RGB-сенсор на светодиодах

Texas Instruments LM358 OPT101 TL431A

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2019

М.П. Басков
О.Д. Левашов

В статье описывается RGB-сенсор падающего светового потока, использующий цветные светодиоды в качестве узкоспектральных фоточувствительных элементов.

В процессе макетирования RGB-сенсора были проверены светодиоды из имеющихся в наличии партий. Однако самые лучшие результаты получены c noname сверхъяркими цветными светодиодами диаметром 3 мм, приобретенными на AliЕxpress (Рисунок 1).

Спектральная характеристика RGB-сенсора.
Рисунок 1. Спектральная характеристика RGB-сенсора.

Для R-сенсора использован красный светодиод, для G-сенсора – желтый, а в качестве В-сенсора – желто-зеленый. RGB-сенсор изготовлен в виде работающей конструкции c размерами 80×100×30 мм и используется в практической деятельности лаборатории (Рисунок 2).

Фоточувствительные элементы снабжены 10-градусными объективами, заключенными в тубусы, защищающими их от боковой засветки.

Внешний вид RGB-сенсора.
Рисунок 2. Внешний вид RGB-сенсора.

Принципиальная схема RGB-сенсора представлена на Рисунке 3. Каналы R, G, B идентичны, за исключением величины резистора R7, которая указана условно и зависит от чувствительности использованных светодиодов. Конденсатор С1 ограничивает полосу пропускания усилителя и не является обязательным. Резистор R3 служит для установки нуля на выходе усилителя A2 при затемненном фотоприемнике V1. Хотя включение фотоприемника в фотовольтаическом режиме обеспечивает нелинейное преобразование светового потока в напряжение, однако обеспечивает высокую чувствительность и низкий уровень собственных шумов.

Принципиальная схема RGB-сенсора.
Рисунок 3. Принципиальная схема RGB-сенсора.

При конструировании сенсора главное внимание нужно уделять экранировке платы, включая объективы в зоне установки фотоприемников. Плохая экранировка не позволит получить корректные результаты!

Настройка

Важнейшим этапом изготовления RGB-сенсора является процесс настройки, для которой нам будет нужен источник RGB света на основе мощных цветных светодиодов, ток через которые регулируется в широких пределах.

Для получения корректных и стабильных результатов в процессе настройки требуется лабораторный стенд, который в простейшем случае представляет собой отрезок мебельной панели длиной 50 см, на одном конце которой будут размещены и зафиксированы источники света, на другом – фотоприемники. Светодиоды RGB-излучателя должны быть закреплены на радиаторах, исключающих повышение температуры кристалла выше 50 градусов, так как повышение температуры сопровождается изменением яркости, и результаты будут «плыть». На светодиоды установлены 10-градусные объективы (без линз), наружный торец которых заклеен светорассеивающей пленкой, например, малярным скотчем, который достаточно прозрачен для света. Таким образом мы получаем плоский косинусный источник света, не имеющий четко выраженной диаграммы направленности.

Для измерения освещенности нам потребуется фотометр, описанный в конце статьи, так как недорогие люксометры имеют зависимость показаний от длины волны падающего излучения и для наших целей непригодны.

Первый этап настройки

Расположив фотометр на расстоянии 30 см от блока светодиодов, как это показано на Рисунке 4а, поочередно включаем светодиоды, каждый раз располагая фотометр на геометрической оси излучателя (желательно эти оси обозначить до начала настройки). Запоминаем токи светодиодов, при которых световой поток F от них будут одинаков, т.е. ΦR = ΦG = ΦB.

Положение приборов на стенде при настройке RGB-сенсора.
Рисунок 4. Положение приборов на стенде при настройке RGB-сенсора.

Измерение должно быть кратким, чтобы не допустить изменения светового потока из-за разогрева кристалла светодиода.

Второй этап настройки

На место фотометра ставим собранный и помещенный в корпус RGB-сенсор, так, как показано на Рисунке 4б. Включаем красный излучатель и изменяем сопротивление R7 для получения нужного усиления. Запоминаем выходное напряжение красного канала UR. Повторяем эти операции для зеленого и синего каналов, регулируя сопротивления R7 для получения на выходе каналов напряжения, равного напряжению UR, т.е. UG = U= UR.

