C.
Wenn Du schon differenziell messen kannst, warum machst Du das dann nicht? Es ist doch unerheblich, wie sich der Wert absolut verändert, weil Du das doch über den Referenzwert kompensieren kannst?! Oder verstehe ich da was falsch?
Wenn es nur um das Signal Rauschverhältnis geht sind die 400 ppm/K und auch die Vielleicht 20% Intensitätsänderung durch die wärmer werdenden LED kein so großes Problem. Das merkt man beim S/N Wert kaum, denn da geht die Intensität nur mit der Wurzel oder linear ein. Ggf. wäre ein bessere Kühlung der kritischen LEDs hilfreich. Wenn sowieso eine Verhältnis messung gemacht wird, könnte auch die Intensität / Zeit nachgestellt werden, um die Erwärmung zu kompensieren. Bei gepulster Messung kann man ggf. auch noch etwas optimieren - das optimale Tastverhältnis ist da nicht unbedingt so offensichtlich. Bei den weißen und wohl auch blauen LEDs nimmt der Wirkungsgrad zu hohem Strom ggf. auch deutlich ab - das ist bei roten / IR wenige der Fall, da passt also ein Schema auch nicht für alle Farben.
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ich habe jetzt mal ausgerechnet wie viel der schlechte Temperatur Koeffizienten ausmacht. siehe Schaltung. der shunt allen e wird es wohl nicht sein. LED beim einschalten 115 nach einer Stunde 85 macht rund 26% weniger hell. Grob gemessene Temperatur Änderung 20-22°K (wird ganz schön warm die Schaltung). zum Stromregler: Die Schaltung habe ich mal mit angehängt. der OPV regelt über den Transistor die Spannung am Shunt auf die Referenzspanung(50mV). Die Referenzspannung wird über einen Spannungsteiler am + Eingang des OPV's eingestellt. für den OPV wird eine eigene Nois arme 3V Spannungsversorgung verwendet(v+). die LED's haben eine eigene Versorgung.
der Strom ist um 0,8% gefallen.
Martin S. schrieb: > Wenn Du schon differenziell messen kannst, warum machst Du das dann > nicht? Es ist doch unerheblich, wie sich der Wert absolut verändert, > weil Du das doch über den Referenzwert kompensieren kannst?! Oder > verstehe ich da was falsch? das Problem ist nicht die Änderung selbst, sondern dass die LED am Anfang der Messung Hell genug ist um sie auszuwerten. Aber nach 1 Stunde ist sie schon so dunkel das ich mehr Rauschen habe als ich filtern kann. Die gafik welche ich oben darstelle ist auf Teflon aufgenommen. bei allen anderen Medien ist die Intensität deutlich dunkler. ein Dunkelbild Liegt bei einem Wert von rund 12. die Intensität der 575 LED fällt bei meinem Medium von rund 25 auf 18,75. dann kommt steuerlich dazu und man kann das Dunkelbild kaum noch von der 575 unterscheiden. die Helligkeit der einzelnen LED's wird über die Schaltzeit (Keine PWM im herkömmlichen sinne) eingestellt. Alle Wellenlängen haben den selben Strom. Es werden mit 50fps frames aufgenommen und die Belichtungszeit angepasst. Eine zu kurze Schaltzeit bewirkt, dass das Rauschen zunimmt(Signal Anstiegszeiten) und bei 50fps ist die maximale Belichtungszeit 7,25ms. Zu beginn der Messung kann ich noch alle LED optimal einstelle um meine Messergebnisse zu erhalten. Nach einer Stunde bin ich in der Begrenzung und kann nicht mehr nach regeln. ich will den Helligkeitsänderung ja nicht wegbekommen nur deutlich verkleinern.
Lurchi schrieb: > Ggf. wäre ein > bessere Kühlung der kritischen LEDs hilfreich. Das wird das eigentliche Problem sein. Gruß Andreas
Ach ok. Ich sehe, Du musst mit 30fps aufnehmen. Das verkompliziert die Sache natürlich ungemein. Aber wäre es keine Möglichkeit, die LED in einen Blitz zu ändern, und über das Sync-Signal des CCD/CMOS den Shutter zu triggern? Es wäre dann schon nochmal ein Unterschied, ob man Dauerstrich hat, oder ob man die Zeit zwischen Belichtung und Auswertung nutzt, um die LED abkühlen zu lassen. Und eine Zwangsbelüftung scheint ohnehin unerlässlich zu sein.
Martin S. schrieb: > Ach ok. Ich sehe, Du musst mit 30fps aufnehmen. Das verkompliziert die > Sache natürlich ungemein. > > Aber wäre es keine Möglichkeit, die LED in einen Blitz zu ändern, und > über das Sync-Signal des CCD/CMOS den Shutter zu triggern? > > Es wäre dann schon nochmal ein Unterschied, ob man Dauerstrich hat, oder > ob man die Zeit zwischen Belichtung und Auswertung nutzt, um die LED > abkühlen zu lassen. > > Und eine Zwangsbelüftung scheint ohnehin unerlässlich zu sein. Es sind 50fps nicht 30fps. Ich triggere den Blitz/Shutter des CMOS Sensor und schalte die verschiedenen Wellenlängen der LED hintereinander durch. Die Belichtungszeit ist die Zeit in der die jeweilige LED an ist. zwischen den Frames sind die LED aus. Dazu kommt ein Dunkelbild in der alle LED's aus sind. Ich habe 7 Wällenlängen bei 50 Hz komme ich auf eine Abtastrate von 6,25Hz. Kleiner darf die Abtastrate nicht werden. Die Schaltzeit der LED's liegen bei 0.2 bis 7.25ms je Frame.
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