Optische Leistung messen

Im Unterforum Alle anderen elektronischen Probleme - Beschreibung: Was sonst nirgendwo hinpasst

Suchen          Elektronik Forum Nicht eingeloggt       Einloggen       Registrieren



Elektronik- und Elektroforum Forum Index   >>   Alle anderen elektronischen Probleme        Alle anderen elektronischen Probleme : Was sonst nirgendwo hinpasst

Autor
Optische Leistung messen

Problem gelöst    










BID = 385665

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241
 

  


Ich möchte mir ein Gerät bauen, um die optische Ausgangsleistung von Laserdioden und LEDs zu messen.

Sagen wir mal ich schaffe es, die gesamte abgegebene optische Leistung auf eine Photodiode zu bündeln (was zumindest bei einem Laser kein Problem sein sollte).

Die Photodiode liefert also einen Strom der proportional zur Leistung ist. Allerdings muss das ganze noch kalibriert und die unterschiedlichen Wellenlängen kompensiert werden.

Ich beleuchte die Photodiode (BPW34) mit einer Lichtquelle mit 780nm und unbekannter Leistung. Damit erhalte ich 0,34mA Photostrom. Da die Photodiode aber bei 780nm nur etwa 95% der Empfindlichkeit hat gegenüber den Angaben im Datenblatt, entspricht das etwa 0,358mA.

Im Datenblatt finde ich jetzt Angaben wie
Spektrale Fotoempfindlichkeit, l = 850 nm
S = 0.62 A/W

oder

Fotoempfindlichkeit, VR = 5 V
S = 80 nA/Ix

Wie kann ich jetzt anhand von diesen Angaben die Leistung der Lichtquelle berechnen ?

BID = 385686

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

 

  


Zitat :
Fotoempfindlichkeit, VR = 5 V
S = 80 nA/Ix

Wie kann ich jetzt anhand von diesen Angaben die Leistung der Lichtquelle berechnen ?
Garnicht, denn du weißt nicht, wieviel Licht vorbei geht und die genaue Wellenlänge ist dir vermutlich auch nicht bekannt. Die Lichtverluste einer eventuellen Fokussieroptik müssten auch erst noch bestimmt werden.

Hiermit
Zitat :
Spektrale Fotoempfindlichkeit, l = 850 nm
S = 0.62 A/W
kannst du aber etwas anfangen, wenn die Empfindlichkeitskurve ( dabei auf die verwendete Einheit achten !!!!) bekannt ist und du so nah ran gehst, daß die gesamte Strahlung auf dem Detektor landet.


Zitat :
Allerdings muss das ganze noch kalibriert und die unterschiedlichen Wellenlängen kompensiert werden.
Das ist ja das eigentliche Problem.

Da man es bei Lasern und den neuen LEDs mit verhältnismäßig "handfesten" Leistungen zu tun hat, hatte ich schon einmal an an eine thermische Leistungsmessung gedacht.
Es wäre z.B. möglich einen SMD-Transistor auf die Rückseite einer geschwärzten Kupfer- oder Silberfolie in der Größe eines Centstücks zu montieren, und bei einem bestimmten Ic die temperaturabhängige Ube durch Variation der Kollektorspannung konstant zu halten.

Am besten macht man das in Brückenschaltung mit einem gleichen, aber nicht bestrahlten Exemplar des Sensors.
Man kann so Schwankungen der Umgebungstemperatur eliminieren, wird es aber trotzdem in die Bohrung eines Styroporblocks einsetzen müssen. Wegen der Thermik Öffnung nach unten.
Emitter und Basis der beiden Transistoren direkt verbinden, Kollektorströme werden mittels variabler Kollektorspannung auf Gleichheit eingestellt.
Zuführungsdrähte mit geringer Wärmeleitung, z.B. 0,03mm CuL kann man z.B. aus einem Stückchen HF-Litze gewinnen.