Полосу пропускания усилителей сенсоров регулируем конденсаторами С1. В нашем случае мы ограничили полосу пропускания до 20 Гц, применив конденсаторы 22 нФ.

Настроенный таким способом RGB-сенсор вполне пригоден для практической работы, что показывает небольшой демонстрационный ролик, youtu.be/CMRrZ87bawI. При просмотре ролика желательно использовать экран с хорошей цветопередачей. В ролике хорошо видно, что камера смартфона «задирает» красный край спектра. А вот синие и фиолетовые тона воспроизводятся более адекватно.

Фотометр для настройки RGB-сенсора

И в заключение рассмотрим схему фотометра, который мы использовали при настройке RGB сенсора. Основой прибора является интегральная микросхема фотоприемника OPT101, широко используемая в медицинских исследованиях. Этот фотоприемник можно купить в «Чип и Дип» примерно за пятьсот рублей или заказать вдесятеро дешевле на AliЕxpress.

Спектральная характеристика интегрального фотоприемника OPT101.
Рисунок 5. Спектральная характеристика интегрального фотоприемника OPT101.

В техническом описании OPT101 имеется график спектральной чувствительности (Рисунок 5), зеркально отобразив который, получим график изменения коэффициента усиления корректирующего усилителя для получения равномерной спектральной характеристики.

В нашем случае значения коэффициента усиления составили:

  • KR (640 нм) – 3.25,
  • KG (525 нм) – 5.75,
  • KB (445 нм) – 7.4.

Исходя из этих значений, вычисляем сопротивления резисторов R1 – R3 по формулам:

Эти резисторы лучше сделать переменными, как показано на схеме Рисунок 6, выбрав их величины так, чтобы расчетное значение достигалось в среднем положении движка.

Принципиальная схема фотометра.
Рисунок 6. Принципиальная схема фотометра.

Фотометр желательно поместить в корпус, обеспечивающий хорошую экранировку. В нашем случае мы использовали фольгированный стеклотекстолит. Свет попадает на фотоприемник через отверстие в передней стенке диаметром 10 мм. Расстояние от фотоприёмника до передней стенки составляет также 10 мм для уменьшения паразитной засветки.

Настройка фотометра

Поскольку нам нужны относительные, а не абсолютные значения освещенности, настройка сводится к простой процедуре, заключающейся в подаче высокостабильного напряжения на вход А2-1 и установке необходимых коэффициентов усиления резисторами R1 – R3.

Предлагаемый фотометр вполне пригоден для настройки RGB-сенсора. Методика его применения проста. Например, измеряя световой поток от синего светодиода, мы устанавливаем переключатель SW1 в положение, при котором коэффициент усиления корректирующего усилителя соответствует синему цвету и т.д.

Заключение

Авторы не гарантируют, что для изготовления RGB-сенсора подойдут любые цветные светодиоды, поэтому при повторении прибора придется провести предварительное исследование светочувствительности светодиодов, имеющихся в наличии.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM358
  2. Datasheet Texas Instruments OPT101
  3. Datasheet Texas Instruments TL431A
 
Испытание RGB-сенсора падающего светового потока, использующего цветные
светодиоды в качестве узкоспектральных фоточувствительных элементов
LM358 Купить ЦенаКупить LM358 на РадиоЛоцман.Цены — от 1,60 до 3,45
5 предложений от 5 поставщиков
8-SOIC N Микросхемы Минимум 56шт.
AliExpress
Весь мир
Новый LM358 LM358P LM358N DIP-8 в наличии
1,60 ₽
Десси
Россия
Операционный усилитель LM358G SOP-8 T/R
Unisonic Technologies
14,43 ₽
РИВ Электроникс
Россия
LM358DR2G
ON Semiconductor
3,45 ₽
ЭФО
Россия
LM358ADGKR
Texas Instruments
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя