Lichtmessungen mit dem ExpEYES Junior und einem RasPi

© Wavebreak Media Ltd, 123RF

Schneller Wechsel

Mit dem Messkopf ExpEYES Junior erfassen Sie auf einfache Weise die Flimmerfrequenz von verschiedenen Lichtquellen.

Um flackernden Lichtquellen auf die Spur zu kommen, benötigen Sie kein teures Equipment: Im Folgenden behelfen Sie sich mit dem Modul ExpEYES [1]. Notfalls hilft ein Bitscope [2] oder ein gängiges Oszilloskop in Kombination mit einer kleinen Verstärkerschaltung.

Das ExpEYES Junior kam 2012 in Indien auf den Markt. Das Exemplar für diesen Beitrag ging im letzten Jahr in England für 60 Britische Pfund über den virtuellen Ladentisch [3], also für weniger als 100 Euro. Die indischen Entwickler bereiten außerdem eine verbesserte Version vor.

Das Gerät hat die Größe einer Zigarettenschachtel und verfügt über 14 Ein- und Ausgänge (Abbildung 1). In ihm steckt ein PIC-Mikrocontroller mit einem 12-Bit-ADC, mehrere Linearverstärker, eine Stromquelle von 1 mA sowie eine regelbare Spannungsquelle.

Abbildung 1: Im Gehäuse des ExpEYES Junior stecken unter anderem ein PIC-Mikrocontroller, eine Spannungsquelle und ein 12-Bit-ADC.

Sie steuern die Hardware über eine USB-Schnittstelle und eine umfangreiche Python-Bibliothek. Die Oberfläche integriert mehrere Oszillatoren und ein Oszilloskop mit vier Kanälen bei einer Grenzfrequenz von 250 kHz. Im Betrieb fällt es kaum auf, dass der Controller maximal 1800 Messwerte einliest und sie in Blöcken an die Oberfläche überträgt.

Die mitgelieferten Bauteile sind ausgesprochen liebevoll zusammengestellt: Neben von Hand beschrifteten Widerständen, Kondensatoren, Halbleitern und einem nachgefeilten Schraubendreher bringt das Set Spulen, Magnete, einen Motor und zwei Piezo-Lautsprecher mit (Abbildung 2). Mehr als 40 Experimente listet die Webseite [1], die unter anderem das Induktionsgesetz überprüfen oder Kennlinien von Halbleitern aufnehmen.

Abbildung 2: Die Entwickler haben dem Set rund um den ExpEYES Junior eine Vielzahl an sehr liebevoll konfektionierten Teilen beigelegt.

Dem Set liegt eine Live-CD bei. Booten Sie den Rechner damit, startet ein Linux-System mit allen erforderlichen Programmen und Handbüchern. Die eigentliche Software steht in der Regel jedoch in den Paketquellen gängiger Distributionen bereit. Auf dem RasPi gelingt die Installation über die Paketverwaltung. Im Test kam das Programmpaket auf einem Modell der dritten Generation zum Einsatz. Als Python-basiertes Tool läuft das Programm auch unter Windows.

Erstes Flimmern

Beim Eindruck des Flimmerns handelt es sich nicht etwa um ein physikalisches Phänomen, sondern um ein physiologisches (siehe Kasten "Flimmern"). Die vorliegende Hardware macht es leicht, die persönliche Frequenz zu bestimmen, bei der dieses Phänomen einsetzt. Während die Flimmerfusionsfrequenz je nach Spezies in engen Grenzen festliegt, variiert die Frequenz, bei der Individuen noch ein Flimmern wahrnehmen, aufgrund der Umgebung und der persönlichen Physiognomie.

Der Oszillator-Ausgang SQR1 des ExpEYES steuert die Anode der Leuchtdiode an (Abbildung 3). Die Kathode verbinden Sie nicht direkt mit Masse, sondern über die Kollektor-Emitterstrecke eines NPN-Transistors. Die Basis erhält die Steuerspannung von der regelbaren Spannungsquelle PVS über einen Schutzwiderstand von einigen kOhm.

Abbildung 3: Mit einer einfachen Schaltung tasten Sie sich an das Untersuchen flimmernder Lichtquellen heran.

Damit haben Sie die Möglichkeit, die Frequenz beim Blinken und die Helligkeit der Leuchtdiode in weiten Grenzen zu variieren. Die meisten Menschen nehmen kein Flimmern mehr wahr, wenn die Frequenz 40 Hertz übersteigt.

Flimmern

Flimmern bezeichnet den optischen Eindruck, den das schnelle Ändern der Helligkeit einer Lichtquelle hervorruft. Langsame Abfolgen nimmt man dagegen als Blinken wahr. Oberhalb der kritischen Frequenz, die Flimmerfusionsfrequenz heißt, verschwimmen die einzelnen Eindrücke zu einer Bewegung, immer noch überlagert von einer wahrnehmbaren Modulation in der Helligkeit.

