Zaloguj się
Wszystkie
17 kwietnia 2023
588
Artykuł otwiera krótką serię publikacji poświęconych wybranym zagadnieniom, związanym z nowoczesnymi czujnikami optycznymi. W pierwszej kolejności skupimy się na coraz liczniejszych grupach sensorów natężenia światła, czujnikach zbliżeniowych oraz specjalistycznych elementach przeznaczonych do pomiaru odległości w szerokim zakresie. W naszej prezentacji pokażemy wprawdzie przede wszystkim sensory scalone, ale przy okazji – tam, gdzie będzie to uzasadnione – zahaczymy także o rozwiązania modułowe.
Elementy optoelektroniczne stanowią obecnie – obok układów scalonych – jedną z najbardziej rozbudowanych i zróżnicowanych grup komponentów. W wielu aplikacjach zastąpienie czujników optycznych jest oczywiście niemożliwe, co wynika wprost z właściwości danego obiektu lub zjawiska – dość powiedzieć chociażby o kolorymetrii czy też badaniach optycznych parametrów próbek biologicznych. Inne urządzenia korzystają natomiast z czujników optycznych z diametralnie odmiennych pobudek – przykładowo, pomiary odległości z użyciem lasera zapewniają duży zasięg i doskonałą zbieżność wiązki sondującej (w przeciwieństwie do dalmierzy ultradźwiękowych).
Czujniki i konwertery natężenia światła
Najprostszą realizacją czujnika natężenia światła może być fotorezystor lub fototranzystor, pracujący w układzie dzielnika napięciowego – sygnał wyjściowy, w postaci napięcia zależnego od jasności padającego na fotoelement promieniowania, wystarczy zmierzyć za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego czy też nawet poddać dyskretyzacji za pomocą komparatora. Takie banalnie proste rozwiązanie ma jednak szereg wad, które szczególnie uwidaczniają się w energooszczędnych urządzeniach mobilnych bądź czujnikach IoT – szeregowa rezystancja dzielnika (w warunkach silniejszego oświetlenia) zawiera się zwykle w przedziale od kilku do kilkudziesięciu kiloomów, co przekłada się na ciągły pobór prądu w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset mikroamperów. Można rzecz jasna zastosować dyskretny klucz tranzystorowy, załączający czujnik tylko na czas pomiaru, ale wiązałoby się to z zajęciem dodatkowego miejsca na PCB oraz… następnej linii GPIO mikrokontrolera.
Kolejny problem to zakres dynamiki pomiaru – skutecznie działający czujnik ALS (ambient light sensor) powinien być w stanie pracować zarówno w silnym, bezpośrednim oświetleniu słonecznym, jak i w delikatnym świetle sztucznym wewnątrz ciemnego pomieszczenia. Co więcej – dolny zakres czułości sensora powinien umożliwiać także pracę za częściowo zaciemnionym okienkiem optycznym, np. znajdującym się tuż nad ekranem smartfona. Dyskretna realizacja takiego układu wymagałaby zatem zastosowania ADC o dużej rozdzielczości, znacznie przewyższającej osiągi przetworników, jakie można znaleźć w znakomitej większości współczesnych mikrokontrolerów.
Inną kwestią jest nieliniowość – w przypadku fototranzystorów i fotorezystorów jest ona szczególnie silna, co stanowi problem w układach wymagających większej dokładności pomiaru. Co prawda istnieje możliwość zastosowania w ich miejsce fotodiody krzemowej, jednak ta w praktyce wymaga użycie wzmacniacza transimpedancyjnego.
Jak widać z przytoczonych powyżej przykładów, nawet tak pozornie nieskomplikowane zadanie, jakim jest określenie (choćby przybliżonego) poziomu jasności otoczenia wiąże się z szeregiem niedogodności lub koniecznych kompromisów. Z tego też względu producenci półprzewodników prześcigają się w coraz nowszych konstrukcjach scalonych czujników ALS, umożliwiających wygodny, dokładny i energooszczędny pomiar natężenia światła zewnętrznego.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