Wenn du z.B. den Messaufbau bei 2mA und 10V am Messtransistor im Gleichgewicht hast, und bei Bestrahlung nur noch 9,5V dafür brauchst, weißt du, daß diese Reduktion der Heizleistung um 1mW durch die eingestrahlte Leistung verursacht wird.

Vorteil der thermischen Messung mit einem mattschwarzen Absorber ist u.a. die Unabhängigkeit von der Wellenlänge, Einfallsrichtung, und Polarisation.
Gewisse Reflexionsverluste bis zu 20% treten aber trotzdem auf, aber man kann sie relativ leicht messen.


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !


[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 14 Nov 2006 17:36 ]








BID = 385724

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241


Zitat :
perl hat am 14 Nov 2006 17:29 geschrieben :


Hiermit
Zitat :
Spektrale Fotoempfindlichkeit, l = 850 nm
S = 0.62 A/W
kannst du aber etwas anfangen, wenn die Empfindlichkeitskurve ( dabei auf die verwendete Einheit achten !!!!) bekannt ist und du so nah ran gehst, daß die gesamte Strahlung auf dem Detektor landet.


Wenn ich das jetzt ausrechne für die 0,36mA, dann wären das 0,58mW. Das ist etwas wenig für einen Laser der angeblich 5mW haben soll. Die Fläche des Sensors (7mm²) ist größer als die des Lasers, die gesamte Leistung müsste ich also auffangen.

BID = 385752

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
0,36mA, dann wären das 0,58mW. Das ist etwas wenig für einen Laser der angeblich 5mW haben soll.

1) Du musst eine Sperrspannung an die PD anlegen, sonst verhindert der Innenwiderstand, daß sich der Photostrom voll ausbilden kann.

2) Wenn sich eine Optik vor der LD befindet, kann die leicht über 50% schlucken.

3) Passt die Wellenlänge ? Für sichtbare Laser hast du höhere Reflexionsverluste am Si und außerdem sind die Lichtquanten energiereicher. Wegen letzterem schrieb ich daß du auf die Einheit an der Empfindlichkeitskurve achten sollst. Quantenwirkungsgrad ist etwas anderes als A/W.

4) Es ist ja möglich, daß du den Laser knapp über der Schwelle betreibst. 10mA mehr bringen vielleicht die gewünschte Ausgangsleistung.


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 385794

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241


Zitat :
perl hat am 14 Nov 2006 20:35 geschrieben :


1) Du musst eine Sperrspannung an die PD anlegen, sonst verhindert der Innenwiderstand, daß sich der Photostrom voll ausbilden kann.


Ich habe etwa -5V angelegt, das sollte eigentlich reichen, oder ?


Zitat :

3) Passt die Wellenlänge ? Für sichtbare Laser hast du höhere Reflexionsverluste am Si und außerdem sind die Lichtquanten energiereicher. Wegen letzterem schrieb ich daß du auf die Einheit an der Empfindlichkeitskurve achten sollst. Quantenwirkungsgrad ist etwas anderes als A/W.


Leider gibt es nur eine Kurve zu dem Frequenzgang der Photodiode, und vor der bin ich ausgegangen.


Zitat :

4) Es ist ja möglich, daß du den Laser knapp über der Schwelle betreibst. 10mA mehr bringen vielleicht die gewünschte Ausgangsleistung.


Ich habe es mit 2 unterschiedlichen Lasern ausprobiert: Einem Infrarotlaser mit vermutlich 780nm aus einem Laserdrucker, dessen Leuchtpunkt man im Dunkeln auf einem Blatt Papier erkennen kann. Laut Warnhinweis: 5mW

Das andere war der Laser von Pollin, der 650 oder 670nm haben und auch im mW Bereich liegen müsste. Dieser liefert 0,47mA, was etwa 1mW entspricht.
Beide Laser haben ihre orginale Ansteuerschaltung.




