Сензори за околна светлина

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2010

    оточувствителните прибори, които превръщат интензивността (Irradiance) E на светлината в електрически сигнал, са известни отдавна като фотоприемници и имат многобройни приложения. Съвременна и бързо развиваща се тяхна част са сензорите за околна светлина (Ambient Light Sensor) ALS, използвани преди всичко за автоматично регулиране на излъчваната светлина от различни източници в зависимост от околната. За дисплеите на преносимите компютри и телефони, в автомобилите, в индустриалните системи за контрол и на много други места това позволява минимизиране консумацията на електроенергия и получаване на качествено изображение независимо от околната светлина. Същевременно при продължителна работа пред екран се осигурява намаляване на умората на оператора чрез оптимална интензивност на светлината (светлосинята зона на фиг. 1). При по-малка интензивност (тъмносинята зона) дисплеят е тъмен и информацията от него се чете трудно, а често и грешно, а по-голямата интензивност (синята зона) създава дискомфорт и бърза умора. Означени са и обхватите на осветеността в дома и колата между 0,5 и 100 lx, в офиси от 300 до 2000 lx и дневната светлина над 8000 lx. Друга голяма област на приложение на ALS е осигуряване на автоматично включване и изключване на осветлението. Напоследък към него се прибави регулирането на интензивността на светлината, особено на добиващото все по-голяма популярност светодиодно осветление.

Основни параметри на ALS
Силата на светлината върху ALS се оценява чрез две величини. Първата е интензивността E (или Ee) на светлината с мерна единица W/m2, показваща мощността на светлинния поток върху един квадратен метър, но обикновено се използва mW/cm2, като 1mW/cm2 = 0,01W/m2. Втората величина осветеност (Illuminance) Ev с мерна единица лукс (lx или lux) отчита субективното възприемане на светлината от окото (фиг. 2). Дадена интензивност окото възприема като най-голяма осветеност при дължина на вълната l= 555 nm (зелен цвят) и по-малка при останалите – например червена светлина с l = 660 nm изглежда за окото 20 пъти по-слаба (относителната чувствителност е Sr = 5%) от зелената. Връзката между двете величини е Ev [lx] = 0,0683SrE [mW/cm2].
Определенията на повечето от параметрите на ALS по принцип не се различават от тези на класическите фотоприемници. Чувствителността (Sensitivity) S показва максималната стойност на изходната величина при мощност на светлинния поток 1 W, която се получава при определена дължина на вълната (Wavelenght of max Sensitivity) lSmax и попадане на светлината перпендикулярно на ALS. Най-често изходната величина на ALS е ток, при което мерната единица на чувствителността е A/W. Освен нея се използва мерната единица mA/lx, като връзката между двете 1A/W = 0,0371Sr, mA/lx.
Важна разлика между класическите силициеви фотоприемници и ALS е тяхната спектрална характеристика (Spectral Sensitivity), представляваща зависимостта на относителна чувствителност от дължината на  вълната. От фиг. 3 се вижда, че характеристиката на силициевите фотоприемници (с прекъсната черна линия) е твърде различна от тази на човешкото око (показана в син цвят и наричана V lambda), докато тази на ALS (с червена линия) практически съвпада с нея. Това определя наименованието Vl Characteristic и означава, че електрическият сигнал от ALS е много "по-достоверен" от този на силициевите фотоприемници. Подобни характеристики се дават в повечето каталози на ALS.
Чувствителността на ALS намалява, когато светлината попада под ъгъл спрямо перпендикуляра към повърхността им. Параметърът полуъгъл (Half Angle) q1/2 се определя при намаляване на чувствителността наполовина от максималната й стойност. Нормалната работа на ALS се осигурява, когато ъгълът на падане на  светлината не надхвърля q1/2.

Дискретни ALS
Практически това са фотодиоди и фототранзистори, предимствата и недостатъците на които са както при класическите. Изходният им сигнал е ток, а поради малката чувствителност на диодите те винаги се свързват на входа на преобразувател ток-напрежение (усилвател на импеданс, transimpedance amplifier). Идея за това свързване е дадена на фиг. 4а, в която операционният усилвател (ОУ) трябва да има входен поляризиращ ток много по-малък от Iph на ALS. Поради това Iph  реално протича изцяло през R и обуславя изходно напрежение Uo = RIph, пропорционално на Ev. Основното свързване на фототранзистор е на фиг. 4б, в което усилвателят е с коефициент на усилване К и изходното напрежение е Uo = КRIph.
Дискретните ALS са с корпуси за платки с отвори и за SMD монтаж, а използването им се препоръчва когато с интегрални схеми (ИС) на ALS не могат да се постигнат желаните параметри. В табл. 1 са дадени основните параметри на дискретни ALS, като ID е токът им на тъмно. Тъй като по принцип той нараства експоненциално с температурата, малките му стойности са предпоставка за прецизна работа на ALS при повишени температури. От таблицата се вижда значително по-голямата чувствителност на фототранзисторите, а тяхното по принцип по-малко бързодействие в сравнение с диодните ALS е без значение – практически е все едно дали ALS ще смени изходната си величина 10 ms или 1 ms след промяна на околната светлина.

