Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fotodiode an Multimeter? (Bpw 21, Bpw 34)


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von Antonio (Gast)


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Hallo Mikrocontroller-Forum,

ich würde gerne im Rahmen meiner W-Seminararbeit die Beleuchtungsstärke 
einer Taschenlampe, nach der Reflexion auf Wasser messen. Dazu habe ich 
die Fotodioden Bpw21 und Bpw 34 zur Verfügung.

Da der Fotostrom im (nahezu) Kurzschlussbetrieb ja über viele 
Größenordnungen hinweg ca. linear ist, dachte ich mir ich schließe doch 
einfach mal die Fotodiode an ein Multimeter an. Auf Mikrocontroller.net 
unter "Lichtsensor" kann man dazu auch ein schönes Bild sehen.

Einziges Problem: Mit dem selben Multimeter auf dem Bild (Voltcraft 
M-4650B habe ich gar keinen Strom messen können und mit einem anderen 
(Peaktech 1020) nur sehr inkonstante Werte.
Ist das der Grund warum man normalerweise Transimpedanzverstärker nimmt 
um den Fotostrom in eine Spannung umzuwandeln?
Könnt ihr vielleicht eine Empfehlung für einen einfachen Messaufbau 
abgeben mit dem ich den Fotostrom messen kann? Am besten wäre 
irgendetwas ohne Transimpedanzverstärker, weil ich den nicht zur 
Verfügung habe. Es sei denn ein einfacher Messverstärker von Leybold 
tuts auch.

Schon jetzt vielen Dank fürs Durchlesen und Antworten

Mit freundlichen Grüßen

Antonio

von Harald W. (wilhelms)


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Antonio schrieb:

> ich würde gerne im Rahmen meiner W-Seminararbeit die Beleuchtungsstärke
> einer Taschenlampe, nach der Reflexion auf Wasser messen. Dazu habe ich
> die Fotodioden Bpw21 und Bpw 34 zur Verfügung.

Du solltest Dir überlegen, ob Du radiometrisch oder photometrisch
messen willst und danach den Sensor wählen.
>
> Da der Fotostrom im (nahezu) Kurzschlussbetrieb ja über viele
> Größenordnungen hinweg ca. linear ist, dachte ich mir ich schließe doch
> einfach mal die Fotodiode an ein Multimeter an.

Normale Multimeter im Strombereich bieten aber keinen (nahezu) 
Kurzschlussbetrieb.

> Einziges Problem: Mit dem selben Multimeter auf dem Bild (Voltcraft
> M-4650B habe ich gar keinen Strom messen können und mit einem anderen
> (Peaktech 1020) nur sehr inkonstante Werte.

Dann hast Du dich wohl vermessen (Wer misst, misst Mist).

Mach mal eine Zeichnung bezüglich Deines Meßaufbaus.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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https://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf

Für die Spannung, die die Diode als "Solarzelle" abgibt ist hier nur ein 
Wert genannt:
Open circuit voltage Ee = 1 mW/cm2, λ = 950 nm Vo 350 mV

Die Strommessung scheint immer ein Sperrstrom zu sein,
Fig. 4 - Reverse Light Current vs. Illuminance
da ist eine logarithmische Abhängigkeit des Sperrstroms von der 
Beleuchtung gezeigt. Zur Messung eines Sperrstroms muss aber eine 
externe Spannungsquelle angeschlossen sein, das geht nicht mit dem 
"Solarstrom".

von pegel (Gast)


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Jahrzehnte lang wurde das gute alte Selen Fotoelement genutzt.
Ganz ohne Zusatzstrom und geeicht.

Wäre das Option?

https://www.ebay-kleinanzeigen.de/s-belichtungsmesser/k0

von Harald W. (wilhelms)


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pegel schrieb:

> Jahrzehnte lang wurde das gute alte Selen Fotoelement genutzt.
> Ganz ohne Zusatzstrom

Aber nur bei Billigbelichtungsmessern. "Bessere" benutzten
CDS-Sensoren.

> und geeicht.

Das sicher nicht.
https://de.wikipedia.org/wiki/Eichung

von Antonio (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Mach mal eine Zeichnung bezüglich Deines Meßaufbaus.

Das ist mein Messaufbau:

https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BPW21MitMultimeter.JPG

Statt der Bpw 21 habe ich die bpw 34 verwendet. So wie es auf dem Bild 
aussieht und darunter beschrieben wird wäre es perfekt.

von Falk B. (falk)


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@ Harald Wilhelms (wilhelms)

>Normale Multimeter im Strombereich bieten aber keinen (nahezu)
>Kurzschlussbetrieb.

Für die Messung des OPs reicht das allemal aus, die meisten Multimeter 
haben 200mV Vollausschlag, auch im Strommeßbereich, macht im 2mA 
Strommeßbereich 100Ohm.