[ Diese Nachricht wurde geändert von: Benedikt am 14 Nov 2006 21:36 ]

BID = 385852

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Laut Warnhinweis: 5mW
Das sind gewöhnlich Werte, die mit Sicherheit nicht überschritten werden. Ich habe hier einige frühe sichtbare Laserdioden (670nm, TOLD9200) die eine Betriebsleistung von 2mW haben und auf deren Verpackung "Peak Power 50mW" steht.
Es ist also gut möglich, daß das eine 3mW LD ist, und daß nach der Fokussierung davon nur 1..2mW übrig sind.

Du kannst ja mal eine Solarzelle aus kristallinem Si als Empfänger nehmen.
Die erzielen auch etwa 0,5A/W und fangen mit ihrer großen Fläche garantiert alle Strahlung ein, auch wenn du weit genug entfernt bist, daß keine lokale Überbelichtung stattfindet.
Unser Zentralstern bringt immerhin insgesamt etwa 100mW/cm2 am Erdboden.
Wenn der Strom aus der Solarzelle ebenfalls nur Bruchteile eines mA beträgt, dann ist da eben nicht mehr Leistung.

Ich habe vor längerem die Wellenlängen etlicher billiger Laserpointer gemessen, die meisten emittieren bei etwa 654..656 nm. Die oben genannte 670nm LD hat eine deutlich dunklere Rotfärbung.


Die abgebildete Empfindlichkeitskurve S bezieht sich übrigens auf A/W. (= 1/V ).
Für den Quantenausbeute wird eta verwendet, das Maximum ist in Richtung kurzer Wellen verschoben und der Abfall zum blauen hin verläuft flacher.




_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 385868

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241


Zitat :
perl hat am 15 Nov 2006 01:52 geschrieben :

Wenn der Strom aus der Solarzelle ebenfalls nur Bruchteile eines mA beträgt, dann ist da eben nicht mehr Leistung.


Mit einer Solarzelle erreiche ich maximal 0,3mA. (BPW34: 0,47mA)
Dann glaube ich einfach mal der BWP34, dass der Laser nur 1mW Ausgangsleistung hat.


Zitat :

Die abgebildete Empfindlichkeitskurve S bezieht sich übrigens auf A/W. (= 1/V ).
Für den Quantenausbeute wird eta verwendet, das Maximum ist in Richtung kurzer Wellen verschoben und der Abfall zum blauen hin verläuft flacher.


Bedeutet das jetzt, dass ich die Quantenausbeute zusätzlich berücksichtigen muss, oder ist das in der Empfindlichkeitskurve schon berücksichtigt ?

Kann man eigentlich Lumen in Watt umrechnen ? Theoretisch beschreiben beide ja mehr oder weniger dasselbe, nur mit einer anderen Einheit.

BID = 385955

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

Du kannst die Kurve, so wie sie ist, verwenden, denn sie gibt die A/W für andere Wellenlängen, bezogen auf das im Datenblatt genannte Empfindlichkeitsmaximum bei 850nm wieder.
Die Quantenausbeute hingegen gibt die Anzahl der pro Photon erzeugten Elektronen wieder, und selbst wenn diese konstant wäre, fiele die Empfindlichkeitskurve zu kurzen Wellen hin ab, da die Photonen ja immer energiereicher werden.



Zitat :
Kann man eigentlich Lumen in Watt umrechnen ?
Nur schwer, weil bei den Lumen die wellenlängenanhängige Empfindlichkeit der Augen ins Spiel kommt. http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtst%C3%A4rke_(Photometrie)


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 386233

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

Ich habe soeben auch mal an billigen Laserpointern nachgemessen: BPW34, als Photoelement betrieben, direkt ans DMM, Meßbereich 2mA. Laserpointer fast aufgelegt.

Einer mit ziemlich verbrauchten AG-3 Knopfzellen brachte auch nur 0,3..0,2mA, ein anderer mit viel kleineren aber wenig benutzen Zellen kam auf mehr als 1,8mA !