Аналогови ALS с токов изход (Analog Current Output ALS)
Представляват ИС със задължителни фотодиод (PD) и усилвател на ток (Current Amplifier), един пример за каквато е даден на фиг. 5а заедно с типично свързване на външните елементи. Усиленият ток на PD се получава на изхода IOUT, като в някои ALS е излизащ (Output Current Source), в други – влизащ (Output Current Sink), а има и такива с два изхода за всеки от токовете. Идея за структурата на такъв сензор (напр. даденият в ред 4 на табл. 2) е на фиг. 4б. Независимо от вида на изхода неговият ток създава напрежение Uo = RIo върху външен резистор R, чието препоръчително съпротивление се дава в каталога на ALS и може да е между няколко kW и 1 MW, докато успоредно свързаният му кондензатор отстранява евентуалните нежелани променливи съставки в Uo. Блокът Logic се поставя само в някои ALS за установяване на желан коефициент на усилване и съответно чувствителност чрез логическите нива на входове GC1 и GC2. Съществуват ALS (напр. този в ред 3 на табл. 2) с допълнителна възможност за включването и изключването им чрез логическия сигнал на разрешаващия им вход.
Схемите на фиг. 5 отразяват действието на първата и по-голяма група от този тип сензори, които имат линейна зависимост на Iph от Ev и примери за тях са дадени в редове 1-7 на табл. 2. Вместо чувствителността в нея са дадени стойностите на Iph при фиксирано Ev. Втората група ALS (редове 8-11) са с нелинейна зависимост Iph(Ev), което позволява да се разшири обхватът на Ev при дадени граници на изменение на изходния ток. Те нямат параметър чувствителност, а вместо него се използва даваната в каталога графика Iph(Ev), като при сензора от ред 8 тя е квадратична (Iph є ЦEv). Значително по-разпространени са ALS с логаритмична зависимост на Iph от Ev, причината за което е, че субективното възприятие на светлината от човешкото око е логаритмична функция на Ev. Примери за такива ALS са дадени в редове 9-11 на табл. 2 при изходен ток Io[mA] = 10lg(Ev[lx]). Времето TR (или tR) с наименование Rise Time е за установяване на изходния ток при скокообразно увеличаване на Ev. Аналогично TF (или tF), наречено Fall Time, е при намаляване на Ev. И двете времена намаляват (ALS става по-бърз) при големи Ev. Параметрите на ALS се гарантират в обхвата на интензивността (Illumination Range, Dynamic Range) - под минималната Ev влияят шумовете и преобразуването не е точно, а над максималната усилвателят на ток се насища и Iph практически не нараства с увеличаване на Ev. В каталозите двете граници се дават като стойности или трябва да се определят от графиката Iph(Ev).
Напрежението Uo върху резистора в изхода на ALS от основните схеми на фиг. 5 е ограничено от тяхното захранващо напрежение. За получаване на по-големи Uo и съответно за по-точно определяне на Ev се препоръчва схемата на фиг. 4а, в която вместо фотодиод се поставя ALS с токов изход, т.е. Iph вече е неговият изходен ток. Така максималното Uo се ограничава от захранващото напрежение на ОУ, което може да е значително по-голямо от това на ALS. Възможно е неинвертиращият вход да не се замасява, а да му се подаде постоянно напрежение UR, при което се получава Uo = UR - RIph.

Аналогови ALS с напрежителен изход (Light-to-Voltage Sensor)
Те са значително по-малко от тези с токов изход, тъй като бе изяснено, че токът на последните лесно се превръща в напрежение чрез резистор, което реално означава реализация на ALS с напрежителен изход с избирана чрез съпротивлението чувствителност.
Характерен пример за ИС на ALS с напрежителен изход е ISL29102 на Intersil с изходно напрежение, право пропорционално на ЦEv, преобразувани интензивности на светлината между 0,3 и 104 lx и q1/2 = ±50°. Реализирана е като ALS с токов изход и външно свързван резистор, чието напрежение се подава на вграден ОУ, свързан като повторител на напрежение. В тази група биха могли да се прибавят MLX75305 на Melexis и TSL257 на TAOS, но тяхната спектрална характеристика е твърде близка до тази на човешкото око.

