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 (TH) обратно пропорциональна интенсивности света и может использоваться для очень точных измерений. Длительность паузы (TL) 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 TL и TH становятся соизмеримыми.
Однако если вы будет измерять не частоту или период, а длительность импульсов TH, 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.
Купить LMC555 на РадиоЛоцман.Цены
