Winterzeit ist Bastelzeit! Angeregt durch die Diskussion um das EU-Glühlampenverbot (politisch korrekt: EU-Ökodesign-Richtlinie) habe ich die dunkle Jahreszeit dazu verwendet, ein einfaches und billiges Messgerät zur Beurteilung der Helligkeit von Lampen zu bauen. Mein Ziel ist es, verschiedene Leuchtmittel wie Glühbirnen, Kompaktleuchtstofflampen, LED's und natürlich von Tauchlampen untereinander vergleichen zu können. Eine absolute Aussage zum photometrischen Wert der Beleuchtungsstärke in Lux oder dem Lichtstrom in Lumen interessieren mich eigentlich nicht. Ich möchte lediglich sagen können, dass Leuchtmittel A in meiner Umgebung um X Prozent heller ist als Leuchtmittel B.


Einfache Luxmeter kann man schon für ca. 30,- Euro käuflich erwerben. Allerdings haben diese Geräte den Nachteil, dass man sie nur schwer an veränderte Anforderungen anpassen kann. Ich möchte beispielsweise den Einfluss von Streulicht minimieren, während herkömmliche Geräte versuchen einen möglichst breiten Raumwinkel abzudecken und damit für Streulicht sehr empfindlich sind. Daher habe ich mich für den Eigenbau entschieden. Eigenbau macht schlau, macht Spaß und bietet mir genügend Spielraum für Erweiterungen.

Die Schaltung
Ausgangspunkt war Umgebungslichtsensor LX1970. Der Chip ist überall im Elektronikfachhandel für ca. 5,- Euro erhältlich. Laut Herstellerangaben und den technischen Datenblättern weist der Sensor eine Spektralempfindlichkeit auf, die dem menschlichen Auge sehr ähnlich ist, und er wandelt Lichtintensität sehr genau, linear und reproduzierbar in Ausgangsströme um.

Ein weiterer Vorteil des Chips ist, dass man mit sehr wenigen externen Bauteilen eine messbare Ausgangsspannung erzeugen kann. Das vereinfacht den Aufbau eines geplanten "Sensorfeldes" mit mehr als 10 Helligkeitssensoren und spart Kosten.

Die Schaltung ist denkbar einfach. Der Sensor wird über einen einfachen Konstantspannungsregler der 78'ger Serie mit 5 Volt versorgt. Der Ausgangsstrom des Sensors wird über einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen in eine messbare Spannung umgewandelt und gegen Lichtschwankungen, Netzbrummen im Licht und sonstige Schwankungen durch einen Kondensator geglättet. Die restlichen Kondensatoren dienen der Glättung der Versorgungsspannung.

Mechanischer Aufbau
Messen möchte ich eigentlich nur das direkte Licht der Quelle, das restliche Streulicht sollte möglichst wenig Einfluss auf die Messung haben. Daher habe ich den LX1970 in ein kleines, schwarzes Distanzröllchen eingegklebt. Bei einem Innendurchmesser von 4,5 mm und einer Länge von ca. 10 mm ergibt sich damit rechnerisch ein Öffnungswinkel von maximal 26 Grad.

Verifikation
Nach Fertigstellung des Gerätes habe ich zunächst Standard E27 Glühbirnen vermessen. Damit wollte ich feststellen, wie sensibel das Gerät ist und ob die Messungen plausibel sind. Aus diesem Grund habe ich meine gesamten Glühbirnenbestände aus dem Keller geholt und eine Reihe von Birnen gleichen Typs vermessen. Die Birnen wurden in einen einfachen Reflektor an die Decke geschraubt. Das Messgerät lag auf dem Boden, zwischen Birne und Messgerät bestand ein Abstand von genau 2 Metern.

Die Messungen haben meine Erwartungen weit übertroffen. Um sicher zu gehen und Erfahrungen zu sammeln, wurde jede Birne zeitversetzt insgesamt drei Mal vermessen. Die Messergebnisse wichen maximal in der zweiten Nachkommastelle ab. In einem Kreis von ca. 20 cm Durchmesser senkrecht unter der Birne schwanken die Messwerte nur gering. Der Einfluß von Streulicht ist ebenfalls erstaunlich gering. Eine Lampe im Nebenraum ohne direkte, optische Verbindung zum Sensor erhöht die Messwerte nur um wenige Millivolt.
Die gelb markierten Maximal- und Minimalwerte dienen als zusätzliche Referenzpunkte um den Messbereich besser abschätzen zu können. Der Minimalwert ergibt sich im Betrieb des Sensors in absoluter Dunkelheit. Der Maximalwert wurde mit Hilfe einer 50 W Halogenbirne im Abstand von 2 cm vor dem Gehäuse ermittelt.