Aus diesem Grund zeichnen Filmkameras mit 25 Bildern pro Sekunde auf (typische Flimmerfusionsfrequenz), die Wiedergabe erfolgt aber häufig mit der doppelten Frequenz von 50 Hz. Die Wahl der Wechselspannung im Stromnetz liegt ebenfalls bei 50 Hz, sodass Menschen die periodischen Schwankungen der Helligkeit nicht mehr wahrnehmen. Manche Autoren führen das Ermüden der Augen und Kopfschmerzen auf Flimmern bei hohen Frequenzen zurück.

Objektiv vorhanden ist das Problem des Stroboskopeffekts, wenn sich ein beleuchteter Gegenstand bewegt, oder des Perlschnureffekts, wenn sich die Lichtquelle bewegt: Schnell drehende Maschinen oder Propeller scheinen stillzustehen oder gar rückwärts zu laufen.

Lichtsensor

Für einen zweiten Versuch schließen Sie einen lichtempfindlichen Widerstand (LDR) über einen 10-kOhm-Schutzwiderstand an eine Versorgungsspannung von 5 Volt an. Das Oszillogramm zeichnet das Verhalten des LDR auf das Signal eines Stroboskops nach (Abbildung 5). Die ExpEYES-Benutzeroberfläche zeigt schwarz das eingestellte Rechtecksignal von 20 Hz. Die horizontale Achse misst die verstrichene Zeit in Millisekunden, die vertikale die Spannung beziehungsweise die relative Helligkeit.

Abbildung 5: Der ExpEYES-Oszillator und Oszilloskop im Einsatz.

Der Rechteckgenerator steuert gleichzeitig eine weiße LED, die den LDR beleuchtet. Die rote Linie bildet den Verlauf der Spannung am Messeingang des ExpEYES ab, hier am Eingang IN1. Deutlich sind die Abrundungen der ansteigenden und fallenden Flanke zu erkennen. Laut Datenblatt des LDR erreichen die Flanken Verzögerungen von 10 bis zu 100 Millisekunden.

Das Oszillogramm (Abbildung 6) demonstriert das Verhalten der Frequenz einer Fotodiode, hier einer BPW34. Die steilen Kanten belegen nicht nur, dass das Bauteil schnelle Wechsel der Helligkeit registriert, sondern auch, dass die LED den schnellen Wechseln der Spannung folgt. Beide – LED und Fotodiode – reagieren hier auf eine Frequenz von 10 kHz (unteres Oszillogramm in Abbildung 6), wobei die Grenzfrequenz deutlich über 1 MHz liegt.

Abbildung 6: Mit einer LED und einer Fotodiode machen Sie das Verhalten der Frequenzen deutlich. Dabei folgt die LED der Diode.

Über mehrere Dekaden hinweg nimmt der Sperrstrom einer Fotodiode linear mit der Beleuchtung zu. Ein Operationsverstärker, geschaltet als Transimpedanzverstärker (Abbildung 7), wandelt das schwache Stromsignal in ein verstärktes Spannungssignal um. Ist R der Rückkopplungswiderstand, so gilt die Formel U=-I*R.

Abbildung 7: Mit einem Stromverstärker wandeln Sie das eigentlich schwache Signal aus der Messung in ein stärkeres um.

Leuchten Sie eine BPW34-Diode mit etwa 1000 Lux aus, so liefert diese gemäß Datenblatt einen Strom von 100 µA. Bei einem Rückkopplungswiderstand von 50 kOhm erreicht der Stromverstärker einen Ausgangswert von 5 Volt, bei ExpEYES gleichzeitig der Sättigungswert.

Das ExpEYES Junior bringt einen fest verdrahteten invertierenden Operationsverstärker mit, dessen Rückkopplungswiderstand 51 kOhm beträgt. Geschaltet als Transimpedanzverstärker, stört der ebenfalls fest verdrahtete Eingangswiderstand von 1 kOhm zum Glück aber nur bei sehr niedrigen Strömen.

Gemäß der Schaltung aus Abbildung 7 liegt die Anode der Fotodiode – in Abbildung 8 das kleine bläuliche Quadrat auf dem Breadboard – auf Masse (GND) und die Kathode am invertierenden Verstärkereingang (IN) der ExpEYES Junior. Der Ausgang des Verstärkers (OUT) wird mit dem Eingang A1 verbunden. Je nach Anschluss der Fotodiode liefert das Signal des bipolar ausgelegten Messverstärkers eine positive oder negative Spannung.

Abbildung 8: Die Fotodiode dient in diesem einfachen Aufbau als Lichtsensor.

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