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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Helligkeit mit Fototransistor messen


Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Hallo zusammen!

Ich bin gerade dabei ein Art Luxmeter zu bauen. Nun haben sich mir (wie 
solls auch anders sein) ein paar Fragen aufgeworfen.

Als Lichsensor verwende ich einen Fototransistor vom Typ BPX81-2 von 
OSRAM. Dessen Photostrom gebe ich auf den Eingang eines I/U-Verstärkers 
mit einem Widerstand von 1k2. Über die Diagramme im Datenblatt habe ich 
eine annährend genaue Formel für die Beleuchtungsstärke E abhängig vom 
Fotostrom und der Temperatur des Sensor aufgestellt. Nur ist diese 
ziemlich komplex, gibt es da nicht vielleicht etwas einfacheres?

Das ganze soll später die Helligkeit vorm Fenster messen, also die 
Lichstärke (?) der Sonne. Laut Datenblatt ist das E in mW/cm². Wie kann 
ich das in lux oder so umrechnen? Gibs hierfür eine Formel oder so was?


Schöne Grüße und vielen Dank
Philipp

Autor: Rufus Τ. Firefly (rufus) (Moderator) Benutzerseite
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In "richtigen" Belichtungsmessern* aus der Photographie wird öfters die 
Photodiode BPW21 verwendet, deren Spektralverhalten entspricht dem des 
menschlichen Auges, was auch bei Deiner Messaufgabe nützlich sein 
könnte.

Hier ist eine allerdings französische Beschreibung eines mit der BPW21 
aufgebauten Luxmeters:

http://perso.orange.fr/doumai/Luxm%E8tre/Luxm%E8tre%202.htm

Ganz grobe Übersetzung (mein Französisch ist etwas eingerostet):

Dies ist ein mit der BPW21 aufgebautes Luxmeter. Es benötigt eine 
symmetrische Stromversorgung, die nicht auf der Platine enthalten ist 
sowie ein Multimeter zur Anzeige des Messergebnisses.

Die Photodiode weist eine Empfindlichkeit von 10 nA pro Lux auf. IC1 
wird als Strom/Spannungswandler verwendet. Bei 1 Lux beträgt die 
differentielle Ausgangsspannung 200 µV.

IC2 ist ein differentieller Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor 10. 
Bei 1 Lux beträgt die Ausgangsspannung also 2mV.

IC3 ist ein Tiefpass erster Ordnung und dient dem Ausfiltern von 
flackernden Leuchtstoffröhren.

Bei 1000 Lux beträgt die Ausgangsspannung 2V.

------

Der Artikel scheint eine recht gute Bauanleitung mit ausführlicher 
Grundlagenbeschreibung zu sein, unter den Links "Dossier" verbergen sich 
als Lehrmaterial verwendbare Texte.

Für den realistischen Gebrauch als Luxmeter muss vermutlich die 
Schaltung geändert werden und anstelle des linear arbeitenden 
Verstärkers ein Logarithmierer verwendet werden. Anpassungsvorschläge 
für andere Messbereiche werden zum Ende des Artikels hin 
("Modifications") gegeben; das "Luxmètre pour l'extérieur" liefert 2V 
bei 10000 Lux.

*) so in Geräten der Firma Gossen wie Profisix, Lunalite und ähnlichem.

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Super, das klingt schon mal gut!

Ich hätte da noch eine Frage zum Abschnitt "Réglages". Da ich kein 
Französisch kann, habe ich mir diesen Abschnitt so zusammengereimt:
Die zwei Trimmer P1 und P3 dienen zur Offset-Spannungskorrektur der 
OPVs.
Brauche ich die unbedingt, oder wäre es auch möglich einen 
Präzisions-OPV zu verwenden, mit sehr kleiner Offsetspannung?
P2 dient zur Kallibrierung des Gerätes. Was meint er mit zwei 10k 1% 
Widerstände für P2 und R1 einbauen? Was sollte ich da messen? Luxmeter 
hab ich leider keines zur Hand...

Aber alles in Allem sieht das wirklich gut aus, und auch viel einfacher 
als meinen Atmega16 mit 5kbyte Code vollzupumpen nur um die ganze 
berechnung durchzuführen...

Danke und Grüße
Philipp

Autor: Rufus Τ. Firefly (rufus) (Moderator) Benutzerseite
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Hmm. Wie gesagt, rostig. Und nie gut gewesen.

