Lichtintensität in eine elektrische Größe wandeln

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, mit der man die Lichtintensität über ein breites Spektrum messen und steuern kann. Anwendungen finden sich in Smart Agriculture.

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Traco Electronic AG

Analog Devices

Den genauen Wert der Lichtintensität zu kennen, ist wichtig, wenn man die Beleuchtung eines Raumes gestalten möchte. Auch in der Fotografie spielt die Kenntnis der Lichtintensität eine große Rolle, um die Aufnahme perfekt zu belichten.

In Zeiten von Internet of Things (IoT) wird die Lichtintensität aber auch für Anwendungen wie Smart Agriculture immer wichtiger. Bei dieser Anwendung werden Parameter von Pflanzen überwacht und gesteuert, damit deren Wachstum maximiert und die Photosynthese beschleunigt werden kann.

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Licht ist dabei einer der zentralen Faktoren. Die meisten Pflanzen absorbieren Licht in den Wellenlängen des roten und orangenen sowie des blauen und violetten Farbspektrums. Elektromagnetische Strahlung in den Wellenlängen des grünen und gelben Spektrums wird in der Regel reflektiert und trägt daher 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.

Lichtintensität mit mehreren Fotodioden messen

Ein entsprechender Schaltungsentwurf zur Messung der Lichtintensität über das Lichtspektrum, in dem Pflanzen fotosynthetisch aktiv sind, ist in Bild 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.

Die Schaltung in Bild 1 ist aufgebaut aus drei präzisen Strom/Spannungs-Wandlern (Transimpedanzverstärker), jeweils eine für die Farben Grün, Rot und Blau. Diese steuern die differentiellen Eingänge eines Sigma/Delta A/D-Wandlers, 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 Bild 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.

Die relativen Empfindlichkeiten der roten, grünen und blauen Dioden sind jedoch unterschiedlich, daher muss die Verstärkung jeder Stufe separat durch den Rückkopplungswiderstand R_FB bestimmt werden. Hierzu entnehmen Sie zunächst den Kurzschlussstrom der jeweiligen Dioden (engl. Short-Circuit Current, I_SC) aus dem Datenblatt und bestimmen daraus die Empfindlichkeit S (pA/lx) im Arbeitspunkt. R_FB wird nach Gleichung 1 berechnet.

U_FS,P-P bezeichnet den gewünschten vollen Ausgangsspannungsbereich (Peak-to-Peak, Vollausschlag), INT_MAX die maximale Lichtintensität, welche bei direkter Sonneneinstrahlung 120000 lx beträgt.

Strom/Spannungs-Wandlung: Für die Qualität der Strom/Spannungs-Wandlung ist ein möglichst geringer Bias-Strom des Operationsverstärkers wünschenswert, da der Ausgangsstrom der Fotodiode im pA-Bereich liegt und somit der Bias-Strom zu erheblichen Fehlern führen kann. Auch sollte eine geringe Offsetspannung vorhanden sein. Mit einem Bias-Strom von typischerweise 1 pA und einer maximalen Offsetspannung von 1 mV ist beispielsweise der AD8500 aus dem Hause Analog Devices eine geeignete Komponente für derartige Applikationen.

A/D-Wandlung: Zur weiteren Verarbeitung der gemessenen Werte müssen Sie den zunächst in eine Spannung gewandelten Strom der Fotodiode für den Mikrocontroller als digitalen Wert bereitstellen. Hierfür können A/D-Wandler mit mehreren differentiellen Eingängen verwendet werden, wie etwa der AD7798 mit einer Auflösung von 16 Bit. Den Ausgangs-Code der zugeführten Spannung beschreibt Gleichung 2.

Es bedeuten: A_IN = Eingangsspannung, N = Anzahl der Bits, GAIN = Verstärkungsfaktor des internen Verstärkers und U_REF = Wert der externen Referenzspannung

Zur weiteren Rauschunterdrückung werden zusätzlich ein Gleichtakt- und Differenzfilter an jedem der differentiellen Eingänge des A/D-Wandlers verwendet.

Alle dargestellten Bauteile arbeiten äußerst stromsparend, wodurch sich die Schaltung für batteriebetriebene, tragbare Feldanwendungen empfiehlt.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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