Du wirst deinen Laserdioden also etwas mehr Strom gönnen müssen.
Aber sei etwas vorsichtig dabei, denn nach überschreiten der Schwelle steigt die Ausgangsleistung in der Größenordnung 0,5mW/mA steil an.


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 386235

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241

Waren die Laser mit Optik oder ohne ?

BID = 386237

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

Mit Optik und mit den zufällig eingebauten Batterien. Also ohne jegliche Modifikation.

_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 386263

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241

Ich habe die Diode jetzt auf 1,6mA hochgedreht: Stromaufnahme: etwa 37mA, Helligkeit: man sollte besser nicht reinschauen, wenn man schräg von vorne auf die Laserdiode schaut, sieht man im Dunkeln wunderbar den Strahl (aufgrund von herumfliegendem Staub.)

Noch eine letze Frage: Wodurch entstehen die Ringe auf dem Foto ?
Dieselben Ringe bekommt man auch, wenn man den Laserpunkt an der Wand fotografiert.



BID = 386300

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Wodurch entstehen die Ringe auf dem Foto ?
Dieselben Ringe bekommt man auch, wenn man den Laserpunkt an der Wand fotografiert.
Das ist ein räumliches System stehender Wellen, hier vermutlich durch Beugung des einfallenden Lichts an der Blende des Kameraobjektivs hervorgerufen.

Wenn das Bild auch auf der Wand so aussieht, ist dafür wahrscheinlich die harte Begrenzung des Strahldurchmessers durch die Lichtaustrittsöffnung verantwortlich.

Solche Interferenzerscheinungen sind bei Lasern wegen der großen Kohärenzlänge allgegenwärtig und oft nützlich, z.B. bei der Holografie, gelegentlich aber auch lästig.


Halte mal einen sehr dünnen Draht in den Strahl, dann bekommst du ein linienförmiges Beugungsmuster. Ein ganz ähnliches Muster bekommst du, wenn du den Draht durch einen feinen Spalt ersetzt. Das schöne dabei ist, daß die Linien umso weiter voneinander entfernt sind, je feiner der Draht ist. Man kann so bequem berührungslos die Dicke feinster Drähte messen.
Oder schau einmal durch ein feines Gewebe auf den Laser. Solche periodischen Strukturen (oder EPROMS, CDs), sortieren das Licht ganz sauber und vor allem berechenbar nach der Wellenlänge.

Wenn du den Laser defokussiert oder aufgeweitet auf die weiße Wand richtest, sieht man ebenfalls ein Muster von stehenden Wellen die sich durch Überlagerung der von den einzelnen Körnchen kugelförmig reflektierten Wellen ergeben.
Man bezeichnet das als Granulationen, im engl. meist als Speckles genannt.
Dieses Muster ist auch bei fehlsichtigen Personen in jeder Entfernung scharf. Wenn man den Kopf seitlich bewegt, bewegt sich dieses Muster entgegengesetzt oder in gleicher Richtung. Man kann daran ablesen ob man kurz- oder weitsichtig ist. Bei Normalsichtigkeit würde es sich nicht bewegen.





_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 386447

Benedikt

Inventar

Beiträge: 6241

Danke für die Erklärung zu der Kohärenz. Mit den passenden Suchbegriffen (ich hatte den Begriff Speckles noch nie gehört) einige brauchbaren Infos.
Die Beugung von Licht an feinen Stoffen (z.B Vorhängen) kenne ich schon. Das 2D Beugungsbild sieht noch schöner aus als die punktierte Linie an einem Linienförmigen Gitter.
Irgendwann hatte ich mal die Gitterbreite des Vorhangs mithilfe eines Lasers berechnet. Waren glaube ich so um die 0,5mm.

