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© Analog Devices Inc. Application Notes | 25 Juni 2021

Wie Sie Lichtintensität in eine elektrische Größe wandeln können

Die Bestimmung der Lichtintensität kann entscheidend sein, wenn man beispielsweise die Beleuchtung eines Raumes gestalten möchte, oder auch in der Fotografie zur Vorbereitung einer Bildaufnahme. In Zeiten von Internet of Things (IoT) spielt sie aber auch für die sogenannte Smart Agriculture eine wichtige Rolle.

Hierbei gilt es, u.a. wichtige Parameter von Pflanzen zu überwachen und zu steuern, die dazu beitragen, deren Wachstum möglichst zu maximieren und die Photosynthese zu beschleunigen. Licht ist dabei einer der wichtigsten Faktoren. Die meisten Pflanzen absorbieren Licht für gewöhnlich in den Wellenlängen des roten und orangenen sowie des blauen und violetten Farbspektrums. Licht in den Wellenbereichen des grünen und gelben Spektrums wird in der Regel reflektiert und trägt nur wenig zum Wachstum bei. Durch die Steuerung des Spektrums und der Intensität des Lichts, dem die Pflanzen in ihren verschiedenen Lebensphasen ausgesetzt sind, kann das Wachstum somit effektiver und effizienter gestaltet und der Ertrag letztendlich gesteigert werden. Ein entsprechender Schaltungsentwurf zur Messung der Lichtintensität über das Lichtspektrum, in dem Pflanzen fotosynthetisch aktiv sind, wird in Abbildung 1 dargestellt. Hier werden drei verschiedenfarbige Fotodioden verwendet (grün, rot und blau), die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren. Die über die Fotodioden gemessene Lichtintensität kann nun zur Regelung der Lichtquelle gemäß den Anforderungen der jeweiligen Pflanzen genutzt werden. Abbildung 1: Schaltungsentwurf zur Messung der Lichtintensität Die dargestellte Schaltung ist aufgebaut aus drei präzisen Strom-Spannungs-Wandlerstufen (Transimpedanzverstärker), jeweils eine für die Farben Grün, Rot und Blau. Diese steuern die differentiellen Eingänge eines Sigma-Delta Analog-Digital-Wandlers (ADC), welcher die gemessenen Werte beispielsweise einem Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung in digitaler Form zur Verfügung stellt. Wandlung der Lichtintensität in Strom Abhängig von der Lichtintensität fließt ein mehr oder weniger großer Strom durch die Fotodioden. Dieser ist zur Lichtintensität annähernd linear. Exemplarisch werden in Abbildung 2 die Kennlinien des Ausgangsstroms in Abhängigkeit der Lichtintensität einer roten (CLS15-22C/L213R/TR8), grünen (CLS15-22C/L213G/TR8) und einer blauen Fotodiode (CLS15-22C/L213B/TR8) dargestellt. Abbildung 2: Typische Strom-Lichtintensitäts-Kennlinien der roten, grünen und blauen Fotodiode Die relativen Empfindlichkeiten der roten, grünen und blauen Dioden sind jedoch unterschiedlich, daher muss die Verstärkung jeder Stufe separat durch den Rückkopplungswiderstand RFB bestimmt werden. Hierzu ist zunächst der Kurzschlussstrom der jeweiligen Dioden (engl. Short-Circuit Current, ISC) aus dem Datenblatt zu entnehmen und daraus die Empfindlichkeit S (pA/LUX) im Arbeitspunkt zu bestimmen. RFB, wird dann wie folgt berechnet: VFS,P-P stellt den gewünschten vollen Ausgangsspannungsbereich dar (Peak-Peak, Full-Scale), INTMAX die maximale Lichtintensität, welche 120.000 Lux bei direkter Sonneneinstrahlung beträgt. Strom-Spannungs-Wandlung Für die Qualität der Strom-Spannungswandlung ist ein möglichst geringer Bias-Stroms des Operationsverstärkers wünschenswert, da der Ausgangsstrom der Fotodiode im Picoampere-Bereich liegen und somit der Bias-Strom zu erheblichen Fehlern führen kann. Auch sollte eine geringe Offsetspannung vorhanden sein. Mit einem Bias-Strom von typischerweise 1pA, und einer maximalen Offsetspannung von 1mV stellt beispielsweise der AD8500 aus dem Hause Analog Devices Inc. (ADI) eine geeignete Wahl für derartige Applikationen dar. Analog-Digital-Wandlung Zur weiteren Verarbeitung der gemessenen Werte gilt es, den zunächst in eine Spannung gewandelten Strom der Fotodiode für den Mikrocontroller als digitalen Wert bereitzustellen. Hierfür können Analog-Digital-Wandler (ADC) mit mehreren differentiellen Eingängen verwendet werden, wie etwa der AD7798 mit einer Auflösung von 16Bit. Der Ausgangscode der zugeführten Spannung lautet somit wie folgt: Es gilt:
  • AIN = Eingangsspannung
  • N = Anzahl der Bits
  • GAIN = Verstärkungsfaktor des internen Verstärkers
  • VREF = Wert der externen Referenzspannung
Zur weiteren Rauschunterdrückung werden zusätzlich ein Gleichtakt- und Differenzfilter an jedem der differentiellen Eingänge des ADC´s verwendet. Alle dargestellten Bauteile sind extrem stromsparend, wodurch sich die Schaltung ideal für batteriebetriebene, tragbare Feldanwendungen empfiehlt. Zusammenfassung Mit der dargestellten Schaltung lässt sich Lichtintensität auf eine relativ einfache Art und Weise in eine elektrische Größe zur weiteren Datenverarbeitung wandeln. Zu beachten sind hierbei Fehlerquellen wie u.a. Bias-Ströme und Offset-Spannungen der eingesetzten Bauteile. Aber auch ungünstige Verstärkungsfaktoren der Wandlerstufen können die Qualität und somit das Ergebnis der Schaltung schnell verfälschen.
Autor: Thomas Brand © Analog Devices
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