Патрик Гёлль: Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Один из самых простых фотометрических датчиков — это фотодиод. Если его включить как фотовольтаическую ячейку, то его ток короткого замыкания будет почти прямо пропорционален освещенности. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но все не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода.

PIN-фотодиод из монокристаллического кремния — например, широко распространенный элемент BPW 34 — имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зеленый фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого образца). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны».

Из подобных элементов строятся ячейки солнечных батарей, которые обычно предназначены для использования в системах электропитания малой мощности, но эти фотоэлементы также могут быть отличными фотометрическими датчиками!

Несмотря на ощутимую разницу в размерах, фотодиод BPW 34 и самая маленькая из ячеек SOLEMS имеют сопоставимую чувствительность. Так, при освещенности 1000 люкс BPW 34 формирует ток короткого замыкания около 65 мкА, а ячейка SOLEMS 05/048/016 — около 95 мкА.

Различие заключается в том, что батарея SOLEMS состоит из пяти обычных диодов, включенных последовательно, что позволяет увеличить генерируемое ею напряжение. При коротком замыкании напряжения нет вовсе, тогда как отдаваемый ток определяется элементом батареи с наименьшей площадью (в среднем около 1,2 см 2).

Отметим, однако, что фотодиод BPW 34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм 2.

Все это означает, что, применяя нестандартную схему подстройки, в нижеописанном устройстве можно использовать и фотодиод BPW 34 (производства компании Siemens или Centronic ), и солнечную батарею SOLEMS. Последний вариант более предпочтителен при измерениях освещенности, результат которых, выраженный в люксах, должен быть точным, a BPW 34 — в случаях, когда нужен датчик очень маленьких размеров (в частности, при измерениях оптической плотности).

При условии работы с монохроматическим излучением (красный светодиод, полупроводниковый или иной лазер) люксметр позволяет определять светопередачу любого полупрозрачного объекта (фильтр, пластмассовая пленка, определенная область на фотонегативе и т. п.). Достаточно отрегулировать измерительную цепь так, чтобы обеспечить индикацию светопередачи, равную 1,00 при прямой видимости, и тогда после размещения объекта между источником света и фотодиодом с индикатора можно считывать непосредственно показания уровня светопередачи.

Используя полученный результат, легко рассчитать оптическую плотность светового потока: она с точностью до знака равна десятичному логарифму величины светопередачи.

Принципиальная схема люксметра, приведенная на рис. 6.16, повторяет классическое схемное решение, описанное в различных руководствах по применению операционных усилителей.

Рис 6.16.Принципиальная схема люксметра

Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада U в таком случае будет определяться как U = R· I, где R — сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I — фототок, формируемый фотодиодом.

С учетом коэффициента усиления второго каскада, регулируемого в пределах от 1 до 11, четыре переключаемых резистора в цепи обратной связи первого каскада позволят успешно перекрыть пределы 50, 500,5000 и 50 000 люкс при выходном напряжении 5 В. Естественно, эти величины могут быть переопределены пользователем — путем изменения либо номиналов резисторов, либо коэффициента усиления второго каскада.

Заметим также, что при уровне освещенности выше 10000 люкс линейность характеристики фотодиода BPW 34 производителем не гарантируется, а параметры ячейки SOLEMS не специфицируются при освещенности выше 100000 люкс. Вероятно, это уровни, близкие к уровням насыщения. Поэтому при уровнях освещенности выше 50000 люкс рекомендуется применять серый фильтр известной плотности и соответствующим образом программно корректировать результат измерений.