Lichtsensor / Helligkeitssensor

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Multimeter als Luxmeter, BPW21 10 nA = 1 Lux im nahezu Kurzschlussbetrieb

Lichtsensoren wandeln Licht in eine Spannung, Strom oder Frequenz, welche dann weiterverarbeitet werden kann.

Photowiderstand

Photo­widerstand in Schal­tung

Im Englischen Light Dependent Resistor genannt (LDR, lichtabhängiger Widerstand). Diese gibt es in verschiedensten Bauformen und Materialien. Einige bekannte und beliebte Typen basieren auf Cadmium, einem giftigen Schwermetall, welches nach den neusten Elektronikrichtlinien (RoHS) verboten ist.

Vorteile der LDRs sind ihre Einfachheit, Robustheit und der recht große Dynamikbereich von kΩ bis MΩ). Wesentlicher Nachteil ist die sehr geringe Reaktionsgeschwindigkeit von einige Millisekunden bis Minuten. Die Auswertung erfolgt über einen einfachen Spannungsteiler.

Photohalbleiter

Photohalbleiter sind Bauelemente, bei denen in einer PN-Sperrschicht durch Lichteinfall freie Ladungsträger erzeugt werden, die entlang des eingebauten elektrischen Feldes zu den Rändern diffundieren und dort eine Spannung bilden.

Photodiode

Photodioden sind sehr schnell (Schaltzeiten im Nanosekundenbereich), liefern aber nur sehr kleine Photoströme (nA..µA). Für Messung der Beleuchtungsstärke gibt es Dioden, deren Farbempfindlichkeit der menschlichen Wahrnehmung entspricht. Es gibt zur Nutzung für Photodioden drei prinzipielle Schaltungen:

Photospannungsbetrieb

Photo diode blank.png

Hier arbeitet die Photodiode als Solarzelle, was sie ja im Prinzip ist. Allerdings bringt sie aufgrund der kleinen Fläche (meist weniger als 1mm2) keine nennenswerte Leistung. Die Ausgangsspannung ist logarithmisch von der einfallenden Lichtleistung abhängig und entspricht der umgedrehten Diodenkennlinie (≈0,7V). Allerdings ist diese Kennlinie auch sehr temperaturabhängig.

Diese Schaltung wird nur selten angewendet.

Konstantstromquelle mit Arbeitswiderstand

Photo diode.png

Das ist die einfachste Schaltung zur Auswertung einer Photodiode. Über einen Spannungsteiler mit einem relativ hochohmigen Widerstand kann eine lichtabhängige Spannung über dem Arbeitswiderstand abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung ist linear proportional zur Lichtleistung.

Diese Schaltung ist jedoch ziemlich langsam. Als Näherung gilt:

[math]\displaystyle{ f_{3\text{dB}}=\frac{1}{2 \pi\cdot R_1\cdot C_D} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ C_D }[/math] : Sperrschichtkapazität der Diode

Bei angenommenen 20pF ergibt sie hier eine Grenzfrequenz von ca. 8kHz.

Konstantstromquelle mit Transimpedanzverstärker

Photo diode tia.png

Hier wird die Photodiode nahezu im Kurzschluss als lichtabhängige Stromquelle betrieben. Der Kurzschluss sorgt dafür, dass die Sperrschichtkapazität nicht umgeladen werden muss, das macht die Schaltung sehr schnell. Der Aufbau wird Transimpedanzverstärker genannt (engl. TransImpedance Amplifier, TIA). Einen guten Grundlagenartikel zum TIA gibt es beim Analog-Guru Bob Pease bei National Semiconductor.

Vorteil dieser Schaltung ist die hohe Grenzfrequenz. Sie berechnet sich gemäß

[math]\displaystyle{ f_{3\text{dB}}=\sqrt{\frac{\text{GBP}}{2 \pi R_1 C_I}} }[/math]
  • GBP : Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des Operationsverstärkers (engl. Gain Bandwidth Product), hier 1 MHz für den LM358
  • [math]\displaystyle{ C_I }[/math] : Summe aus Sperrschichtkapazität der Photodiode + Eingangskapazität des OPVs, hier mit 30pF angenommen.

Selbst mit diesem eher langsamen OPV und schon sehr großen Rückkopplungswiderstand von 1MΩ erreichen wir schon eine Bandbreite von:

[math]\displaystyle{ f_{3\text{dB}}=\sqrt{\frac{1\text{ MHz}}{2 \pi \cdot 1\text{ M}\Omega \cdot (48\text{ pF} + 30\text{ pF})}} = 45\text{ kHz} }[/math]

Wichtig ist hier C1, die Kompensationskapazität. Ist sie zu klein oder fehlt sie gar, schwingt der TIA. Die Berechnung von C1 erfolgt klassisch gemäß

[math]\displaystyle{ C_1=\frac{R_D}{R_1} \cdot C_I }[/math]
  • [math]\displaystyle{ R_D }[/math] : Sperrschichtwiderstand der Photodiode. Dieser ist selten in den Datenblättern angegeben, liegt aber meist im Bereich 1..100MΩ.