Цифрови ALS
В съответствие с наименованието (Digital Ambient Light Photo Sensor, Light-to-Digital Output Sensor) изходната им величина е двоично число, право пропорционално на Ev. Числото се предава на външно устройство (най-често микроконтролер) по някои от известните серийни интерфейси.
Два са основните принципи на реализация на цифровите сензори, първият от които се изяснява чрез блоковата схема на фиг. 6а. Фотодиодът PD със спектрална характеристика много близка до тази на човешкото око и усилвателят AMP образуват аналогов сензор, като кондензаторът показва интегриращото му действие, т.е. той не реагира на кратки промени на интензивността на светлината, а ги усреднява. Времето на интегриране е няколко стотици ms, като в някои ALS чрез интерфейса могат да се задават няколко негови стойности. Често на входа на усилвателя се поставя режекторен филтър за честота 50 Hz, който премахва евентуални смущения от електрическата мрежа. Следващият аналоговоцифров преобразувател ADC осигурява на изхода си двоично число, съответстващо на Ev. То постъпва в частта Logic на блока Logic+I2C interface, съдържаща множество регистри, например за запис на текущото число и на времето на запис. За действието на тази част и на ADC е предвиден генераторът на импулси OSC с типична честота няколко стотици kHz. Във втората част на блока числото се преобразува в серия от импулси в съответствие с интерфейса I2C, за чиято работа са задължителни тактовите импулси на вход CLK. Практически винаги интерфейсът има скорост на обмен на данни 400 kbps, но в много случаи освен нея има 100 kbps и понякога 1 Mbps и 3,4 Mbps. Извод DVI е за постоянното захранващо напрежение на блока с интерфейса. Адресният вход ADDR е предвиден само в някои ALS и позволява работата им в устройства с адресна шина. В редове 1 и 2 на табл. 3 са дадени ALS, работещи в съответствие с този принцип, като фиг. 6а се отнася за този в ред 2. Вместо токът Iph сред основните параметри е броят NE на изходните импулси при дадена Ev. Вместо него в някои каталози се задава броят на импулсите, съответстващ на 1 lx с измерение count/lx. Аналогично ND (нарича се Dark Current и Dark Count) е вместо тока ID и представлява изходното число при липса на осветяване. Съответстващата му Ev е по-малка от минималната интензивност Evmin, която може да бъде измерена въпреки че доста производители обявяват последната за 0. Например в 16-разреден ADC с Evmax = 100 klx на един разред съответстват 105/216 = 1,53 lx, а на ND = 2 отговарят 3,06 lx. Така теоретически Evmin = 4 lx, а практически е около 10.
Вторият принцип се изяснява чрез блоковата схема на фиг. 6б и е използван в ALS от редове 3-5 на табл. 3. В ALS са вградени два фотодиода, единият от които е с максимум във видимата област, а другият – в инфрачервената. Токовете им се преобразуват от два ADC и получените числа се подават на регистрите ADC Register и интерфейсния блок I2C. При постъпването им във външен микроконтролер или микропроцесор те се обработват за получаване на спектрална характеристика, близка до тази на човешкото око. Използваният за целта математически израз се дава в каталога на ALS. Специфична особеност е, че за NE на  ALS в ред 3 има дадени една под друга стойности за всеки от диодите, първата от които е за диода във видимата област. Сензорът в ред 4 е с четири обхвата и съответно различни стойности на NE при фиксирана Ev, които също са в табл. 3.

Сензори с променлива честота (Light-to-Frequency Sensor)
Като количество те са сравнително малко в сравнение с останалите видове. На изхода им има правоъгълни импулси с коефициент на запълване 0,5, чиято честота f0 зависи линейно от интензитета на светлината в съответствие с израза f0 = fD + ReE. В него Re (Responsivity) е чувствителността и представлява промяната на f0 при изменение на интензитета с 1 mW/cm2, а fD е честотата без осветяване. Понякога вместо Re се задава стойността на f0 при определена Е, при което може да се изчисли Re » f0/E. Максимално възможната честота (Full Scale Frequency) fFS също е параметър и при надхвърлянето й (чрез Е над съответстващата максимална стойност) се губи линейността на преобразуването. Специфична особеност е значително по-широката спектрална характеристика, която е по-близка до тази на силициевите фотодиоди отколкото до човешкото око. Поради това строго погледнато тези сензори не са ALS, но приложенията им са същите.
Принципът на действие на сензорите се изяснява чрез блоковата схема на фиг. 7, която е на сензора от ред 1 на табл. 4. Със символичното означение на фотодиод е представен такъв или набор от фотодиоди заедно с усилвател на ток. Изходният му ток се преобразува в правоъгълни импулси от преобразувателя ток-честота, а цифровият pusch-pull драйвер осигурява изходен ток 10 - 20 mA (в зависимост от сензора) и съответно възможност за работа със сравнително нискоомни товари. Блокът Vref е за опорното напрежение на преобразувателя.
Основните параметри на три от популярните сензори от този тип са дадени в табл. 4. Характерно за този на ред 3 е възможността за програмиране - чрез двуразредно двоично число се задават трите стойности на Re в таблицата и с друго двуразредно число се фиксира една от четирите fFS.