>> Einziges Problem: Mit dem selben Multimeter auf dem Bild (Voltcraft
>> M-4650B

Das Ding hat einen 2mA Strommeßbereich und kann 1uA auflösen. Naja, das 
ist grenzwertig.

>habe ich gar keinen Strom messen können und mit einem anderen
>> (Peaktech 1020) nur sehr inkonstante Werte.

Das hat einen 200uA Strommeßbereich mit 0,1uA Auflösung, da sollte schon 
was zu messen sein. Allerdings sollte man sich bei sowas nicht täuschen 
lassen, das sind trotz guter Sichtbarkeit sehr geringe Lichtstärken.

"die Beleuchtungsstärke einer Taschenlampe, nach der Reflexion auf 
Wasser messen."

Ich würde mal vermuten, daß da nur eine Handvoll uA aus der Diode 
rauskommt, eher weniger. Die BPW34 hat ca. 80nA/lx, macht bei lauen 
100lx gerade mal 8000nA, tendentiell eher weniger. Wenn das Multimeter 
nur 100nA auflösen kann, wird es eng ;-)

von Falk B. (falk)


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@Antonio (Gast)

>Das ist mein Messaufbau:

>https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BPW...

Der ist OK.

>Statt der Bpw 21 habe ich die bpw 34 verwendet.

Auch OK.

von Harald W. (wilhelms)


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Antonio schrieb:

> Das ist mein Messaufbau:

Ich meine nicht den elektrischen, sondern den mechanischen.
Da liegt anscheinend der Fehler.

von Antonio (Gast)


Angehängte Dateien:

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Achso, ja da liegt natürlich ein Missverständnis vor. Anbei der 
komplette geplante Versuchsaufbau.

Harald W. schrieb:
> Ich meine nicht den elektrischen, sondern den mechanischen.
> Da liegt anscheinend der Fehler.

von Antonio (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Wenn das Multimeter nur 100nA auflösen kann, wird es eng ;-)

Also Messverstärker dran, damit der Multimeter das noch exakt messen 
kann?

von Antonio (Gast)


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"Dann hast Du dich wohl vermessen (Wer misst, misst Mist)."

Gute Neuigkeiten: Ich habe mit dem Peaktech Multimeter versehentlich im 
AC Modus gemessen. Nach Umstellung zeigt er jetzt in meinem Zimmer einen 
relativ konstanten Wert von 31,0 uA an.
Vielen Dank an alle die schon geholfen haben!

von FlorenzW (Gast)


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Ich hab's mal ausprobiert:

BPW21 an einem UNI-T UT139A (billiges Digitalmultimeter)
Strom gemessen pralles Sonnenlicht: 1,24mA
BPW21 an OPA381 (Transimpedanzverstärker) gegen 1kOhm gemessen pralles 
Sonnenlicht: 1,22V

Wikipedia sagt: klarer Himmel und Sonne im Zenit [3]   130.000 lx
Das Lichtstärkenmessgerät meines Handys geht leider nur bis 66000 Lux...

BPW21 an ein UNI-T UT139A (billiges Digitalmultimeter)
Strom gemessen Handy-Taschenlampe 30cm Absatnd: 3,3µA
BPW21 an OPA381 (Transimpedanzverstärker) gegen 100kOhm 
Handy-Taschenlampe 30cm Abstand: 0,35V

Datenblat BPW21: 10µA / 1000Lux

-> Passt ziemlich gut.
-> Wenn du ein paar tausend Lux zum Messen zur Verfügung hast, sollte 
beides funktionieren.

von Antonio (Gast)


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Vielen Dank für deine Antwort. Ich denke ich kann mit meiner ca. 400 
Lumen Taschenlampe eine sehr große Beleuchtungsstärke auf der kleinen 
Fotodiode erreichen :D.

von Peter R. (pnu)


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Da spielt doch noch ein weiterer Effekt bei BPW xxx eine Rolle.

Dieser Diodentyp hat PIN-Struktur mit einer relativ (0,1mm) dicken 
I-Schicht.
Erst beim Anlegen einer Sperrspannung erstreckt sich die fotosensitve 
Schicht über die gesamte Breite der I-Zone.

Die BPWxxx-Dioden haben die größte Empfindlichkeit also bei ca. 5V 
Sperrspannung als lichtabhängige Stromquelle. (mit 80µA/Lx)

Nicht umsonst ist im Datenblatt die Empfindlichkeit (nA/Lx) bei einer 
Sperrspannung von 5V angegeben.

Schau Dir nochmals das Datenblatt einer BPW34 genau an.

Übrigens, bei Deiner Skizze zum Messaufbau, müsste da nicht auch auf der 
Sendeseite ein Polfilter eingesetzt werden?

: Bearbeitet durch User
von Lurchi (Gast)


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Beim DMM sollte man testen ob ggf. die Sicherung durch ist. Kommt gerade 
in der Schule öfter mal vor.