Hier muss man mit C1 experimentieren, vor allem weil er meist sehr klein ist (einstelliger pF-Bereich) und das Layout eine wesentlichen Rolle spielt. Eine verbessere Formel für C1 ergibt kleinere Werte, wobei allerdings ein geringfügiges Überschwingen des Verstärkers in Kauf genommen wird. Der Vorteil ist die bis zu zehnfach(!) höhere Bandbreite.

[math]\displaystyle{ C_1=\sqrt{\frac{C_I}{R_1 \cdot \text{GBP}}} }[/math]

Die Sperrschichtkapazität [math]\displaystyle{ C_D }[/math] der Diode kann man verkleinern, indem man die Anode nicht auf GND, sondern eine negative Spannung legt, je nach Typ zwischen −5V und −100V. Dadurch kann man [math]\displaystyle{ C_D }[/math] um den Faktor 2−10 verkleinern und somit die Schaltung schneller machen.

Phototransistor

NPN-Foto­transistor in Common-Collector Amplifier Schaltung

Phototransistoren sind mit Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich wesentlich langsamer als Photodioden, erlauben dafür aber die Steuerung bzw. das Schalten relativ großer Ströme (µA..mA) durch Licht. Je nach Schaltung erreicht man Grenzfrequenzen von einigen Dutzend Kilohertz. Benutzt werden sie wie Photodioden mit Arbeitswiderstand. Eine Verschaltung mit TIA ist nur mit negativer Vorspannung möglich, da Phototransistoren aktiv keinen Strom liefern.

Auf Grund des recht großen Photostroms kann man hier mit relativ kleinen Widerständen arbeiten und erhält eine hohe Bandbreite. Diese wird aber nach oben vor allem durch die Millerkapazität des Phototransistors sowie dessen Sättigungsverhalten der Basis-Emitter-Strecke begrenzt. Die Basis von Phototransistoren ist meist nicht zugänglich und bleibt offen. Bei einigen Typen ist sie als Pin am Bauteil herausgeführt. Mit einem hochohmigen Widerstand im Bereich 100kΩ bis 10MΩ von der Basis zum Emitter kann man die Schaltgeschwindigkeit des Phototransistors erhöhen, allerdings auf Kosten der Empfindlichkeit.

Siehe auch:

Photo-Array

Werden mehrere Photodioden in einer Matrix zusammengeschaltet, so entsteht ein zweidimensionaler Bildsensor.

LED

LED in Sperrrichtung als Photodiode.

LEDs kann man auch als Photodiode betreiben, wenngleich der Wirkungsgrad bescheiden ist. Nicht alle LED-Substrate erlauben eine Nutzung als Photodiode.

Günstiger für Helligkeitsmessungen ist jedoch, die LED in Sperrrichtung zu betreiben. Hier verhält sie sich wie einen Kondensator mit einer parallelen, lichtabhängigen Stromquelle (Siehe erstes Paper). Die Anode wird gegen Ground geschaltet und die Kathode kommt an einen IO-Port-Pin eines µC.

Die Messung erfolgt in 3 Schritten:

  1. LED aufladen durch Schalten des Pins auf High und kurz warten.
  2. Umstellen des Pins auf High-Impedanz Eingang (kein Pull-Up!). Der Strom fließt nun recht langsam aus dem Kondensator über die Stromquelle nach GND ab. Daher sinkt die Spannung stetig und fällt soweit ab, dass der µC ihn als Low erkennt.
  3. Zeit messen, bis Eingang auf LOW fällt.

Hier eine beispielhafte C-Routine für AVR: 

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

static uint8_t SensorLEDGetValue (void)  
{
 uint8_t entladezeit = 0;

 // Portpin PB3 auf Ausgang stellen und LED aufladen
 DDRB  |= (1<<PIN3);  
 PORTB |= (1<<PIN3);  
 _delay_us(10);

 // Portpin PB3 auf Eingang stellen
 DDRB  &= ~(1<<PIN3);
 PORTB &= ~(1<<PIN3);
  
 // Zeit (in 5ms Schritten) messen bis 
 // Signalpegel am Portpin auf LOW fällt
 while(PINB & (1<<PIN3) && (entladezeit != 0xff)){
   ++entladezeit;
   _delay_ms(5);
 }

 return entladezeit;
}

Das Ganze lässt sich natürlich noch clever in Timer-ISRs packen, damit das Programm zwischendurch weiterlaufen kann. Hängt man das andere Ende anstatt an Ground ebenfalls an einen µC-PIN so kann man die LED zusätzlich auch noch ganz normal benutzen. Wesentlich besser als Warteroutinen zu verwenden ist die Input-Capture Funktionalität, die Microcontroller wie AVR zur Verfügung stellen.

  • [1] Paper (die Theorie und Möglichkeiten)
  • Reaktives Licht fürs Geocaching - Doppelnutzung einer LED als Lichtsensor und als Lichtquelle von Sir Vivor. (AVR)
  • [2] - MSP430 Demo Code
  • [3] - LED Matrix als Touch-Sensor
  • [4] - LED Matrix als Touch-Sensor

Integrierte Photosensoren

  • Light-to-Voltage Converters
  • Light-to-Frequency Converters (z. B. TSL230R, tageslichttauglich)
  • Linear Sensor Arrays
  • Light-to-Digital Converters
  • Color Sensors

Maxim

Texas Instruments

ams AG

Siehe auch

Links

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