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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LED in Sperrrichtung als Photosensor


Autor: Gast (Gast)
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Hallo,

ich möchte eine LED in Sperrrichtung als Photosensor verwenden. Da die 
Kapazität der LED von der Beleuchtungsstärke abhängt lässt sich über die 
Entladezeit die Umgebungshelligkeit messen. So viel zur Theorie.

Praktisch betreibe ich die LED an einem Funktionsgenerator, welcher mir 
eine Rechteckspannung mit 100Hz zwischen 0V und 5V erzeugt. Die LED ist 
mit einem 1MOhm Vorwiderstand in Sperrrichtung an den Funktionsgenerator 
angeschlossen. Das Oszilloskop triggert auf die fallende Flanke. Leider 
zeigt sich selbst bei starkem Zeitzoom (50ns/Div) absolut kein 
kapazitives Verhalten. Es ist nicht unterscheidbar, ob die LED 
angeschlossen ist, oder nicht. Was mache ich falsch?

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Gast wrote:
> ich möchte eine LED in Sperrrichtung als Photosensor verwenden. Da die
> Kapazität der LED von der Beleuchtungsstärke abhängt lässt sich über die
> Entladezeit die Umgebungshelligkeit messen. So viel zur Theorie.

Diese Theorie ist mir neu, woher hast Du sie?

Eine LED kann als Fotodiode arbeiten, d.h. Spannung erzeugen oder ihren 
Widerstand ändern.
Allerdings hat sie nen lausigen  Wirkungsgrad, weit unter einer echten 
Fotodiode.


Peter

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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@Peter: Die Theorie ist nicht neu und wurde hier im Forum auch schon 
behandelt.

Beitrag "Re: Brauche Hilfe bei Schaltplan"
Beitrag "LED als Fotodiode (war: Brauche Hilfe bei Schaltplan)"

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Travel Rec. wrote:
> @Peter: Die Theorie ist nicht neu und wurde hier im Forum auch schon
> behandelt.

> Beitrag "Re: Brauche Hilfe bei Schaltplan"
> Beitrag "LED als Fotodiode (war: Brauche Hilfe bei Schaltplan)"

Zeig mir bitte mal, wo da die Kapazität gemessen wird.

Es wird die Schaltungskapazität über den Sperrwiderstand der LED 
entladen, d.h. die Widerstandsänderung wird gemessen.


Peter

Autor: Winfried (Gast)
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Hier kannst du einiges drüber lesen:

http://www.geoclub.de/download/file.php?id=1476

Dort steht z.B.:

"Die   Kapazität   einer   Leuchtdiode
(LED)   in Sperrrichtung  ist  abhängig
von   der  Beleuchtung.  Bei  Beleuch­
tung ist sie klein, in dunklem Zustand
groß.
Im Programm wird die Kapazität der
LED regelmäßig aufgeladen und nach
einer bestimmten Zeit nachgemessen,
inwiefern sie sich schon entladen hat.
Durch den  schmalen Abstrahlwinkel
der  LED  ist   gewährleistet,   dass   die
Schaltung nur  bei  direkter  Beleuch­
tung   aktiviert  wird.  Als   am Besten
geeignete LED hat sich eine superhel­
le rote mit transparentem Gehäuse he­
rausgestellt."

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Die Beschreibung ist nicht wirklich richtig.

Die LED hat eigentlich eine konstante Kapazität, wirkt aber gleichzeitig 
als Photodiode, und somit als Stromquelle bzw Senke.

Also entläd die LED die zuvor aufgeladene Sperrschichtkapazität (und 
alles was dranhängt) abhängig von der Beleuchtung.

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ Gast
Du willst sie doch nur als Photosensor verwenden, also löte den 1M Ohm 
Widerstand mit der Diode(verkehrt rum) zusammen und miss die Spannung 
über den Widerstand.(den Strom)
Je heller desto mehr Strom fließt.
Du kannst an dem Widerstand bei Dunkelheit noch ~5mV messen und wenn du 
richtig mit einer andren LED drauf strahlst 2V bis 3V.

