Амплитудно-частотные характеристики фотоэлемента и TEMT6000

Не раз в обсуждениях приборов для измерения пульсаций освещенности мне попадались высказывания типа «зачем употреблять качественные и быстродействующие фотодиоды, когда достаточно взять фотоэлемент от садового светильника!»

Мне всегда интуитивно казалось, что использование фотоэлемента от копеешного садового светильника не позволит исследовать спектр пульсаций ламп в достаточной степени.

Разбирая недавно хлам на балконе я наткнулся на фотопанель от какого-то пауэрбанка.

Тут и возникла мысль — не измерить ли АЧХ этой штуки? 🙂

Для измерения АЧХ был сооружен простенький стенд. Для измерения выходного сигнала фотопанели был использован обыкновенный мультиметр в режиме измерения переменного напряжения.

Для освещения панели был применен красный светодиод, запитанный от генератора импульсов на Ардуино Нано через КТ854А. Никаких специальных требований к транзистору не выдвигалось, он просто попался первым в кассетнице и оказался приемлемым по параметрам: ток коллектора до 10А, ток базы до 3А, напряжение коллектор-эмиттер 600В, коэффициент усиления не менее 20.

Для генерации сигнала был использован Ардуино Нано с программой «Терминальная версия генератора» тов. dimax отсюда

Выходной сигнал генератора (меандр) подавался с ноги D9 на базу транзистора. В коллекторную цепь был включен красный светодиод с ограничительным резистором 470 ом.

Излучающий диод был размещен над фотопанелью и вся конструкция была накрыта коробкой для устранения влияния внешнего паразитного освещения.

Далее с клавиатуры задавалась частота генерации и снимался выходной сигнал с фотопанели.

Результаты были занесены в эксель, построен график:

Зеленые цифры 0.44 — это рассчитанное значение 0.8 от значения 0.55 на частоте 100 Гц, принятого за 100% сигнала.

Красным помечено значение 168 гц, на котором выходной сигнал фотопанели уменьшился до 0.8 от максимума и эта частота является предельной по уровню 0.8.

Проделав это исследование я вспомнил, что покупал на Али еще и датчики TEMT6000. Раз уж измерительный стенд собран — исследую еще и этот прибор. Результат представлен на следующем рисунке:

Частота среза АЧХ по уровню 0.8 для TEMT6000 составила 540 Гц.

Надо отметить, что графики формально неправильные, по оси Х частота отложена неравномерно. причина в том что я искал частоту среза методом половинного деления. Поэтому вблизи среза АЧХ точки гуще.

Для контроля излучения светодиода был применен самодельный прибор для измерения параметров светового потока, способный отображать как форму сигнала, так и спектр с расчетом пика. Прибор показал, что до частоты 200 КГц сигнал по амплитуде не изменился. Далее я не проверял.

В качестве приемника светового излучения в приборе использован фотодиод SFH229.

Выводы:

Частота среза АЧХ по уровню 0.8 для фотопанели составила 168 Гц.

Частота среза АЧХ по уровню 0.8 для TEMT6000 составила 540 Гц.

Учитывая, что частота пульсаций для осветительных приборов нормируется до частоты 300 Гц, использование ни фотопанели, ни TEMT6000 для целей измерения пульсаций невозможно из-за недостаточных частотных свойств этих приборов.

В реальности светодиодные лампы могут давать сильные пульсации на частотах в районе сотни килогерц. Например мощная лампа в 15 ватт дает пик пульсации на частоте 73 КГц.

Очевидно, что для исследования таких пульсаций светового потока никакие фотопанели непригодны в принципе.

Адекватный результат дают только быстродействующие фотодиоды.

И в заключение ещё пара изображений:

Форма сигнала со светодиодной лампы:

Спектр этого же сигнала: