Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną

ghost666 06 Lis 2019 15:15 1194 7
  • Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną
    Pytanie: Jak mogę mierzyć intensywność światła z różnych źródeł oświetlenia?

    Odpowiedź: To proste - weź czerwoną, zieloną i niebieską diodę elektroluminescencyjną.

    Określenie intensywności światła może być w kluczowe w wielu aplikacjach, na przykład, jeśli chcesz zaprojektować oświetlenie pokoju lub przygotować się do sesji zdjęciowej. Jednakże w erze Internetu Rzeczy (IoT) taki pomiar odgrywa również ważną rolę w na przykład rolnictwie czy hodowli roślin. Tutaj jednym z kluczowych zadań jest monitorowanie i kontrolowanie ważnych parametrów roślin, które przyczyniają się do maksymalizacji ich wzrostu i przyspieszania fotosyntezy. Światło jest tym samym jednym z najważniejszych czynników, jakie trzeba monitorować. Większość roślin zazwyczaj absorbuje światło w długościach fal koloru czerwonego, pomarańczowego oraz niebieskiego i fioletowego obszaru widma widzialnego. Z kolei światło o długości fal koloru zielonego i żółtego obszaru widma jest odbijane od liści i tylko nieznacznie przyczynia się do wzrostu rośliny. Poprzez kontrolowanie poszczególnych części widma i intensywności ekspozycji na światło w różnych etapach życia, można zmaksymalizować wzrost rośliny i tym samym zwiększyć wydajność uprawy.

    Odpowiedni projekt obwodu do pomiaru natężenia światła w widmie widzialnym, w którym rośliny są aktywne fotosyntetycznie, pokazano na rysunku 1. Zastosowano tutaj trzy różnokolorowe fotodiody (na przykład wyposażone w odpowiednie filtry - zielony, czerwony i niebieski), które reagują na różne długości fali. Natężenie światła, które mierzone jest za pomocą fotodiod, można teraz wykorzystać do sterowania na przykład źródłem sztucznego światła zgodnie z wymaganiami konkretnych upraw.

    Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną
    Rys.1. Schemat ideowy układu do pomiaru intensywności światła


    Przedstawiony tutaj obwód składa się z trzech precyzyjnych stopni konwersji prądu na napięcie (wzmacniaczy transimpedancyjnych), po jednym dla każdego koloru - zielonego, czerwonego i niebieskiego. Są one połączone z wejściami różnicowymi przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) typu sigma-delta, który dostarcza zmierzone wartości jako dane cyfrowe dalej, na przykład do mikrokontrolera, gdzie są dalej przetwarzane.

    Konwersja wartości natężenia światła na prąd

    W zależności od natężenia światła padającego na fotodiody przez element ten przepływa mniej lub więcej prądu. Związek między natężeniem prądu a natężeniem światła jest w przybliżeniu liniowy, co zilustrowano na rysunku 2. Pokazuje on charakterystyczne krzywe prądu wyjściowego jako funkcję natężenia światła dla czerwieni (CLS15-22C / L213R / TR8), zieleni (CLS15 -22C / L213G / TR8) i dla niebieskiej fotodioda (CLS15-22C / L213B / TR8).

    Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną
    Rys.2. Krzywe charakterystyczne fotodiod czerwonej, zielonej i niebieskiej (zależność płynącego prądu do natężenia światła padającego na strukturę diody


    Jednak względne czułości diod czerwonych, zielonych i niebieskich są różne, więc wzmocnienie każdego stopnia musi być określone oddzielnie przez rezystancję sprzężenia zwrotnego RFB. W tym celu należy sprawdzić prąd zwarciowy (ISC) każdej fotodiody z jej karty katalogowej, a następnie jej czułość S (pA/lux) w wyznaczonym z tego prądu punktu pracy. rezystancja RFB jest następnie obliczane w następujący sposób:

    $$R_{FB} = \frac {V_{FS, p-p}} {S \times IN_{MAX}}$$

    gdzie VFS,P-P to napięcie międzyszczytowe pełnego wyjścia, a INTMAX to maksymalne natężenie światła - bezpośrednie ostre słońce to 120 tysięcy luksów.

    Konwersja prąd-napięcie

    Dla zwiększenia jakości konwersji prądu na napięcie, potrzebny jest jak najmniejszy prąd polaryzacji wejścia wzmacniacza operacyjnego. Ponieważ prąd wyjściowy fotodiody jest w zakresie pikoamperów, zbyt duży pobór prądu przez wejście op-ampa może powodować powstawanie znacznych błędów. Powinno się dobrać również układ z niskim napięciem przesunięcia (offsetem wejściowym). Z prądem polaryzacji równym (typowo) 1 pA i maksymalnym napięciem przesunięcia równym 1 mV, układ AD8500 od Analog Devices jest dobrym wyborem dla tego rodzaju zastosowań.

