Snelle Luxmeter
Luxmeters die geschikt zijn om snelle lichtintensiteit veranderingen te meten zijn moeilijk te vinden. Dit artikel beschrijft een zelfbouw luxmeter met een grote lineariteit en heeft een -3 dB frequentiebereik van DC tot 350 kHz. Het gevoeligheidsspectrum komt grotendeels overeen met het menselijk oog.
Fotodiode
Deze luxmeter gebruikt een fotodiode als lichtsensor. Dit omdat de uitgangsstroom een lineair verband heeft met de lichtintensiteit en een snelle reactietijd op intensiteitsveranderingen heeft. De relatie tussen de lichtintensiteit Ev en diodestroom Ip is te zien in figuur 2. Hierin is tevens de niet-lineaire open-klemspanning Vo overdrachtskarakeristiek geplot.
Model
Om het gedrag van een fotodiode te verklaren is een vereenvoudigd model afgebeeld in figuur 3. S is een stroombron wiens uitgangsstroom Ip evenredig is met de fotonenstroom Ev. De fotostroom Ip zal de parasitaire capaciteit C laden en veroorzaakt een stijging van de uitgangsspanning Vo. Omdat er ook een spanning over de diode D staat zal een stroom ID vloeien door de diode, die het stijgen van de uitgangsspanning beperkt. Als de belastingweerstand Rb oneindig hoog is zal de volledige fotostroom Ip door de diode gaan vloeien, en de uitgangsspanning zal volledig bepaald worden door de diodekarakteristiek.
Als de belastingweerstand een zekere waarde heeft zal de fotostroom Ip verdeeld worden over de belastingweerstand Io en diode ID. Hoewel de fotostroom een lineair verband heeft met de lichtintensiteit, zal het duidelijk zijn dat zowel de uitgangsspanning als wel de uitgangsstroom niet meer lineair zijn door de niet-lineaire diodekarakteristiek.
Stroom mode
Om te voorkomen dat de diode de overdrachtskarakteristiek verstoort mag er geen stroom lopen door de diode D. Dit kan alleen bewerkstelligd worden als er geen spanning over de diode staat. Om dit te bereiken moet de diode kortgesloten worden zoals te zien is in figuur 4.
Een ander voordeel van het kortsluiten is dat de condensator laadstroom IC ook wordt geëlimineerd. In een open klem toestand zal de condensator telkens ontladen/geladen moeten worden als de lichtintensiteit veranderd. Dit heeft een groot negatief effect op de stijg- en daaltijden. Een meting liet zien dat het frequentiebereik afnam tot 4 kHz bij een belasting van 10 MΩ.
Transimpedantie versterker
Zoals hierboven is verklaard moet de fotodiode kortgesloten worden om een lineaire overdrachtskarakteristiek en een snelle reactietijd te verkrijgen.
Een manier om de diodespanning laag te houden is door deze te belasten met een shuntweerstand. Het nadeel hiervan is dat een opamp nodig is met een zeer lage input offset spanning en lage drift. Beter is het om gebruik te maken van transimpedantie versterker zoals afgebeeld in figuur 5. Dit is een actieve stroom naar spanning converter met een zeer lage ingangsimpedantie.
In principe bestaat het uit een opamp A en een terugkoppelingsweerstand R. Het ingangsspanning verschil ΔV wordt een groot aantal keer versterkt door de opamp en teruggevoerd naar de inverterende ingang via de weerstand. Op deze manier zal de schakeling de uitgangsspanning Vout zo instellen dat de spanning op de inverterende ingang gelijk is aan die op de niet inverterende ingang. Door een stroombron S aan te sluiten op de inverterende ingang zal de stroom I alleen door de weerstand kunnen vloeien die een spanningsverschil veroorzaakt over deze weerstand. De opamp zal nu de uitgangsspanning zo instellen dat het spanningsverschil over zijn ingangen weer nul is. Het resultaat van dit alles is dat het ingangsspanningsverschil ΔV niet veranderd wanneer de stroom I veranderd. De ingangsimpedantie is daarom erg laag. De uitgangsspanning kan met de wet van ohm berekend worden:
[equ. 1]
Merk op dat de stroom een negatief teken heeft omdat het een inverterende schakeling betreft. De stroompijl in figuur 5 wijst al reeds in de negatieve richting.
Het schema
Het principeschema in figuur 5 is makkelijk herkenbaar in het definitieve schema dat afgebeeld staat in figuur 6. De fotodiode D1 is in omgekeerde polariteit geplaatst om een positieve uitgangssignaal te verkrijgen na de inverterende versterker. Door de waarde van de terugkoppelingsweerstand R1 is de gevoeligheid van de schakeling ongeveer 500 μV/Lux, dit is een compromis tussen snelheid en ruis. De condensator C1 die parallel over R1 is geplaatst is nodig ivm. de stabiliteit van de versterker. Met de onderdelen R2,3 en C2...5 wordt een kunstmatige massa gecreëerd op halverwege de voedingsspanning.
