Jak převést intenzitu osvětlení na elektrickou veličinu

autor článku: Thomas Brand, Analog Devices

Otázka:

RAQ166 1

 

Odpověď:

Pomocí červené, zelené a modré fotodiody.

Určení intenzity osvětlení může být zásadní úlohou např. pokud chcete navrhnout osvětlení místnosti nebo pokud se chystáte udělat fotografii. V éře internetu věcí (IoT) však hraje tato úloha také zásadní roli v tzv. „inteligentním zemědělství“. Zde je jedním z klíčových požadavků sledování a řízení parametrů důležitých pro rostliny, které přispívají k maximalizaci růstu a urychlení fotosyntézy. Světlo se tímto stává jedním z nejdůležitějších činitelů. Většina rostlin obvykle pohlcuje světlo vlnových délek odpovídajících červené, oranžové, modré a fialové části viditelného spektra, zatímco v oblasti zelené a žluté je světlo odraženo a zpravidla přispívá k růstu jen velice málo. Řízením částí spektra a intenzity expozice v různých stádiích života rostliny je možné maximalizovat růst a zásadním způsobem také zvýšit úrodu.

Na obr. 1 je vidět návrh obvodu pro měření intenzity osvětlení v celém viditelném spektru, v němž jsou rostliny fotosynteticky aktivní. Jsou zde použity tři fotodiody citlivé na tři různé vlnové délky odpovídající zelené, červené a modré. Intenzita osvětlení měřená pomocí těchto fotodiod může sloužit pro řízení zdroje světla dle požadavků daných rostlin.

Obvod na obrázku je tvořen třemi přesnými stupni pro převod proudu na napětí (trans-impedančními zesilovači), jedním pro každou z barev - zelené, červené a modré. Jejich výstupy jsou připojeny k diferenciálním vstupům AD převodníku ∑-∆, který např. poskytuje měřené hodnoty ve formě digitálních dat pro mikrokontrolér k dalšímu zpracování.

 

RAQ166 2

Obr. 1  Návrh zapojení pro měření intenzity osvětlení

 

  RAQ166 3

Obr. 2  Převodní charakteristiky intenzity osvětlení pro červenou, zelenou a modrou fotodiodu

 

Převod intenzity osvětlení na proud

V závislosti na intenzitě osvětlení protéká fotodiodami větší nebo menší proud. Závislost mezi proudem a intenzitou osvětlení je přibližně lineární, což je vidět na obr.2. Graf ukazuje charakteristiky výstupního proudu jako funkce intenzity osvětlení pro červenou (CLS15-22C/L213R/TR8), zelenou (CLS15-22C/L213G/TR8) a modrou fotodiodu (CLS15-22C/L213B/TR8). Relativní citlivosti jednotlivých fotodiod se liší, a proto zesílení každého stupně musí být určeno zvlášť prostřednictvím velikosti zpětnovazebního odporu RFB. K tomu je třeba zjistit proud každé z diod nakrátko (ISC) a dále odečíst hodnotu citlivosti S (pA/lux) v pracovním bodu od ní odvozeném. Pro hodnotu RFB potom platí:

RAQ166 4

kde VFS, P-P je plný požadovaný rozsah výstupního napětí špička špička a INTMAX maximální intenzita osvětlení, která je 120 000 lux pro přímé sluneční světlo.

Převod proudu na napětí

Pro vysoce kvalitní převod proudu na napětí je třeba, aby vstupní proud operačního zesilovače byl co nejmenší, jelikož proud fotodiody je řádu pikoampérů a vstupní proud OZ může tudíž do převodu zanášet značné chyby. Nízká hodnota napěťové nesymetrie vstupů OZ je rovněž žádoucí. Při vstupním proudu typicky 1 pA a maximální napěťové nesymetrii vstupů 1 mV je OZ AD8500 Analog Devices, Inc. vhodným typem pro tyto aplikace.

Převod A-D

K dalšímu zpracování naměřených hodnot je třeba proudy fotodiod, které již byly převedeny na napětí připravit pro mikrokontrolér v podobě digitálních dat. K tomuto účelu lze použít převodníky s vícenásobnými diferenciálními vstupy, takové jako 16bitový AD převodník AD7798. V tomto případě pro výstupní kód měřeného napětí platí:

RAQ166 5

kde
AIN = vstupní napětí,
N = počet bitů,
GAIN = činitel zisku vnitřního zesilovače,
VREF = vnější referenční napětí

Pro snížení šumu jsou na každém z diferenciálních vstupů AD převodníku filtry souhlasného i nesouhlasného módu. Všechny popsané součástky jsou energeticky velice nenáročné, a zapojení se tudíž ideálně hodí pro přenosná zařízení napájená z baterií.

Závěr

Je třeba vzít v úvahu zdroje chyb součástek, jako jsou vstupní proud a napěťová nesymetrie vstupů OZ. Nepříznivé činitele zesílení stupně převodníku mohou také ovlivnit kvalitu zpracování signálu a tudíž i výsledek. S použitím zapojení na obr. 1 je možné intenzitu osvětlení převést na elektrickou veličinu k dalšímu zpracování relativně jednoduchým způsobem.