Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Rzadko zadawane pytania: jak zmienić natężenie światła w wartość elektryczną

ghost666 06 Nov 2019 15:15 1914 7
Computer Controls
  • 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

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    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 wrote 11506 posts with rating 9724, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls
  • #2
    osctest1
    Level 21  
    @ghost666 czy schemat ideowy o wielkości uniemożliwiającej zobaczenie czegokolwiek jest działaniem celowym?
  • Computer Controls
  • #3
    oskar777

    Level 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
    Translator, editor
    Dzięki za dużą grafikę - nie wiem czemu się nie ładują zawsze tak samo.

    oskar777 wrote:
    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
    Level 32  
    Są też prostsze układziki np. TCS3200D. Niedrogie i znane od dawna.
  • #6
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    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
    Level 32  
    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

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