Fazit
Das Gerät funktioniert besser als erwartet. Ich kann damit relative Aussagen über die Beleuchtungsstärke verschiedener Lichtquellen treffen. Die Schaltung verbraucht im Betrieb gerade mal 2 mA. Angeschlossen an eine handelsübliche 9V Batterie mit einer Kapazität von 500 mAh kann das Gerät also mehr als 1 Woche durchlaufen.
Wenn man den Angaben im Datenblatt des Sensors (siehe Abbildung 7) vertraut, könnte man sogar absolute Aussagen über die Beleuchtungsstärke in Lux treffen. Als Nachteil könnte man geltend machen, dass der Sensor bei einer Beleuchtungsstärke von über 400 Lux in Sättigung geht. Bei fokussierten Halogenlampen werden allerdings schnell Beleuchtungsstärken jenseits der 5000 Lux erreicht. Mit dem vorliegenden Gerät können derartige Leuchtmittel also nur vermessen werden, wenn man einen Filter vor den Sensor baut. Hierzu eignet sich beispielsweise schon ein kleines Stück weißes Papier, das auf die transparente Abdeckhaube geklebt wird. Man kann also mit relativ wenig Aufwand den Messbereich nach oben erweitern, umgekehrt ist es dagegen nicht so einfach. Ein Sensor mit einem größerem Helligkeitsbereich wäre bei schwächeren Lichtquellen automatisch nicht so genau.

Juni 2013
Der Sensor LX1970 ist mittlerweile nicht mehr bei Conrad, ELV und anderen erhältlich. Ein Nachbauer weist mich darauf hin, dass die Sensoren heute am einfachsten über digikey bezogen werden können. http://www.digikey.de/product-search/de/sensors-transducers/ambient-light-sensors/1966828?k=LX1970

Oktober 2013
Ich bekomme ab und zu Nachfragen zur Verlötung des Sensors auf der Platine. Nachbauer sind überrascht wie klein der Chip eigentlich ist und wissen nicht, wie sie die Kontakte herstellen sollen. Hier ein paar Tipps.
Der Chip wird auf der Platine an der richtigen Stelle mit Sekundenkleber festgeklebt. Anschließend werden die Verbindungen mit Fädeldraht, einem spitzen Lötkolben und einer ruhigen Hand gezogen. Wichtig! Das Ende des Fädeldrahts wird vor der Verlötung verzinnt. Dazu die Temperatur des Lötkolbens hoch drehen, damit der Lack schmilzt und der Draht das Zinn gut annehmen kann. Anschließend die Temperatur des Lötkolbens wieder runter regeln und das verzinnte Ende möglichst kurz mit dem Chip verlöten.
Zum Schluss klebe ich das abgefeilte Distanzröllchen mit Heißkleber auf der Platine fest. Der Fädeldraht wird dabei zwischen dem Röllchen und der Platine eingeklemmt, die Verbindungsdrähte dürfen also nicht zu kurz sein.
Hier noch das Datenblatt des Sensors vom Hersteller Microsemi aus dem Jahr 2002.

November 2013
Der Microsemi LX1970 ist kaum noch erhältlich, daher habe ich mich nach Alternativen umgesehen. Grundsätzlich kommen alle Umgebungslicht Sensoren in Frage, die als Stromquelle geschaltet werden können. Für nur rund 1,- € bekommt man die Sensoren von Avago Technologies quasi hinterher geschmissen. Der APDS-9006-020 in der 5V Variante scheint laut Datenblatt auf Anhieb geeignet zu sein. Wird er mit 3 Volt betrieben hat er laut Datenblatt die folgende Strom-Lux-Kennlinie.
Auffällig ist, dass der Sensor anscheinend wesentlich höhere Beleuchtungsstärken verkraftet und die Kennlinie eine saubere Gerade ist. Im Vergleich zum LX1970 erzeugt der APDS 9006 bei 100 Lux allerdings nur die Hälfte des Stroms nämlich 50 µA. Betreibt man den Sensor in meiner Schaltung bei 5 V wird der Strom sich weiter erhöhen. Ich erwarte daher, dass dieser Sensor den LX1970 ohne weitere Anpassungen an der Schaltung ersetzen kann. Über Rückmeldungen von Nachbauern und Bastlern, die Erfahrungen mit dem neuen Sensor gesammelt haben, würde ich mich wie immer freuen.