Der Spannungsverlauf müsste linear sein.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Winfried wrote:
> "Die   Kapazität   einer   Leuchtdiode
> (LED)   in Sperrrichtung  ist  abhängig
> von   der  Beleuchtung.  Bei  Beleuch­
> tung ist sie klein, in dunklem Zustand
> groß.

Das ist nur ne Behauptung, die der Autor nichtmal selber glaubt.
Sonst würde er ja nicht die Widerstandsänderung messen.

Zur Kapazitätsmessung bräuchte die Schaltung entweder ne konstante 
Stromquelle oder nen konstanten Widerstand und die sind nirgends.

Er mißt daher die Entladung der konstanten Schaltungskapazität über den 
lichtabhängigen Sperrwiderstand.


Peter

Autor: flätz (Gast)
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Er schreibt ja auch auf der 1. Seite

Zitat:
"Dieses Kochbuch erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und 
Richtigkeit.."

Autor: Roman (Gast)
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Um auf die Frage vom Gast zurückzukommen:

Ich mache das mit den LEDs als Lichtsensor auch schon in mehreren 
Schaltungen, klappt sehr gut. Mir scheint Dein 1 MOhm Widerstand viel zu 
gross. Ich benutze einen ganz normalen Vorwiderstand, also ca 150 Ohm.
Auch ist Dein Rechtecksignal mit 100Hz viel zu langsam, da die Kapazität
nicht so gross ist.

Das meiner Meinung nach beste Dokument zum Thema ist das hier:
http://www.merl.com/papers/docs/TR2003-35.pdf

Dort sieht man auch einige Oszi Screenshots, wie die Entladungskurve
genau aussieht. Man misst also wohl die "Restspannung" bei der Entladung 
nach einer gewissen Zeit.

Autor: bekennender Geocacher (Gast)
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Auch ich kenne diese Schaltung und kann bestätigen dass sie 
Funktioniert.
Ich will aber auch kurz was zur Messung sagen.
Da wird keine Spannung gemessen (zumindest nicht direkt)

Was gemacht wird:
-Spannung verkert herum an die LED anschliessen
-warten
-Ausgang auf Eingang umstellen
-In einer Schleife Eingangspegel einlesen (0 oder 1 nicht analog)
-Wenn der Pegel umschlägt auswerten wie lange es gedauert hat

-Bei dunkel dauerts länger als bei hell
-Das das ganze nicht prezise ist ist klar, aber man kann erkennen, ob 
eine
 LED im hellen oder im dunkelen ist.

Autor: yalu (Gast)
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Damit die Schaltung funktioniert, ist es nicht erforderlich, dass sich
die Kapazität mit der Beleuchtungsstärek ändert (m.W. tut sie das auch
nicht, sie ändert sich nur mit der Sperrspannung). Die Entladezeit der
Kapazität hängt also im Wesentlichen vom Fotostrom ab, der bei
konstanter Kapazität proportional zur gemessenen Zeit ist.

So ähnlich steht das auch in dem von Roman geposteten Dokument:

  "By timing how long this takes, we get a measurement of the
  photocurrent and thus the amount of incident light."

Das eigentlich Besondere an der Schaltung ist, dass man zur Messung des
Fotostroms keinen ADC benötigt, sondern mit zwei gewöhnlichen
Digital-I/Os auskommt. Zudem kann man die LED nicht nur als Empfänger,
sondern auch als Sender nutzen.

Hat man einen ADC zur Verfügung, ist die Messung des Fotostroms über den
Spannungsabfall an einem Widerstand naheliegender. Sie dürfte
reproduzierbarer sein, da weniger unbekannte Größen (Diodenkapazität,
Eingangskapazität des µC, Schaltschwelle des µC-Eingangs usw.) in die
Messung eingehen. Sie hat auch den Vorteil, dass die Messdauer
unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist.

Aber pfiffig ist der Trick mit der Diodenkapazität schon, da muss man
erst einmal draufkommen :)

Autor: Peter Dannegger (peda)
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yalu wrote:

> Aber pfiffig ist der Trick mit der Diodenkapazität schon

Nein, der Trick ist mit dem Sperrwiderstand!

