Luxmeter Luxmetro analogico per misure di illuminamento by Roberto Chirio


Agosto 2007 Questo progetto nasce dalla necessità di acquisire un flusso luminoso con oscilloscopio digitale, il tutto per avere in tempo reale le curve di intensità luce, relative ai vari progetti di illuminatori a Led funzionanti a batterie. Strumenti simili in commercio non sono disponibili se non a prezzi molto alti. Sono in genere dei Data Logger per acquisizioni con tempi molto lungi. Tarando opportunamente il valore della tensione in uscita tramite un partitore resistivo, è possibile avere una correlazione precisa tra i mV e i Lux. (E' necessario un luxmetro di riferimento.) Per la semplicità di schema e per la mancanza di filtri ottici sul sensore, non è possibile avere delle misure precise e calibrate con varie tipologie di luce, tipo fluorescenza, scarica e a led. La misura è sempre relativa anche se ripetibile.
		Foto diodo al silicio, adatto per realizzare strumenti di misura della luce, quali esposimetri, luxmetri e misuratori temperatura colore, è caratterizzato da una ampia gamma di valori di ingresso con una buona linearità della corrente in uscita: BPW20 (pdf 79K)

Per info contattare:

Materiale		Dove
U1	● 1 integrato LM358	negozio elettronica
R1	● 1 resistenza 1M/100K/10K ohm 1/4W 1% strato metallico	negozio elettronica
R2	● 1 resistenza 10K ohm 1/4W 1% strato metallico	negozio elettronica
R3	● 1 trimmer 10K ohm cermet multigiri	negozio elettronica
R4	● 1 resistenza 470 ohm 1/4W	negozio elettronica
C1	● 1 condensatore elettrolitico 1-22uF 16V (vedi note)	negozio elettronica
C2	● 1 condensatore elettrolitico 47uF 16V	negozio elettronica
D1	● 1 photo diode BPW20 (vedi note)	negozio elettronica
D2	● 1 led 5mm rosso	negozio elettronica
D3	● 1 diodo Zener 6,2 400mW	negozio elettronica
S1	● 1 interruttore a slitta	negozio elettronica
V1	● 1 Batteria 9V	negozio elettronica
	● commutatore 1 via 3 posizione (rotativo o lineare)	negozio elettronica
	● connettore BNC	negozio elettronica
	● connettore batteria 9V	negozio elettronica
	● circuito stampato	da farsi

Descrizione circuito

Alimentazione con batteria da 9V, il funzionamento è buono fino a 6V.

Il diodo led rosso segnala l'accensione, la corrente del led è mantenuta bassa per non consumare la batteria, il diodo zener in serie fa spegnere il led quando la tensione scende sotto i 7V, questo per segnalare batteria scarica.

L'integrato LM358 ha la funzione di amplificare il segnale del Photo Diode. La configurazione di amplificatore a guadagno costante ci permette di avere una buona linearità su tutta la scala. Per avere un completo campo di utilizzo per tutta la scala di illuminazione da 0 a 20000 lux è necessario usare un commutatore a tre posizione per sostituire la resistenza del guadagno amplificatore. Le tre resistenze devono essere del tipo a strato metallico da 1% di precisione.

Il filtro passa basso in uscita dall'amplificatore composto da R2 e C1, serve a ridurre gli impulsi e i disturbi e linearizzare la lettura. Questo luxmetro nasce da una esigenza di acquisire fenomeni luminosi lenti come la diminuzione di flusso luminoso delle varie lampade a LED presenti in questo sito. Pertanto mantenendo una R2 da 10K il C1 può assumere un valore da 1 a 22uF. Nel caso si volessero vedere forme d'onda veloci relative alla luce pulsata, tipica di lampade neon a 50Hz o neon con ballast elettronici, o altre lampade non a filamento, consiglio un C1 da 10nF, è possibile una lettura con oscilloscopio anche senza filtro ma il disturbo introdotto potrebbe essere alto e va valutato caso per caso. Un condensatore da 1uF ci da una frequenza di taglio da 10Hz, valore buono per uso con voltmetro digitale, da 2-3 letture/s.

Il secondo stadio del LM358 è solamente un inseguitore con guadagno 1 utile per disaccoppiare l'uscita.

Sull'uscita troviamo il trimmer cermet multigiro, che dovremmo tarare per avere il giusto valore millivolt/Lux. Per avere un campo di funzionamento lineare e non saturare l'amplificatore è bene avere valori massimi non superiori ai 1,5-2,0V.

L'uscita per oscilloscopio non è condizionata dalla regolazione del trimmer, questo per usufruire della massima escursione di segnale, utile per fare diagrammi a pieno schermo.

