Типовая схема

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 эталона). 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 лк 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 см2).

Отметим, однако, что фотодиод BPW 34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм2.

Таким образом, 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. 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 = RxI, 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 50000 лк 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 лк линейность характеристики фотодиода BPW 34 производителем не гарантируется, а параметры ячейки SOLEMS не специфицируются при освещенности выше 100000 л к. Вероятно, это уровень, соответствующий началу насыщения. Поэтому при уровнях освещенности выше 50000 лк рекомендуется применять серый фильтр известной плотности и соответствующим образом программно корректировать результат измерений.

Рассматриваемое устройство питается от простой гальванической батареи 9 В, так как микросхема LM 358 специально рассчитана на работу от однополярного источника.