Простой датчик окружающего света с большим динамическим диапазоном

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

Окружающий свет все чаще используется в качестве источника энергии. Чтобы помочь разработчикам таких систем, в этой статье предлагается схема, с высокой точностью измеряющая интенсивность окружающего света в диапазоне четырех декад. Конструкция исключительно дешева, и если смонтировать ее в прозрачном водонепроницаемом корпусе, может использоваться для постоянных измерений в полевых условиях при любой погоде.

В качестве датчика в этой схеме используется выпускаемый компанией Vishay фотодиод BPW21R, который преобразует интенсивность окружающего света в пропорциональный фототок (Рисунок 1). Прямое измерение фотонапряжения не обеспечивает желаемого широкого динамического диапазона.

Поэтому КМОП таймер LMC555 преобразует фототок датчика BPW21R в импульсный сигнал пропорциональной частоты от 10 Гц до 100 кГц с уровнями TTL. Можно использовать любую другую эквивалентную микросхему таймера, но очень большое значение имеет качество компонента, от которого зависят динамический диапазон и точность измерений. Конденсатор C1 должен иметь диэлектрик групп NPO/COG или X7R. Наилучшие результаты будут получены с диэлектриком NPO/COG, имеющим самый низкий температурный коэффициент, при котором температурный дрейф частоты будет минимальным. Конденсатор C2 используется для фильтрации опорных напряжений компаратора.

Рисунок 1.	Эта схема демонстрирует недорогой способ измерения интенсивности окружающего света путем преобразования тока фотодатчика в пропорциональную частоту.

C1 и резистор R1 являются времязадающими элементами. Если время заряда зависит от фототока датчика BPW21R и емкости конденсатора C1, то время разряда C1 зависит от его емкости и сопротивления резистора R1. Поскольку частота выходного сигнала определяется как временем заряда, так и временем разряда, важно выбрать значение R1 таким, чтобы время разряда было как можно меньше. Для случая, изображенного на схеме, R1 = 1 кОм, C1 = 1 нФ, и время разряда равно 1 мкс.

Обратный темновой ток фотодатчика равен примерно 2 нА, а максимальный выходной ток короткого замыкания – порядка 60 мкА. Чувствительность элемента равна 9 нА/лк или 9 мкА/клк. Большой динамический диапазон позволяет использовать датчик при выходных токах от 10 нА до 50 мкА.

Длительность импульса (T_H) обратно пропорциональна интенсивности света и может использоваться для очень точных измерений. Длительность паузы (T_L) остается постоянной и практически не зависит от фототока, пока R1 не превышает 100 кОм. Величина R1 может выбираться в соответствии с конкретным приложением и с возможностями устройства измерения частоты.

Как уже отмечалось выше, при наличии высокоскоростного измерителя частоты идеальным значением сопротивления резистора R1 будет 1 кОм. Для медленных измерительных устройств, таких, например, как микроконтроллер, R1 можно увеличить даже до 100 кОм. С ростом сопротивления R1 снижается линейность схемы при больших токах фотодиода, поскольку длительности T_L и T_H становятся соизмеримыми.

Однако если вы будет измерять не частоту или период, а длительность импульсов T_H, тогда R1 можно смело увеличивать до 100 кОм, не опасаясь потери точности. Если сопротивление резистора R1 превышает 100 кОм, падение напряжения на нем становится существенным, а напряжение на фотодиоде, соответственно, уменьшается. Это смещает рабочую точку фотодатчика в нелинейную область, что, конечно же, нежелательно. Поэтому для выбора R1 наилучшим будет диапазон сопротивлений от 1 кОм до 100 кОм. Сопротивление резистора R2 равно 50 Ом, что позволяет передавать выходной сигнал к удаленному измерителю через несколько сотен метров коаксиального кабеля RG58.

Важным преимуществом описанной схемы является то, что напряжение источника питания может меняться от 5 В до 12 В, практически не влияя на точность работы. Это, а также низкий ток потребления схемы, позволяет использовать для питания устройства стандартную 9-вольтовую батарею.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LMC555