$2 za prototyp PCBs
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.
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).
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
