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
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.
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".
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
@ 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 ;-)
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.
Falk B. schrieb:> Wenn das Multimeter nur 100nA auflösen kann, wird es eng ;-)
Also Messverstärker dran, damit der Multimeter das noch exakt messen
kann?
"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!
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.
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.
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?
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.
@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
@ 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.
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.
@ 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