Die Strommessung ist zwar kein perfekter Kurzschluss, kommt dem aber 
schon nahe genug, wenn man den Messbereich nicht voll ausnutzt. Bei den 
Üblichen 200 mV an Bürdenspannung (für den vollen Messbereich) ist man 
noch relativ nahe am Kurzschlussstrom.

Der Strom ist recht klein und je nach DMM nicht mehr vernünftig 
anzeigen. Alternativ kann man den Strom auch mit Widerstand (z.B. 100 K 
oder 1 M) und dann Spannungsmessung (im Bereich bis etwa 100 mV) messen. 
Für ganz kleine Ströme (bis ca. 20 nA) reicht auch der übliche 10 M 
Eingangswiderstand bei der Spannungsmessung.

Die Angabe in nA/Lux täuscht bei einer LED ggf. etwas. Die Phototdioden 
haben die größte Empfindlichkeit im roten bis nahen IR.  Weisse LEDs 
haben allerdings hauptsächlich gelb und blau. Entsprechend gibt es bei 
gleicher Helligkeit mit einer Glühlampe deutlich mehr Photostrom als mit 
einer LED Lampe.


Auch PIN Photodiode gehen ohne Vorspannung. Mit Vorspannung wird die 
Empfindlichkeit nur minimal (i.A. < 1%) größer, und dass vor allem im IR 
Bereich.

von Werner H. (werner45)


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@Antonio:

Du weißt aber schon, daß Wasser nur etwa 2% der einfallenden 
Strahlungsintensität reflektiert?

Reflexionsgrad  R = ( (n2-n1)/(n2+n1) )²
n2 = Brechungsindex Wasser - ca. 1,33
n1 = Brechungsindex Luft  - ca 1,0

Gruß   -   Werner

von Jens G. (jensig)


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@ Peter R. (pnu)

>Da spielt doch noch ein weiterer Effekt bei BPW xxx eine Rolle.

>Dieser Diodentyp hat PIN-Struktur mit einer relativ (0,1mm) dicken
>I-Schicht.
>Erst beim Anlegen einer Sperrspannung erstreckt sich die fotosensitve
>Schicht über die gesamte Breite der I-Zone.

>Die BPWxxx-Dioden haben die größte Empfindlichkeit also bei ca. 5V
>Sperrspannung als lichtabhängige Stromquelle. (mit 80µA/Lx)

>Nicht umsonst ist im Datenblatt die Empfindlichkeit (nA/Lx) bei einer
>Sperrspannung von 5V angegeben.

Und bei 0V, bezeichnet mit Short circuit current.
Ja, nur ist dieser Effekt idR. recht klein ist. Brauchst nur den Short 
circuit current und den Reverse light current vergleichen. Eher nur paar 
unbedeutende Prozente.
Bei der SFH203(FA) dagegen, auch eine PIN-PD, werden genau 0% 
Unterschied angegeben.
Da ist die spannungsabhängige Sperrschichtkapazität eine deutlich 
signifikantere Größe, wenn es um höhere Frequenzen gehen würde.

von Peter R. (Gast)


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Werner H. schrieb:
> Du weißt aber schon, daß Wasser nur etwa 2% der einfallenden
> Strahlungsintensität reflektiert?
>
> Reflexionsgrad  R = ( (n2-n1)/(n2+n1) )²
> n2 = Brechungsindex Wasser - ca. 1,33
> n1 = Brechungsindex Luft  - ca 1,0
>
> Gruß   -   Werner

Das gilt für ein senkrecht durchtretendes Licht. Aber da gibt es einen 
Grenzwinkel ab dem Reflexion eintritt. Zusätzlich findet dann 
Polarisation an der Grenzfläche statt.
Angler benutz(t)en Polbrillen, um die Fische auch in dem Bereich zu 
sehen, in dem Reflexion an der Oberfläche stattfindet.

von Werner H. (werner45)


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@ Peter R:

Der Reflexionsgrad ist unabhängig vom Winkel (ist auch beim Spiegel so).
Der Grenzwinkel gilt für die Totalreflexion, tritt nur im dichteren 
Medium auf, also unter Wasser.
Maximale Polarisation (bei Nichtmetallen) tritt beim Brewsterwinkel auf, 
aber da gewinnt man auch keine zusätzliche Lichtintensität.
Ein Sonnentag hat eine Beleuchtungsstärke von etwa 100000 lx, eine 
Reflexion von 2% sind 2000 lx, das blendet beim Reinschauen auch schon.
Ich bin kein Angler, habe aber für Draußen eine Pola-Sonnenbrille, um 
unter Wasser oder in Schaufensterscheiben besser reinsehen zu können.
Störend ist aber im Auto, daß man ohne Kopfdrehung kein LCDdisplay 
ablesen kann.

Gruß   -   Werner

: Bearbeitet durch User

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