Прагови сензори (Ambient Light Switch Sensor)
Има немалко практически случаи, когато е достатъчно да се регистрира увеличаването на интензивността на светлината над определена стойност  и намаляването й под друга, по-малка стойност. Характерни примери са автоматичното включване и изключване на осветление и системи за обезопасяване на работата на машини.
Принципът на реализация е изяснен на фиг. 8а, която представлява структурата на сензора MLX75303. Фотодиодът и преобразувателят ток-напрежение образуват аналоговият сензор на фиг. 4а, чието изходно напрежение се сравнява от компаратор с хистерезис с опорното напрежение на вграден източник. За осигуряване на достатъчен изходен ток през външен товар е прибавен MOS транзисторът с отворен дрейн. Основната схема на свързване на товара е на фиг. 8б, през който в двете посоки може да протича ток до 20 mA, а кондензаторът е поставен за премахване на евентуални смущения и съответно неколкократни бързи включвания и изключвания. Типичната интензивност Eon за включване на товара е 105 mW/cm2, а тази за изключването му Еoff е между 60 и 80% от нея. Максималното напрежение Vdd е 7 V, а спектралната характеристика на сензора е с максимум при 850 nm и има широчина от 500 до 1000 nm.

Приложения
Автоматичното намаляване интензивността на подсветката при течнокристалните дисплеи удължава сериозно времето на работа с едно зареждане на акумулатора. Идея за това регулиране е дадена на фиг. 9. Сигналът от ALS се обработва от специализирания алгоритъм BLAlg, който от своя страна регулира интензивността на осигуряващите подсветката CCFL. Икономията на енергия не е единственото предимство на автоматичното регулиране – използването му удължава експлоатационния срок на CCFL, тъй като те винаги работят с най-малкия си възможен ток. Оптималната интензивност на задното осветление е не по-малко важна в автомобилните дисплеи, където водачът трябва за миг достоверно да прочете изписаната информация.
Специфично и полезно приложение е комбинирането на ALS и инфрачервен сензор за приближаване (Infrared Proximity Sensor) в една ИС. Както е известно, тези сензори имат инфрачервен светодиод, чийто лъч се отразява от приближаващ се предмет и улавя от техния инфрачервен фотодиод. Последният обаче реагира, макар и по-слабо, и на видимата светлина, за отстраняването на което се налага усложняване на схемата и повишаване на постояннотоковата й консумация и цена. Друго решение на този проблем е използвано в ИС Si1120 на Silicon Labs с прибавен ALS и изваждане на неговия сигнал от този на инфрачервения фотодиод. Резултатът е отстраняване на влиянието на околната светлина и стабилна работа на сензора само с един излъчван импулс при консумация на ИС от 10 mA със захранващо напрежение 2,2 – 3,7 V.
Не са редки случаите, в които ъгълът q1/2 на ALS се оказва недопустимо голям. Поради това към някои ALS, например даденият на ред 5 в табл. 3, се предлагат специално разработени лещи от прозрачна пластмаса за намаляване на ъгъла.
С многобройни приложения е видоизменението на схемата на фиг. 4а със замяна на резистора с цифров потенциометър, управляващото число на който променя съпротивлението му. Това означава програмиране чрез числото на чувствителността на ALS и съответно разширяване на динамичния му обхват – при слаба интензивност чувствителността нараства и намалява при силна светлина.
Димерите добиват все по-голяма популярност не само заради икономията на електроенергия, но и за осигуряване на оптимална осветеност в помещенията. Ефективността им нараства чрез комбиниране с ALS, една от възможностите за което е дадена на фиг. 10. Без ALS, т.е. с фиксирано напрежение на вход REF на цифроаналоговия преобразувател DAC, схемата работи като обикновен димер и напрежението UOUT на изход OUT зависи само от двоичното число DimC. Прибавянето на ALS с напрежителен изход обуславя опорно напрежение, пропорционално на околната светлина и съответно UOUT зависещо както от нея, така и от управлението.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top