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Einige Betrachtungen zu trigonometrischen Grundlagen

Neben der Umgebungstemperatur muss man die von der LED erzeugte Wärme beachten. Die Strahlungseffizienz liegt bei LEDs zwischen 5 und 40 Prozent. Somit gehen bis zu 95 Prozent der Leistung als Wärme verloren. Hilfreich ist es, den Strom durch die LED so niedrig wie möglich zu halten und die LED nur für kurze Zeit einzuschalten. Es wird jedoch unweigerlich eine bestimmte Stromstärke gebraucht, um das DUT ausreichend zu beleuchten. Dann sind möglicherweise Kühlkörper oder andere Wärmemanagementtechniken notwendig.

Während das DUT getestet wird, muss die Lichtstärke über optische Rückkopplung aufrechterhalten werden. In der einfachsten Form kann das durch einen Licht-Spannungs-Sensor erfolgen, wie dem TSL250R von ams. Der LED-Strom lässt sich so steuern, dass der Licht-Spannungs-Sensor eine konstante Ausgangsspannung liefert. Die Lichtstärke der LEDs muss konstant bleiben. Doch welche Beleuchtungsstärke ist notwendig? Ein Teil der Antwort hängt von der Empfindlichkeit des DUT ab. Am besten ist es, zunächst eine LED mit einer höheren Lichtstärke zu wählen als vom DUT benötigt. Zudem sollte die LED eine Standardanschlussfläche haben, weil man im Falle eines Debug-Problems zu einer anderen LED wechseln kann.

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Was das Datenblatt verrät

Das Datenblatt eines LED-Herstellers zeigt die relative Stärke im Verhältnis zu jenem Winkel, in dem die LED steht. Ein Winkel von 0° ist senkrecht zur LED. Im Beispiel hat die LED einen Sichtwinkel von 120°. Dieser ist definiert als der Winkel, bei dem die gemessene Lichtstärke 50 Prozent ihres Höchstwertes beträgt. In der Praxis möchte man, dass die Lichtstärke in einem möglichst weiten Winkel bleibt. Aus der Sichtwinkeldarstellung lässt sich der maximale Winkel bestimmen, bei dem noch 100 Prozent relative Lichtstärke zur Verfügung stehen.

In diesem Fall beträgt der Winkel etwa 10°. Nachdem der Winkel ermittelt wurde, muss man sich mit dem zu beleuchtenden Bereich befassen. Es ist es erforderlich, mehr als ein DUT gleichzeitig zu testen, damit kann der zu beleuchtende Bereich relativ groß werden. Eine weitere Schwierigkeit bietet ein DUT mit mehreren Fotodioden. Das ist etwa bei vielen Encodern der Fall. Es ist eine gleichmäßige Beleuchtung im gesamten Fotodiodenbereich erforderlich, es sei denn, es wird während des Tests eine Sättigung der Fotodiode angestrebt.

Nimmt man beispielsweise die erwähnte LED des Typs KPTR-3216SURCK zur Ausleuchtung eines Kreises mit einem Durchmesser von 2 cm: Die LED weist 100 Prozent relative Lichtstärke bis zu einem Winkel von 10° auf. Es muss festgelegt werden, wie weit die Lichtquelle vom DUT entfernt sein muss. Die Antwort liefert einfache Trigonometrie: d = 1 cm/tan 10° = 5,67 cm. Das Problem ist, dass die Beleuchtungsstärke in Lux am DUT umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands des Objektes von der Lichtquelle ist. Einfach gesagt: Je weiter die Lichtquelle entfernt ist, desto schwächer erscheint sie: lx = cd/d², wobei lx = Beleuchtungsstärke in Lux, cd = Lichtstärke in Candela und d = Messabstand in Metern sind.

Besonderheiten bei einem LED-Array

Dem Datenblatt der KPTR-3216SURCK kann man die typische Lichtstärke von 80 mcd entnehmen: Beleuchtungsstärke = 80 mcd/0,05672 = 24,884 lx. Im Vergleich dazu eine Entfernung von nur 1 mm zum DUT: Beleuchtungsstärke = 80 mcd/0,0012 = 80.000 lx. Zum Vergleich:100.000 lx sind direkte Sonneneinstrahlung. An einem bewölkten Tag kann der Wert um die 20.000 lx liegen. In einem Büro sind es etwa 500 lx und vielleicht 50 lx in einer schwach beleuchteten Passage. Sind die im Beispiel 24.884 lx unzureichend, dann lässt sich der LED-Strom erhöhen oder man wählt eine andere LED mit einer höheren Lichtstärke aus. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass der berechnete Winkel weiterhin gilt.

Die Beispiele enthielten nur eine LED. In der Praxis dient als Lichtquelle oft ein LED-Array. Solch ein Array kann unterschiedliche Gründe haben. Möglicherweise bietet eine einzelne LED keine ausreichende Beleuchtung am DUT, so dass mehrere LEDs erforderlich sind. Ein weiteres Beispiel ist, wenn der berechnete Abstand zwischen DUT und LED nicht mehr realisierbar ist. Überlappende Lichtmuster durch mehrere LEDs können für das DUT zum Problem werden.

Möglicherweise erzeugt das Array sogenannte helle Flecken. Um diesen Effekt zu eliminieren, verwendet man einen Diffusor. Es gibt zahlreiche Diffusorarten, alle haben einen mehr oder weniger hohen Lichtübertragungsverlust zur Folge. Bei der Verwendung eines Diffusors muss sowohl der Abstand zwischen LED und Diffusor als auch zwischen Diffusor und DUT berechnet werden. Der Abstand zwischen Diffusor und DUT wird anhand des Ausstrahlwinkels des gewünschten Diffusors berechnet (statt des gewünschten Winkels der LED).

Viele Zulieferer optischer Bauteile bieten Diffusor-Kits an. Diese haben üblicherweise eine Schraubbefestigung, so dass man ganz einfach mit unterschiedlichen Diffusorarten und Ausstrahlwinkeln experimentieren kann. Zudem lassen sich leicht Distanzstücke herstellen, um den Abstand zwischen LED, Diffusor und DUT anzupassen.

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