[RAQ] Prosty obwód mierzący względną intensywność dwóch źródeł światła

Pytanie:

Czy mogę zmierzyć różnicę pomiędzy dwoma źródłami światła za pomocą wzmacniacza pomiarowego?

Odpowiedź:

Tak, poprzez zastąpienie rezystora w pętli wzmacniacza pomiarowego dwoma fotorezystorami. W wielu zastosowaniach oświetleniowych pomiar względnej intensywności dwóch źródeł światła jest ważniejszy niż pomiar każdej intensywności osobno. Dzięki temu mamy pewność, że oba źródła świecą z takim samym natężeniem. Dla przykładu, bardzo pomocne jest porównanie jasności w pokoju kontrolnym (pokój 1) z drugim pokojem (pokój 2) w tym samym budynku, dzięki czemu można dokonać regulacji o każdej porze dnia i nocy. Natomiast jeśli masz system produkcyjny, możesz chcieć upewnić się, że warunki oświetleniowe się nie zmieniają.

Jednym ze sposobów określenia względnej intensywności jest pomiar różnych sygnałów wyjściowych dwóch dodatkowych detektorów światła. Ich różnica zostanie przekształcona w sygnał napięciowy z odniesieniem do masy. Układ na Rysunku 1 pokazuje prosty, ale skuteczny sposób na rozwiązanie tego problemu poprzez użycie wzmacniacza pomiarowego, takiego jak AD623, w układzie z rezystancją sterującą wzmocnieniem.

Rysunek 1. Prosty obwód mierzący względne przenikalności światła

Zauważ, że w tym obwodzie są dwa specjalne rezystory, R1 i R2. Są to czujniki LDR i służą do mierzenia jasności dwóch źródeł światła. Co to jest LDR? Termin ten oznacza rezystor zależny od światła lub fotorezystor. To bierny element obwodu z rezystorem, który ma zmienną rezystancję w zależności od natężenia światła. Rezystory zależne od światła występują w różnych kształtach i kolorach, i są przydatne w wielu obwodach elektronicznych, szczególnie w alarmach, urządzeniach przełączających, zegarach i światłach ulicznych. Ogólnie rzecz biorąc, rezystancja LDR jest bardzo wysoka w ciemności – prawie 1 MΩ – ale kiedy światło pada na LDR, rezystancja spada do kilku kΩ (10…20 kΩ przy 10 lux, 2…4kΩ przy 100 lux) w zależności od modelu. LDR użyte w schemacie pochodzi od RadioSchack (część nr 276-1657).

Rysunek 2. RadioShack, część nr 276-1657

Konstrukcja układu

Schemat na rysunku 1 wykorzystuje AD623 i dwa elementy LDR. Główny czujnik, fotorezystor R1 jest punktem odniesienia źródła światła. Jest używany jako poziom referencyjny dla natężenia światła i znajduje się w pokoju kontrolnym. Jeśli porównujesz więcej niż dwa źródła światła, powinieneś używać tego źródła jako punktu odniesienia przy każdym porównaniu. To porównanie może mieć miejsce w ciągu nocy bądź dnia. Należy pamiętać, że zmiana oporu trwa od 8 do 12 ms. Natomiast powrót rezystancji do wartości początkowej może zająć nawet kilka sekund.

Sama konstrukcja jest bardzo prosta. Zasilanie systemu wynosi ±5 V, a na obu wejściach napięcie to VIN. Dlatego to samo napięcie jest na jednym końcu każdego fotorezystora a na drugim końcu jest uziemione. Jeśli taka sama ilość światła padłaby na oba fotorezystory, różnica między nimi wynosiłaby zero, ponieważ ich opory są równe. W rezultacie napięcie wyjściowe wyniosło by 0 V. Kiedy oba pomieszczenia nie są jednakowo naświetlone, istnieje różnica między natężeniami dwóch źródeł światła, co powoduje powstanie napięcia na wyjściu układu. Polaryzacja tego napięcia wskazuje, które pomieszczenie jest jaśniejsze. Jeśli napięcie wyjściowe byłoby dodatnie, oznaczałoby to, że więcej światła padło na LDR2, i na odwrót.

Jak działa układ pomiarowy?

Rysunek 3 pokazuje wykres zakresu przebiegu wyjściowego. Przy napięciu wejściowym 1 V p-p sygnału prostokątnego o częstotliwości 1 kHz, wyjście (około 2 V) wskazuje, że źródło światła w pokoju 2 jest jaśniejsze.

Rysunek 3. Napięcie wyjściowe wskazuje różnicę natężeń światła

W obwodzie prezentowanym w tym artykule, na wyjściu AS623 znajdują się dwie diody LED. Czerwona dioda LED z dodatnią stroną podłączoną do wyjścia włączy się, gdy wyjście będzie dodatnie (źródło światła nr 2 będzie jaśniejsze), a żółta dioda LED z dodatnią stroną podłączoną do uziemienia zostanie włączona, gdy jaśniejsze będzie źródło światła nr 1. Zwróć uwagę, że jasność diody LED wskazuje poziom amplitudy względnego natężenia w pokoju. Kiedy oba pomieszczenia są jednakowo jasne, a napięcie wyjściowe wynosi 0 V, obie diody LED są wyłączone. Napięcie na wyjściu obwodu wynosi:

Wartość skuteczna na wyjściu jest poziomem intensywności dwóch źródeł światła. Po skalibrowaniu wartości LDR1 w celu znalezienia dokładnej wartości rezystancji przy określonej jasności, LDR1 może zostać zastąpiony zwykłym rezystorem i wtedy system będzie porównywał wartość LDR2 do konkretnej jasności. Stały rezystor działa wtedy jako punkt odniesienia. Taki rodzaj obwodu może być wykorzystany jako proste urządzenie śledzące jasność źródła światła. Może kierować ruchem paneli słonecznych zgodnie z ruchem słońca albo może być używane w robotach uczestniczących w akcjach poszukiwawczych – poprzez kierowanie uwięzionych ludzi w stronę światła. W celu wdrożenia takiego urządzenia można użyć serwomechanizmu, który obraca fotorezystorami. Korzystając z układu AD623 można sprawdzić wydajność dwóch żarówek umieszczając je w różnych pomieszczeniach odpowiednio z LDR1 i LDR2. Obwód ten ma niskie zużycie energii i może być zasilany tylko przez dwie baterie AA, co jest przydatne w zastosowaniach wrażliwych na pobór mocy.

O autorze

Chau Tran

Dołączył do Analog Devices w roku 1984, gdzie zajmuje się wzmacniaczami pomiarowymi. W 1990 zdobył tytuł Magistra Inżyniera Elektroniki na Uniwersytecie Tufts. Jest właścicielem ponad 10 patentów.

www.analog.com