Photodiode mit schwarzem Isolierband abkleben. P1 so einstellen, daß die 
Spannung "VAM" null wird. Der Ausschlag des Voltmeters sollte 
kleinstmöglich sein. Mit P3 die Spannung "VSM" auf null stellen.

So Sie kein Luxmeter zur Hand haben. sind die zwei Komponenten R1 und P2 
durch präzise Festwiderstände (10k 1%) zu ersetzen. Die Photodiode 
sollte nicht durch transparente Gehäuse hindurch genutzt werden, sondern 
direkt dem Licht ausgesetzt werden.
Wenn Sie ein Luxmeter haben, beide Geräte gleich beleuchten und mit P2 
die Messergebnisse abgleichen.

Unter "Modifications" gibt es noch zwei Varianten:

Soll direkt in Lux gemessen werden, muss die Summe von R1 und P2 10k 
betragen.

Für Außenlichtmessungen (hell!), sind R3 und R5 mit 100k zu bestücken. 
Dann liefert das Gerät 2V bei 10kLux. Allerdings ist dann der Tiefpass 
IC3 inaktiv.

Viel Erfolg!

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Bei der Gelegenheit hier eine kleine Übersicht über die wichtigsten 
lichttechnischen Begriffe, die sorgen ja immer wieder für Verwirrung.

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Super Danke nochmals!

Ich habe mir außerdem gedacht, die Potis für den Offsetabgleich 
wegzulassen und dafür einen besseren OPV zu nehmen. Mal schauen obs 
klappt.

Grüße
Philipp

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Hi!

Etwas ist mir noch eingefallen. Und zwar, kann ich die gemessenen lux 
direkt in W/m² umrechnen?

Oder brauche ich dafür eine geeignetere Messung oder Sensor?


Vielen Dank und schöne Grüße

Autor: Sabb (Gast)
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W/m^2 wuerde ich mit einer Diode resp Solarzelle messen. Die groessere 
flaeche bringt mehr Strom. Wie haengen Lux und W/m^2 denn zusammen ?

Autor: Msp 430_crew (msp430_crew)
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Sabb wrote:
> W/m^2 wuerde ich mit einer Diode resp Solarzelle messen. Die groessere
> flaeche bringt mehr Strom. Wie haengen Lux und W/m^2 denn zusammen ?

Ein LUX entspricht 0.0161028 W/m^2.
http://www.vaplastics.com/elec/reference/Englishto...

Ich würde Dir zu einer BPW21 raten. Messe den Strom, dieser ist 
proportional zu Beleuchtungsstärke. Steht alles im Datenblatt.

Sehr hilfreiche Tips auch hier:
Beitrag "Lichtsensor überprüfen aber wie?"

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Super, perfekt

Genau so eine Umrechnung suchte ich! Danke

Autor: MaWin (Gast)
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> Genau so eine Umrechnung suchte ich!

Nach 3 Jahren sollte man vielleicht noch mal festhalten,
daß diese Umrechnung falsch ist.

Erstens nennt der angegebene Link lux als Lumen/Quadratfuss, was nicht 
nur in Deutschland falsch ist,

zweitens ist das Watt die Energieleistung auf einer schwarzen Fläche, 
also inklusive des Infrarotanteils, und das Lumen wird mit der Kurve der 
Augenempfindlichkeit bewertet, kann also infrarot nicht enthalten.

Die Photodiode hat ihre Empfindlichkeit bei einer genannten Wellenlänge, 
z.B. 670nm, und nimmt den Rest des Lichts entsprechend ihrer 
Empfindlichkeitskurve wahr, da ist bei tiefem Infrarot auch nichts mehr 
dabei.

For every complex problem there is an answer that is clear, simple,
and wrong.  (H. L. Mencken, 1880 - 1956)

Autor: Philipp Putzer (putzer_philipp)
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Richtig, die Umrechnung gilt wohl nur für das menschliche Auge (dazu 
auch V(lambda) den DIN Normbeobachter) und . Im Endeffekt hat mich die 
Zal in lux eh nicht mehr weiter interessiert, da es sich um die 
wirkliche Leistung der Sonne handelt und nicht das was das Auge 
mitkriegt.

Autor: MaWin (Gast)
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Eben, Die Umrechnung stimmt nur bei 555nm.

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