Die relative Lichtstärke zweier Lichtquellen einfach messen

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, mit der Sie die relative Helligkeit von zwei Lichtquellen ermitteln können, die sich in unterschiedlichen Räumen befinden. Eine mögliche Anwendung ist ein Solarfolger.

Bei vielen Beleuchtungsanwendungen ist es wichtig, die Lichtstärke von zwei Lichtquellen zu detektieren. Eine Möglichkeit diese relative Lichtstärke zu bestimmen, besteht darin, die Unterschiede an den Ausgängen von zwei zusätzlichen Lichtdetektoren zu messen.

Dabei befindet sich ein Detektor im sogenannten Kontrollraum, der andere in einem anderen Raum. Die Differenz wird in ein massebezogenes Signal gewandelt.

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Die Schaltung in Bild 1 zeigt eine einfache, aber effiziente Möglichkeit. Sie enthält mit R1 und R2 spezielle Widerstände, sogenannte LDR (Light Dependent Resistor, deutsch Fotowiderstand).

Ein Fotowiderstand ist ein passives Bauteil, dessen Widerstandswert sich proportional zu der auf seine Oberfläche auftreffenden Lichtmenge ändert. In Bild 1 ist R1 der LDR in Raum 1 und R2 der LDR in Raum 2.

In der Regel haben Fotowiderstände bei Dunkelheit einen Widerstandswert von etwa 1 MΩ. Beim Auftreffen von Licht auf den Fotowiderstand sinkt der Widerstandswert je nach Modell auf einige kΩ (10 bis 20 kΩ bei 10 lx, 2 bis 4 kΩ bei 100 lx).

Die Schaltung in Bild 1 enthält den Instrumentenverstärker AD623 und zwei Fotowiderstände. Als Messwertgeber fungiert der Fotowiderstand R1 mit der „Referenzpunkt“-Lichtquelle. R1 dient so als Richtwert für die Lichtstärke und befindet sich im Kontrollraum. Bei einem Vergleich von mehr als zwei Lichtquellen sollte diese Lichtquelle als Referenz bei jedem Vergleich dienen.

Es dauert 8 bis 12 ms, bis sich der Widerstandswert ändert. Bis der Widerstand seinen Ausgangswert wieder annimmt, vergehen einige Sekunden.

Die Schaltung ist einfach. Die Versorgungsspannungen des Systems betragen ±5 V, die Spannung an beiden Eingängen beträgt U_in. Deshalb wird die gleiche Spannung an einem Ende jedes Fotowiderstands angelegt, während das andere Ende auf Masse liegt.

Würde die gleiche Lichtmenge auf beide Fotowiderstände auftreffen, wäre die Stromdifferenz zwischen ihnen Null, da ihre Widerstandswerte gleich groß sind. Das Ergebnis ist eine Ausgangsspannung von 0 V.

Sind die beiden Räume nicht gleich beleuchtet, besteht ein Unterschied zwischen den Intensitäten der beiden Lichtquellen. Dies erzeugt eine Spannung am Ausgang des Systems. Die Polarität der Spannung signalisiert, welcher Raum heller beleuchtet ist. Bei einer positiven Ausgangsspannung fällt mehr Licht auf LDR 2 und umgekehrt, falls die Ausgangsspannung negativ ist.

Bild 2 zeigt den Signalverlauf am Ausgang auf einem Oszilloskop. Die rechteckförmige Eingangsspannung von 1 V_ss bei einer Frequenz von 1 kHz und etwa 2 V am Ausgang zeigt, dass die Lichtquelle in Raum 2 heller ist.

Im Versuchsaufbau befinden sich zwei LEDs am Ausgang des AD623. Die rote LED mit dem Pluspol am Ausgang würde bei einem positiven Ausgangssignal (Raum 2 ist heller) leuchten. Die gelbe LED mit dem Pluspol auf Masse würde leuchten, wenn Raum 1 heller wäre. Die Helligkeit der LED zeigt die relative Lichtstärke im Raum. Sind beide Räume gleich hell, liegen am Ausgang 0 V an und beide LEDs sind ausgeschaltet.

Die Spannung am Ausgang der Schaltung beträgt U_out = U_in * 50 K *(1/R1 – 1/R2). Der Effektivwert des Ausgangs entspricht der Lichtstärke der beiden Lichtquellen.

Nach der Kalibrierung des Widerstandes R1 lässt sich, um mit dem genauen Widerstandswert bei einer bestimmten Helligkeit zu arbeiten, der LDR R1 durch einen „normalen“ Widerstand ersetzen. In diesem Fall vergleicht das System ständig den Wert von R2 mit dieser „Kontroll“-Helligkeit. Der Widerstand mit festem Wert ist die am besten bekannte Lichtreferenz.

Diese Schaltung kann beispielsweise als Sonnenfolger (Solar Seeker) verwendet werden. Das ist ein einfaches Gerät, das einer Lichtquelle folgt und Solarpanels stets zur Sonne ausrichtet. Ein Servomotor dreht dabei die Fotowiderstände.

Fazit: Mit der beschriebenen Schaltung lässt sich die relative Lichtstärke von zwei Lichtquellen mit den Widerständen R1 bzw. R2 ermitteln, die sich in unterschiedlichen Räumen befinden. Die Schaltung kann mit zwei AA-Batterien versorgt werden.

* Chau Tran arbeitet in der Gruppe Instrumentation Precision Technology (IPT) bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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