> , da muss man
> erst einmal draufkommen :)

Widerstandsmessung über Entladezeit eines Kondensators ist ein alter 
Hut.

Und daß der Widerstand eines Halbleiters sich durch Lichteinfall ändert 
auch.
Ich hab früher mal von Selengleichrichtern den Zinnbelag etwas 
abgewischt, um sie lichtempfindlich zu machen, hat funktioniert.
Ältere russische TTL-Gatter (Malzbonbons) kann man durch Lichteinfall 
sperren.


Peter

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
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JEDE PN-Sperrschicht hat die Eigenschaft einer Fotodiode: das in die 
Sperrschicht kommende Licht macht Ladungsträger frei, die dann den 
lichtabhängigen Sperrstrom bilden. Dabei ändert sich an der Breite der 
Sperrschicht nichts, die ist durch angelegte Spannung und 
Diffusionsprofil festgelegt.

Ob es eine LED-Sperrschicht, eine Dioden- oder andere Sperrschicht ist, 
macht da wenig Unterschied. Nur ist bei der Fotodiode der Aufbau so, 
dass das Licht gut in die Diode hineinkommt

Deshalb werden auch Dioden, Transistoren, IC's... in lichtdichte Gehäuse 
eingepackt.

Dass sich dabei die Kapazität der Diode durch Beleuchtung ändert, kann 
nur ein Nebeneffekt sein, ist von der Wirkungsweise her aber Unsinn.

Autor: Gast (Gast)
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Schonmal eine Standarddiode (1n4148) im transparenten Gehäuse probiert?


Wieso verbaut man Halbleiter überhaupt in transparente Gehäuse??? 
Dadurch verbiegt sich doch die Kennlinie je nach Beleuchtung.

Autor: yalu (Gast)
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Peter Dannegger schrieb:

> yalu wrote:
>
>> Aber pfiffig ist der Trick mit der Diodenkapazität schon
>
> Nein, der Trick ist mit dem Sperrwiderstand!
>
>> , da muss man
>> erst einmal draufkommen :)
>
> Widerstandsmessung über Entladezeit eines Kondensators ist ein alter
> Hut.

Das schon, aber dass man als Kondensator die parasitäre Kapazität nutzt
(die damit nicht mehr parasitär ist), habe zumindest ich noch nicht
gesehen. Aber natürlich gibt es vieles, was ich noch nicht gesehen habe
und trotzdem ein alter Hut ist ;-)

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Hier kann man sehen, wie eine LED als Kapazitätsdiode mißbraucht werden
kann.
http://www.proehl-elektronik.de/qrss/qrss.html

Es gibt nichts, was es nicht gibt. ;-)

MfG Paul

Autor: Ulrich (Gast)
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Eine andere interessante variante ist es bei einem Ge-transistor ein 
Loch in Metallgeäuse zu bohren. So leicht kommt man sonst nicht an 
Germanium Fotodioden oder Fototransistoren.

Autor: Mr. Mister (Gast)
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Wie gross ist den die Kapazitaet einer LED, SMD/LED?

..vielleicht kennt jemand von euch einen netten Link zu Dokumenten ueber 
LED und deren parasitaerer Kapazitaet?

Autor: Bereitsvorbei (Gast)
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Der nette Link für
 > die Kapazitaet einer LED
geht zu den Datenblättern der jeweiligen LED die eingesetzt wird.

Das gilt auch für
 > LED und deren parasitaerer Kapazitaet
wenn du erklärst, warum sie `parasitär` ist, sie ist doch Bestandteil 
des Pruduktes.

Autor: ... (Gast)
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Schau mal hier:
http://www.loetstelle.net/projekte/tiny13direction...

da ist sowas schon mal umgesetzt worden. Könnte für Dich interessant 
sein.

Autor: Mr. Mister (Gast)
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@Bereitsvorbei

...die Links sind nicht von mir sondern werden automatisch erstellt (bei 
Woertern die einem entsprechendem Tag entsprechen )

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