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.
Konventionelle Lampen
Ausgestattet mit der Schaltung aus Abbildung 7 ermöglicht es der Aufbau aus Abbildung 8, verschiedene Lichtquellen zu untersuchen. Wir prüfen das Licht einer Glühbirne, einer Leuchtstofflampe mit konventioneller Vorschaltdrossel und einer modernen Energiesparlampe, alle betrieben mit einer Wechselspannung von 230 Volt bei 50 Hz. Abbildung 9 vereinigt die Messkurven.
Abbildung 9: Konventionelle Leuchtmittel und ihre Reaktion auf das 50-Hz-Stromnetz.
Alle Lampen zeigen ein mehr oder weniger ausgeprägtes Flimmern von 100 Hz. Da die Helligkeit vom Quadrat der Spannungsamplitude abhängt, liegt die Flimmerfrequenz doppelt so hoch wie die Netzfrequenz (50 Hz).
Bei einer Glühlampe heizt die Wendel nach. Der Helligkeitsabfall ist beim Nulldurchgang recht gering ausgeprägt. Nicht so bei einer konventionellen Leuchtstoffröhre: Hier sorgt in erster Linie der für die Fluoreszenz verantwortliche Farbstoff in der Beschichtung der Röhre für ein Nachleuchten, wenn sich die Beschleunigungsprozesse der Elektronen nach einer Halbwelle umkehren.
Das Licht einer Energiesparlampe unterliegt ebenfalls dem Einfluss der Netzfrequenz. Die Intensität, mit der die Helligkeit wechselt, ähnelt jener einer Glühlampe. Zusätzlich überlagert der elektronische Frequenzumsetzer das Lichtsignal mit einer Frequenz von 40 bis 80 kHz.
LED-Leuchtmittel
Leuchtdioden (LED) revolutionieren seit einiger Zeit die Beleuchtungstechnik. Bei identischer Aufnahme an Energie senden sie zehnmal mehr Licht aus als eine Glühlampe. Anders als Birnen oder Leuchtstofflampen bremsen keine trägen thermischen Prozesse die LEDs.
Der Weg, die richtigen Halbleiter für blaue Leuchtdioden zu finden – die Voraussetzung für weiße LEDs –, war mühsam. Die ersten Hochleistungsleuchtdioden lieferten intensives Licht nur während kurzer Pulse, danach mussten sie wieder auskühlen. Moderne Lampen leuchten aus der Sicht des Menschen kontinuierlich. Tatsächlich pulst das Licht aber, um so die Intensität einzustellen. Wegen der steilen Kennlinie der Dioden gestaltet sich das Steuern über die Spannung ungleich aufwendiger.
Das erste Beispiel mit eine LED-Stirnlampe verdeutlicht das. Wie erwartet zeigt die Intensität bei voller Leuchtkraft keinerlei Variationen. Anders sieht es aus, wenn die Lampe mit geringer Leistung strahlt: Wie in Abbildung 10 zu erkennen, leuchtet sie nur 2 Millisekunden lang im Wechsel mit einer 8 Millisekunden langen Pause.
Abbildung 10: Dimmen Sie das Licht einer modernen LED-Stirnlampe auf ein Fünftel der maximal möglichen Intensität, sehen Sie in der Messkurve deutlich die Pausen zwischen den Phasen, in denen die Lampe leuchtet. Das erhöht die Leuchtdauer.
Bei 100 Hz lässt sich der Wechsel der Helligkeit aufgrund der Pulsweitenmodulation (PWM) für das Auge unter normalen Umständen nicht wahrnehmen. Das deckt sich mit der Aussage in der Bedienungsanleitung der Lampe, die für den Betrieb bei kleiner Leistung eine fünffach längere Leuchtdauer angibt. Jetzt erschließt sich außerdem, warum solche Lampen fast immer eine (ziemlich überflüssige) Funktion als Warnblinker mitbringen: weil es geht. Dazu verlängern die Hersteller einfach die Zeiten beim Leuchten sowie die Pausen, sodass das Blinken für das Auge zu erkennen ist.
Abbildung 11 zeigt unterschiedliche Helligkeiten einer stufenlos dimmbaren LED-Deckenlampe: dunkel im oberen Bild, mittlere Helligkeit im unteren Bild. Bei voller Helligkeit kann man keine 400-Hz-Austastung mehr beobachten. Bei LED-beleuchteten Monitoren funktioniert das Steuern der Helligkeit ähnlich wie oben erläutert. Die Modulationsfrequenz des Monitors in Abbildung 12 oben liegt bei 240 Hz.
Abbildung 11: Beim Messen einer gedimmten LED-Deckenleuchte ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei einer LED-Stirnlampe.
Abbildung 12: Der Vergleich eines LED-Bildschirms (oben) mit einem CCFL-Monitor (unten) zeigt, dass beide in ähnlicher Weise flimmern.
Gelegentlich liest man den Rat, den Monitor heller zu stellen, um die Modulationsfrequenz zu erhöhen. Tatsächlich ändert sich die Frequenz dadurch nicht, sondern nur das Tastverhältnis zwischen hell und dunkel – außer, Sie stellen den Monitor auf maximale Helligkeit.