BPW21 fotodiode
De fotodiode die in deze schakeling is toegepast is de BPW21. Dit type heeft een relatief gevoeligheidsspectrum dat redelijk overeenkomt met dat van het menselijk oog. De BPW21 heeft een gevoeligheid van 10 nA/Lx (Osram), maar de spreiding is relatief groot: Telefunken specficeerd de gevoeligheid tussen 4,4 en 10 nA/Lx met een typische waarde van 7 nA/Lx. De luxmeter heeft hierdoor een redelijk grote gevoeligheidsonzekerheid. Dit is te minimaliseren door deze te kalibreren tegen een luxmeter met bekende specificaties.
OP37 opamp
De OP37 is een snelle precisie opamp met weinig ruis met een frequentiebereik van 63 MHz. Deze hoge bandbreedte is nodig om genoeg versterking te hebben bij hogere frequenties. Op 200 kHz heeft de opamp een open lus versterking van 50 dB (x 316). Met deze gegevens kan de spanning, in het ongunstigste geval, over de fotodiode worden berekend. Bij een lichtintensiteit van 5000 Lx is de fotostroom 50 μA. De spanning over R1 is dan (50 μA * 50 kΩ =) 2500 mV. Het ingangsspanning verschil, en daarbij de spanning over de fotodiode is (2500 mV / 316 =) 7.9 mV. Dit is laag genoeg om de fotodiode in zijn lineaire gebied te laten functioneren.
De ingangsoffset stroom van 12 nA en de ingang bias-stroom van ±15 nA introduceert een extra onzekerheid van ongeveer 1,35 mV ofwel 2,7 Lx maximum.
De gemeten ruis op de uitgang is 650 μVRMS dat correspondeert met een RMS ruis nivo van 1,3 lux.
Terugkoppeling R1 & C1
De weerstand R1 definieert de versterking en daarmee de gevoeligheid. De gevoeligheid kan worden aangepast door een andere waarde voor R1 anders te kiezen. Door R1 hoger te maken zal de versterking toenemen, maar dit zal ten koste gaan van de bandbreedte. Tegelijkertijd de waarde voor C1 kleiner worden gemaakt, ongeveer omgekeerd evenredig met R1.
Door de tolerantie van de componenten is het aan te bevelen om de waarde van C1 te optimaliseren om de frequentiekarakteristiek recht te krijgen. Figuur 8 laat het uitgangssignaal zien wanneer de sensor wordt beschenen met een LED die wordt gestuurd vanuit een functiegenerator. De stroom door de LED wordt geschakeld tussen 7,9 en 15,4 mA. Ondanks de ruis zijn de snelle stijgende en dalende flanken naar de ingestelde nivo's goed te zien. Als de waarde van C1 te hoog is zal de transitie meer afgerond zijn. Als de capaciteit te klein is zullen de transities overslingeringen, of erger oscillaties vertonen.
Meetvoorbeelden
Hieronder volgen een aantal voorbeelden waarbij een snelle luxmeter zich nuttig kan maken.
Camera flits
Een snelle luxmeter kan informatie onthullen omtrent het gedrag van de flits die een fotocamera produceert. Deze meting is verricht aan een Panasonic DMC-TZ10. Wanneer een foto wordt genomen produceert de camera twee flitsen. Deze twee flitsen zijn zichtbaar als twee pieken, afgebeeld op het bovenste spoor in figuur 9. De tijd tussen deze twee flitsen is ongeveer 140 ms. Het spoor daaronder laat beide flitsen in detail zien.
De oscilloscoop afbeelding in figuur 10 laat een andere flits zien, maar nu wanneer de camera gericht is op een donker oppervlak en in een donkere omgeving. Merk op dat de eerste flits in beide metingen dezelfde vorm en breedte hebben. De tweede flits genomen in een donkerder condities heeft een veel langere tijdsduur dan die genomen onder lichte condities. Waarschijnlijk gebruikt de camera de eerste flits om de condities te meten en gebruikt die informatie om het vermogen van de tweede flits bij te regelen om de belichting te optimaliseren.
Compact fluorescent lamp
Een van de eerste meting met de luxmeter toonde de niet zo verrassende 100 Hz lichtfluctuaties van de lamp in de kamer. Dit wordt veroorzaakt door de 50 Hz netfrequentie. Wat wel verrassend was dat de lichtschommeling een behoorlijke hoeveelheid ruis bevatte. Wanneer op deze "ruis" wordt ingezoomd bleek dit een 90 kHz lichtfluctuatie te zijn zoals te zien is in figuur 11. Dit was geen elektronische interferentie omdat de intensiteit toenam wanneer het licht met een vergrootglas geconcentreerd werd op de sensor. Het is duidelijk dat deze lichtvariatie veroorzaakt wordt door het elektronisch schakelen door de schakeling die de lamp bevat.