Das Magazin für Funk Elektronik · Computer

Praktische Elektronik
Einsatz neuer Sensoren
zur Messung der UV-Strahlung
Dr.-Ing. KLAUS SANDER
Mit wachsender Umweltschädigung geraten Ozonloch und zunehmende
UV-Strahlung immer mehr in den Mittelpunkt des allgemeinen Interesses.
Neuartige UV-Sensoren ermöglichen es nun auch dem Amateur, die UV-
Strahlung mit preiswerten Mitteln zu messen. Die Schaltungstechnik dieser
UV-Sensoren soll hier vorgestellt werden. Es geht dabei nicht um eine
fertige Bauanleitung, sondern um Anregungen für eigene Experimente.
Ohne Licht gibt es kein Leben. Zuviel kann
aber schaden. Und beim Zuviel spielt die
Wellenlänge eine entscheidende Rolle.
Das, was wir mit Licht bezeichnen, repräsentiert
nur einen geringen Ausschnitt aus
dem elektromagnetischen Spektrum. Es ist
der sichtbare Bereich. An diesen schließen
sich Infrarot-Strahlung (IR) am langwelligen
Ende und Ultraviolett-Strahlung (UV) am
kurzwelligen Ende an.
Abhängig von der Wellenlänge lassen sich
auch IR- und UV-Bereich unterteilen. Die
Teilbereiche werden mit A, B und C bezeichnet.
Tabelle 1 faßt die Wellenlängenbereiche
in einer Übersicht zusammen.
Mit der heute immer dünner werdenden
Ozonschicht und damit zunehmenden
Strahlungsintensitäten ist die Messung
der UV-Strahlung eine durchaus sinnvolle
Alternative gegenüber vorzeitiger Hautalterung,
Sonnenbrand oder Hautkrebs.
■ UV-Sensoren
Abgesehen von teuren Meßgeräten für
wissenschaftliche Zwecke wurden zur
UV-Messung bisher Silizium-Fotodioden
mit erhöhter Blauempfindlichkeit verwendet.
Der Nachteil ist leicht einzusehen:
Während echte UV-Sensoren nur den UV-
Bereich erfassen, werden bei denen mit
1078 • FA 10/95
erhöhter Blauempfindlichkeit auch Strahlungsanteile
im langwelligen sichtbaren
Bereich mit erfaßt. Um dieses Problem
auszuschließen wurden teure optische Filter
eingesetzt.
Seit kurzer Zeit wird ein neuer UV-Sensor
unter der Bezeichnung CUV 320 angeboten,
der auf Siliziumkarbid basiert. Er
reagiert nur auf Strahlung im Bereich
UV-A und UV-B. Die Zahl 320 gibt die
Wellenlänge an, bei der der Sensor die
maximale Empfindlichkeit aufweist.
In Tabelle 2 sind die Daten der CUV 320
zusammengefaßt. Die Abhängigkeit der
Empfindlichkeit von der Wellenlänge zeigt
das Diagramm in Bild 1.
Bei der CUV 320 in Standardausführung
können wir eine ausgeprägte Richtcharakteristik
feststellen. Diese Richtungsempfindlichkeit
ist reduziert bei der CUV 320
mit cos-Anpassung.
In Bild 2 sind die Richtungsempfindlichkeiten
sowohl für die CUV 320 in Standardausführung
als auch mit cos-Anpassung
angegeben.
Weitere Varianten der CUV320 sind lieferbar.
Diese beinhalten dann mehrere Chips
in einem Gehäuse. Das Foto (Bild 4) zeigt
eine CUV 320 mit einem bzw. mit zwei
Chips.
Bild 1:
Abhängigkeit
der Empfindlichkeit
von der
Wellenlänge
Bild 2:
Die Richtungsempfindlichkeit
der CUV 320
■ Sensorschaltung
Wie wir den Daten in Tabelle 2 entnehmen
können, liegt der Fotostrom der CUV 320
weit unter dem einer herkömmlichen Silizium-Fotodiode.Wir
benötigen also eine
sehr empfindliche Schaltung, die auch Picoampere
nachweisen kann. Bild 3 zeigt eine
solche Schaltung. Sie soll aber nur als Anregung
für eigene Experimente dienen.
Der erste OPV IC2 halbiert die Betriebsspannung,
so daß die Schaltung aus einer
einzigen Spannungsquelle versorgt werden
kann. OPV IC2.1 bildet einen Strom-Spannungswandler.
Die Spannung am Ausgang
berechnet sich zu
Ua = – Ie · R
wobei Ie der Fotodiodenstrom und R der
jeweils über den Schalter eingestellte
Rückkopplungswiderstand (R1, R2 oder
R3) ist. Die Ausgangsspanung beträgt je
nach Stärke der UV-Strahlung einige Millivolt.
IC1.2 verstärkt diese Spannung nochmals
um den Faktor
v = R12/R11.
Die am Ausgangs von IC 1.2 abgegebene
Spannung ist proportional zur UV-Strahlungsleistung
und kann mit einem Voltmeter
(1-V-Bereich) zur Anzeige gebracht
werden.
Durch die sehr kleinen Eingangsströme
müssen R1 bis R3 sehr groß sein. Für den
empfindlichsten Bereich muß R3 50 MΩ
betragen. Ein solcher Wert wird für den
Amateur kaum beschaffbar sein. Zudem
wirken sich Staub, Feuchtigkeit und andere
Verschmutzungen bei solch hochohmigen
Widerständen leicht aus. Die Zusammenschaltung
aus fünf Widerständen mit je 10
MΩ ist deshalb eine sinnvolle Alternative.
Die kleinen Eingangsgrößen erfordern auch
einen extrem rauscharmen Verstärker mit