    Konwersja analogowo-cyfrowa

    W celu dalszego przetwarzania zmierzonych wartości, prąd fotodiody, który najpierw został przekształcony w napięcie, musi być dostarczony do mikrokontrolera jako wartość cyfrowa. W tym celu można zastosować przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) z wieloma wejściami różnicowymi, taki jak na przykład 16-bitowy przetwornik AD7798. Zatem kod wyjściowy zmierzonego napięcia jest następujący:

    [tex]Kod = \frac {2^N \times A_{IN} \times G} {V_{ref}}[/tex[

    gdzie AIN to napięcie wejściowe, N to liczba bitów, G to wartość wzmocnienia wewnętrznego wzmacniacza ADC, a Vref to zewnętrzne napięcie odniesienia, podane na przetwornik.

    Dla dalszej redukcji szumu w sygnale dodaje się filtr różnicowy i współbieżny, na każdym z różnicowych wejść przetwornika analogowo-cyfrowego. Wszystkie pokazane powyżej elementy charakteryzują się wyjątkową oszczędnością energii, dzięki czemu idealnie nadają się do przenośnych systemów zasilanych bateryjnie.

    Podsumowanie

    W tego rodzaju projekcie należy wziąć pod uwagę różne źródła błędów, takie jak prądy polaryzacji i napięcia offsetu różnych komponentów. Również niekorzystne współczynniki wzmocnienia na poziomie konwertera mogą wpływać na jakość pomiaru, a tym samym na wynik działania obwodu. W obwodzie pokazanym na rysunku 1 natężenie światła można przekształcać na wartość elektryczną w celu dalszego przetwarzania danych w stosunkowo prosty sposób.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-166.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9461 postów o ocenie 7212, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    osctest1
    Poziom 19  
    @ghost666 czy schemat ideowy o wielkości uniemożliwiającej zobaczenie czegokolwiek jest działaniem celowym?
  • #3
    oskar777

    Poziom 26  
    Dodam
    Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną

    Niby fajnie ale jakie są to fotodiody, skąd dorwać te filtry i jak to wyskalować w domowych warunkach.
  • #4
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Dzięki za dużą grafikę - nie wiem czemu się nie ładują zawsze tak samo.

    oskar777 napisał:
    Niby fajnie ale jakie są to fotodiody, skąd dorwać te filtry i jak to wyskalować w domowych warunkach.


    Jest w artykule przecież - czerwieni (CLS15-22C/L213R/TR8), zieleni (CLS15 -22C/L213G/TR8) i niebieski (CLS15-22C/L213B/TR8).


    Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną
  • #5
    Pittt
    Poziom 31  
    Są też prostsze układziki np. TCS3200D. Niedrogie i znane od dawna.
  • #6
    Marek_Skalski
    Moderator DIY
    Oto piękny przykład jak można sobie utrudnić prostą rzecz. Jak ktoś ma dużo czasu i pieniędzy, to może projektować płytki pod kątem prądów mierzonych w pA i wstawiać drogie układy. Przykładowo:
    AD7798 ~40 PLN,
    AD8500 ~8,00 PLN,
    CLS15-22C/L213R/TR8 - ~4,12 PLN, ale trudno dostępne ze względu na ograniczenia eksportowe (EAR). MOQ 2000 sztuk.
    CLS15 -22C/L213G/TR8 - ~4,12 PLN, ale trudno dostępne ze względu na ograniczenia ograniczenia eksportowe (EAR)
    CLS15-22C/L213B/TR8 - ~4,12 PLN, ale trudno dostępne ze względu na ograniczenia ograniczenia eksportowe (EAR)
    Całość będzie kosztować ponad 80 PLN.

    Dla porównania, układ APDS-9960 - znacznie mniejszy, mierzący w szerszym zakresie (0-20000 lux), zużywający mniej prądu, a do tego wyposażony w interfejs do rozpoznawania gestów, kosztuje ~8,00 PLN. 10x taniej i większe możliwości.

    TCS był droższy, a od pewnego czasu już jest NRND.
  • #7
    klamocik
    Poziom 27  
    Przecież takie coś było już dawno najpierw panele selenowe teraz krzemowe i byle jaki amperomierz, dzisiaj amatorsko panel z lampki solarnej i amperomierz.
  • #8
    oskar777

    Poziom 26  
    Ja bym chciał moduł spektofotometru nie kosztującego tyle co pół wypłaty. Liczę, że z czasem coś się pojawi.