Den Leistungsmesser habe ich jetzt einigermaßen Praxistauglich gemacht: Ein Mikrocontroller hat für die verschiedenen einstellbaren Wellenlängen die Korrekturwerte gespeichert und zeigt die Leistung direkt in Watt oder Watt/Quadratmeter an.

Jetzt kann ich wenigstens die Regelschaltung für die Laserdioden richtig einstellen. Die meisten Laserdioden erzeugen 0,2mA Strom durch die Monitordiode bei Nennleistung, aber eben nicht alle.

Die sichtbare Laserdiode habe ich auf 4mW mit Optik eingestellt. Als ich dann ohne Optik gemessen habe, bin ich ziemlich erschrocken: 11mW ! Die Laserdiode hat das zum Glück überlebt, und läuft jetzt wieder mit 5mW ohne Optik (1,8mW mit Optik)
Die IR Laserdiode aus dem Laserdrucker habe ich auch nochmal gemessen: etwa 0,6mW mit Optik, ziemlich genau 2mW ohne.

Die Optik schluckt also wirklich eine Menge (60-70% bei den beiden gemessenen.)

Der billig Laserpointer der mit vollen Batterien die 1,8mA an der BWP34 erzeugt hat, läuft also mit Sicherheit mit >10mW und vermutlich außerhalb der maximalen Grenzwerte und vor allem außerhalb des erlaubten Bereiches für Laserpointer von <1mW.

Man merkt auch deutlich, das die neueren Dioden besser wurden: Die alte braucht noch 48mA für die 2mW, der neue reichen 38mA für >10mW.

Die meisten billigen Laserpointer die ich gesehen habe, haben entweder eine Reglung deren Ausgangsleistung proportional zur Batteriespannung ist (was bringt eine Regelung, wenn der Sollwert durch die Batteriespannung bestimmt wird ?) oder sogar nur eine Konstantstromquelle. Die regelt zwar nicht die Leistung, ist aber wenigstens weitestgehend Batteriespannungsunabhängig.

BID = 386476

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Die meisten billigen Laserpointer die ich gesehen habe, haben entweder eine Reglung deren Ausgangsleistung proportional zur Batteriespannung ist (was bringt eine Regelung, wenn der Sollwert durch die Batteriespannung bestimmt wird ?) oder sogar nur eine Konstantstromquelle
Die billigen Pointer, die ich in den letzten Jahren in die Finger bekommen habe, hatten überhaupt keine Regelung und deshalb auch keine Monitordiode, sondern lediglich einen Vorwiderstand.
Vielleicht war der halbwegs passend zur LD ausgesucht, aber ich bezweifle mittlerweile auch das.
Die meisten Pointer werden wohl ohnehin keinen zweiten Batteriesatz erleben und was macht es dann schon, wenn die ja auch nur zeitweilig überlastete LD nach 10 Betriebsstunden aufgibt.


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !


Zurück zur Seite 0 im Unterforum          Vorheriges Thema Nächstes Thema 
Das Thema ist erledigt und geschlossen. Es kann nicht mehr geantwortet werden !



Zum Ersatzteileshop


Bezeichnungen von Produkten, Abbildungen und Logos , die in diesem Forum oder im Shop verwendet werden, sind Eigentum des entsprechenden Herstellers oder Besitzers. Diese dienen lediglich zur Identifikation!
Impressum       Datenschutz       Copyright © Baldur Brock Fernsehtechnik und Versand Ersatzteile in Heilbronn Deutschland       

gerechnet auf die letzten 30 Tage haben wir 38 Beiträge im Durchschnitt pro Tag       heute wurden bisher 3 Beiträge verfasst
© x sparkkelsputz        Besucher : 152461831   Heute : 721    Gestern : 10956    Online : 172        28.5.2020    6:39
3 Besucher in den letzten 60 Sekunden        alle 20.00 Sekunden ein neuer Besucher ---- logout ----viewtopic ---- logout ----
xcvb ycvb
0.382215976715