Как преобразовать интенсивность освещения в электрическую величину

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2019

Thomas Brand, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

Как измерить интенсивность освещения, создаваемого различными источниками света?

 

Ответ:

Возьмите красный, зеленый, синий светодиод.

Определение уровня освещенности может иметь большое значение, например, при разработке схемы освещения комнаты или при подготовке к фотосессии. Однако в эпоху Интернета вещей (IoT) это также играет важную роль в так называемом умном сельском хозяйстве. Одной из ключевых задач здесь является мониторинг и контроль важнейших параметров растений, способствующих их максимальному росту и ускорению фотосинтеза. Таким образом, свет является одним из наиболее важных факторов. Большинство растений обычно поглощает свет в красной, оранжевой, синей и фиолетовой областях видимого спектра. Как правило, на длинах волн, соответствующих зеленой и желтой областям спектра, свет отражается и лишь незначительно способствует росту. Контролируя в разных частях спектра количество падающего света на разных этапах жизни растения, можно до максимума увеличить скорость его роста и, в конечном итоге, увеличить урожай.

Соответствующая схема для измерения интенсивности света в видимом спектре, в котором растения являются фотосинтетически активными, показан на Рисунке 1. Здесь используются три разноцветных фотодиода (зеленый, красный и синий), реагирующие на свет с различными длинами волн. Интенсивность света, измеренная с помощью фотодиодов, теперь может использоваться для управления источником света в соответствии с требованиями соответствующих растений.

Рисунок 1.	Схема для измерения интенсивности освещения.

Показанная здесь схема состоит из трех каскадов точных преобразователей ток-напряжение (трансимпедансных усилителей), по одному для каждого из цветов: зеленого, красного и синего. Они подключены к дифференциальным входам Σ-Δ аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который, например, в цифровой форме передает измеренные значения в микроконтроллер для дальнейшей обработки.

Преобразование освещенности в ток

В зависимости от интенсивности света, через фотодиоды протекает больше или меньше тока. Зависимость тока от освещенности приблизительно линейна, что видно из Рисунка 2. На этом рисунке показаны зависимости выходных токов от уровня освещенности для красного (CLS15-22C/L213R/TR8), зеленого (CLS15-22C/L213G/TR8) и синего светодиодов (CLS15-22C/L213B/TR8).

Рисунок 2.	Зависимости выходных токов от уровня освещенности для красного, зеленого и синего фотодиодов.

Однако относительная чувствительность красного, зеленого и синего диодов различна, поэтому усиление каждого каскада должно определяться отдельно через сопротивление обратной связи R_FB. Для этого ток короткого замыкания (I_SC) каждого диода должен быть взят из таблицы данных, а затем из него определена чувствительность S (пА/лк) в рабочей точке. R_FB затем рассчитывается следующим образом:

где

V_FS,P-P – желаемый полный диапазон выходных напряжений (напряжение полной шкалы, пик-пик),
INT_MAX – максимальный уровень освещенности, равный 120,000 лк для прямого солнечного света.

Преобразование тока в напряжение

Для высококачественного преобразования тока в напряжение желательно иметь операционный усилитель с минимальным током смещения, поскольку выходной ток фотодиода находится в диапазоне пикоампер и, следовательно, может вызвать значительные ошибки. Кроме того, напряжение смещения также должно быть низким. Хорошим выбором для таких приложений будет выпускаемая Analog Devices микросхема AD8500 с типовым током смещения 1 пА и максимальным напряжением смещения 1 мВ.

Аналого-цифровое преобразование

Для дальнейшей обработки измеренных значений ток фотодиода, который сначала был преобразован в напряжение, должен быть передан в микроконтроллер в цифровом виде. Для этих целей можно использовать АЦП с несколькими дифференциальными входами, такой, например, как 16-битный АЦП AD7798. Выходной код для измеренного напряжения выражается следующим образом:

где

Code – выходной код,
A_IN – входное напряжение,
N – количество бит,
GAIN – коэффициент передачи внутреннего усилителя,
V_REF – напряжение внешнего опорного источника.

Для еще большего уменьшения шума к каждому из дифференциальных входов АЦП подключен синфазный и дифференциальный фильтр.

Все изображенные компоненты потребляют чрезвычайно мало энергии, что делает схему идеальной для использования в полевых условиях в устройствах с батарейным питанием.

Заключение

Необходимо учитывать источники ошибок, такие как токи смещения и напряжения смещения компонентов. Кроме того, влиять на качество и, следовательно, на результаты измерений могут неправильно подобранные коэффициенты усиления каскадов преобразователей. С помощью схемы, показанной на Рисунке 1, интенсивность освещения сравнительно простым способом может быть преобразована в электрическую величину для дальнейшей обработки данных.

Материалы по теме