*Realizzazione*
La realizzazione del LUX-METER comporta avere delle conoscenze di elettronica, è necessaria un'attrezzatura ed esperienza nei montaggi elettronici. Non si risponde per danni a cose e persone e per un uso improprio della realizzazione.
La costruzione è facile, anche senza la realizzazione del circuito stampato. Basta usare una basetta millefori di piccola dimensione adatta a essere fissata all'interno di una scatola per montaggi elettronici. Il sensore può essere fissato all'esterno su un lato della scatola e bloccato con un po’ di colla. I terminali piegati verso l'interno e saldati ai cavetti. Prestare un po’ di cura nella sistemazione dei cavi e commutatori e connettori, anche l'occhio vuole la sua parte. E' necessario realizzare un'etichetta per la posizione del commutatore del guadagno, sopra segneremo in corrispondenza della posizione: 1X 10X 100X

Per calibrare lo strumento è necessario avere un luxmetro di riferimento. I due sensori vanno posizionati nella stessa direzione della fonte di luce. (per comodità di foto sono entrambi appoggiati sul tavolo, ma la scatola con il circuito deve essere posizionata in verticale con il sensore verso l'alto.) I due sensori devono essere orientati verso la fonte di luce, utilizzare una luce con filamento a Tungsteno, la fonte di luce deve essere lontana il più possibile così da avere raggi paralleli e verticali su entrambi i sensori e di uguale intensità. Tarare il trimmer R3 in funzione da avere in uscita 1mV/Lux. Verificare la lettura dei valori anche sulle scale 10X e 100X confrontandoli con il luxmetro campione. Una volta tarato usufruendo delle tre scale potremmo leggere valori da 1 a 20000 lux. Anche oltre se lo strumento di lettura è un multimetro. 1,00Volt sulla scala 100X corrispondono a 100000 lux. (100000 lux sono maggiori della luce del sole estivo.)
Con lo strumento tarato è anche possibile usare un voltmetro digitale da 200mV fondo scala. Il tutto può essere assemblato nella stessa scatola per avere un unico strumento di misura. E' bene mantenere le alimentazioni separate, o se si vuole utilizzare 1 sola pila da 9V essere sicuri di avere il negativo in comune. Il consumo del Luxmetro è di qualche mA, come pure il voltmetro digitale LCD. L'autonomia con 1 comune batteria da 9V supera le 100 ore.

Il sensore BPW20 viene fissato con un po’ di colla, come pure la rondella di ferro. La rondella in ferro serve per proteggere dai colpi il photodiode e per fissare la cupola diffusore.

La cupola diffusore è stata ricuperata da una lampada a batteria con luce diffusa. Due piccole calamite incollate a filo, dentro la cupola, permettono il fissaggio non permanente all'anello in ferro. Togliendo la cupolina possiamo così avere la massima sensibilità per il sensore, quando è necessario acquisire deboli segnali luminosi.

Collegamento a un Oscilloscopio digitale.
Per fare acquisizioni di lunga durata del flusso luminoso collegheremo l'uscita Scope del Luxmetro ad un oscilloscopio digitale. Ottima accoppiata è usare il Hantek DSO2150 USB, che presenta una base tempi minima di 1h/div potendo quindi acquisire a schermo, fenomeni da 10 ore di durata. Quasi nessun Oscilloscopio Digitale di marca presenta una base tempi con valori così bassi, in genere ci si ferma 5s/div. In alternativa è possibile usare un multimetro USB ed acquisire i valori di tensione letti dal Luxmetro, dopo sarà possibile creare un diagramma usando Excel. La misura va fatta portando al 90% il cursore con piena luce, semplicemente allontanando o avvicinando la fonte di luce dal Luxmetro, agire poi anche su 10X o 100X per attenuare un forte segnale che potrebbe saturare il segnale di ingresso. Il segnale è saturo, quando avvicinando ulteriormente la fonte di luce, non abbiamo aumenti di segnale, in questo caso allontanare la fonte di luce per fare scendere di almeno un 20% il segnale massimo. La misura della luce in scarica batteria, va fatta coprendo con una scatola il luxmetro e la fonte di luce, questo per non condizionare la misura con la luce ambiente.	Piccola torcia a led, sotto esame. Manca la scatola scura che scherma la luce ambiente.


Esempio di acquisizione flusso lampada a led, correlato a tensione batteria. Curva di flusso in funzione della scarica batterie relativa al Luxeon 3W alimentato a 2.16W 4x2700mA Si nota che con tensione di 4.0V il flusso luminoso sia ancora del 50%. Le batterie ancora calde erano appena state ricaricate, questo spiega la tensione iniziale di 5.8V e il picco di luce iniziale.

Roberto Chirio è a disposizione per consulenze nel campo illuminotecnico. Contattare:

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Semplice strumento con uscita analogica

adatto per misure di illuminamento relativo.