В фотометрии восприятие света человеческим глазом характеризуют с учётом зависимости его чувствительности от частоты (длины волны). Максимум спектральной чувствительности глаза соответствует длине волны 555 нм [1]. Источник монохроматического света с такой длиной волны мощностью 1 Вт создаёт световой поток 680 люмен (лм). На волнах другой длины он меньше. Большая часть энергии излучения ламп накаливания приходится на невидимую инфракрасную область, поэтому их светоотдача - около 10...20 лм/Вт. У светодиодных ламп светоотдача достигает 85 лм/Вт.
Освещённость объекта измеряют в люксах (лк) и характеризуют отношением светового потока в люменах, падающего на поверхность, к площади этой поверхности в квадратных метрах. Иными словами, световой поток в 1 лм, равномерно распределённый по поверхности площадью 1 м2, создаёт освещённость 1 лк.
В измерителях освещённости, обычно называемых люксметрами, применяют кремниевые фотодиоды, оснащённые светофильтром, приближающим зависимость чувствительности фотодиода от длины волны излучения к этой же зависимости для глаза. Такой фотодиод BPW21R [2] и применён в предлагаемой конструкции. Это лучший светодиод для измерителя освещённости из тех, что удалось найти в продаже.
Схема прибора показана на рис. 1. Питают его от батареи GB1 напряжением 9 В ("Крона" или 6F22). Можно использовать и не менее трёх-четырёх соединённых последовательно гальванических элементов напряжением 1,5 В каждый. ОУ DA1.1 микросхемы LM358AN преобразует фототок датчика освещённости (фотодиода VD1) в пропорциональное ему напряжение. Второй ОУ микросхемы оставлен неиспользуемым.
Рис. 1. Схема измерителя освещённости
Пределы измерения 100 лк, 1000 лк и 10000 лк выбирают переключателем SA2, переключающим резисторы отрицательной обратной связи R1-R3. К выходу ОУ через добавочные резисторы (постоянный R4 и подстроечный R5) подключён микроамперметр PA1 - М2003 с пределом измерения 1000 мкА и сопротивлением рамки 296 Ом. При желании, подбирая резисторы обратной связи, можно установить другие пределы измерения освещённости или добавить их к имеющимся.
Коэффициент преобразования фототока в напряжение на выходе ОУ в рассматриваемом случае равен сопротивлению обратной связи:
Ki = Uвых / Iвх= Rос.
Типовая чувствительность применённого фотодиода S = 9 нА/лк. Таким образом, на пределе 100 лк при указанном на схеме сопротивлении резистора R1 крутизна преобразования освещённости в выходное напряжение ОУ будет равна
S·R1=9·10-9 ·2·106 = 0,018 В/лм.
Чтобы на пределах 1000 лк и 10000 лк она была соответственно в 10 и 100 раз меньше, нужно строго выдержать условие
R1 : R2 : R3 = 100 :10 :1,
при этом сопротивление того резистора, относительно которого подбирают два других, допустимо выбирать в пределах нескольких соседних номиналов ряда E24.
Выдержать с достаточной точностью нужное соотношение можно, применив прецизионные резисторы (с допуском не хуже ± 1 %) или выбрав их из обычных резисторов с помощью мультиметра, работающего в режиме омметра. Для облегчения подборки можно составлять каждый резистор из двух, соединённых последовательно, одного - сопротивлением немного меньше требуемого и другого, дополняющего сопротивление первого до требуемого.
Нужно сказать, что чувствительность светодиода BPW21R, согласно [2], может быть и вдвое меньше указанного выше типового значения. Соответственно меньшим будет и напряжение на выходе ОУ. Поэтому изготовленный прибор требует калибровки.
Оригинальная шкала микроамперметра M2003 с пределом измерения 1000 мкА имеет 50 делений ценой по 20 мкА. Начало шкалы и каждое десятое деление обозначены надписями 0, 200, 400, 600, 800 и 1000. Следовательно, цена деления шкалы измерителя освещённости - 2 лк на пределе 100 лк, 20 лк - на пределе 1000 лк, 200 лк - на пределе 10000 лк.
При монтаже прибора первыми на его плату устанавливают резисторы R1-R3, предварительно подобранные, как было рассказано выше. Затем монтируют все остальные детали, подключают батарею GB1 и включают прибор выключателем SA1. При затенённом фотоприёмнике стрелка микроамперметра должна остаться на нуле, хотя на самом чувствительном пределе измерения может наблюдаться её небольшое отклонение от нуля. Его нужно будет учитывать при измерениях.
Конструкция фотоприёмника показана на рис. 2. Его размеры выбраны с учётом диаграммы направленности фотодиода. Трубка 1 и кольцевой упор 3 изготовлены из чёрной пластмассовой бобины для припоя. Чтобы упор 3 плотно вошёл в трубку 1, его диаметр уменьшен вырезанием части окружности. Крышка 3 из прозрачного пластика от упаковочной тары и кольцевой упор 3 плотно вставлены в трубку без применения клея. Трубка 1 приклеена клеем "Момент" торцом к основанию 4 с установленным на нём фотодиодом 5. Фотоприёмник укрепите на верхней крышке корпуса прибора винтами. Можно сделать его и выносным, соединив с прибором экранированным проводом длиной до 1 м.
Рис. 2. Конструкция фотоприёмника
При калибровке я освещал фотоприёмник светодиодной лампой IEK LED-A60 11 Вт (световой поток - 950 лм, цветовая температура - 3000 K). С расстояния 610 мм она создаёт освещённость 400 лк, что было проверено по цифровому люксметру DT-1308. Удалив фотоприёмник изготовленного прибора от лампы на указанное расстояние (его я измерял от нижней поверхности баллона лампы до светочувствительной поверхности светодиода), переключил прибор на предел 1000 лк и установил подстроечным резистором R5 стрелку микроамперметра PA1 на деление, обозначенное 400. Поскольку зависимость фототока светодиода BPW21R от освещённости линейна в широких пределах (Fig. 3 в [2]), достаточно откалибровать прибор при одном значении образцовой освещённости.
Калибровку нужно выполнять в помещении, в котором нет других, кроме образцового, источников света, а также зеркал и других отражающих свет поверхностей. Поскольку освещённость обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником света и его приёмником, при калибровке необходимо выдерживать его с возможно большей точностью. Светодиодную лампу я подключал через лабораторный автотрансформатор и убедился, что при изменении питающего её напряжения от 170 до 230 В создаваемая ей освещённость, в отличие от создаваемой лампой накаливания, остаётся неизменной.
Эксперименты показали, что изготовленный измеритель освещённости приблизительно в два раза более чувствителен к свету ламп накаливания по сравнению со светом светодиодных и люминесцентных ламп. Вероятно, это объясняется повышенной чувствительностью фотодиода к инфракрасному излучению, которым богат спектр лампы накаливания. При измеренияхлюкс-метром DT-1308 такой разницы нет. Обнаружено, что замена прозрачной крышки фотоприёмника (2 на рис. 2) на молочно-белую, изготовленную из баллона светодиодной лампы, практически устраняет разницу показаний.
Литература
1. Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1982.
2. BPW21R Silicon Photodiode. - URL: http://www.vishay. com/docs/81519/ bpw21r.pdf (29.06.2018).
Автор: Н. Салимов, г. Ревда Свердловской обл.