Pytanie:

Jak mogę zmierzyć natężenie różnych źródeł światła?

Odpowiedź:

Określenie intensywności światła może być kluczowe, na przykład jeśli chcesz zaprojektować oświetlenie pokoju lub przygotować się do sesji zdjęciowej. Jednak w erze Internetu rzeczy (IoT) odgrywa to również ważną rolę w tzw. inteligentnym rolnictwie. Tutaj jednym z kluczowych zadań jest monitorowanie i kontrolowanie ważnych parametrów roślin, które przyczyniają się do maksymalizacji wzrostu i przyspieszenia fotosyntezy. Światło jest tym samym jednym z najważniejszych czynników. Większość roślin zazwyczaj absorbuje światło w długościach fal czerwonego, pomarańczowego, niebieskiego i fioletowego spektrum widzialnego. Z reguły światło o długości fal zielonego i żółtego obszaru widma jest odbijane i tylko nieznacznie przyczynia się do wzrostu roślin. Poprzez kontrolowanie części widma i intensywności ekspozycji na światło w różnych etapach życia można zmaksymalizować wzrost i ostatecznie zwiększyć wydajność uprawy.

Odpowiedni projekt obwodu do pomiaru natężenia światła w spektrum widzialnym, w którym rośliny są w fotosyntezie, pokazano na rysunku 1. Zastosowano tutaj trzy różnokolorowe fotodiody (zielona, czerwona i niebieska), które reagują na różne długości fal. Natężenie światła mierzone za pomocą fotodiod można teraz wykorzystać do sterowania źródłem światła zgodnie z wymaganiami odpowiednich roślin.

Rysunek 1. Projekt obwodu do pomiaru natężenia światła

Przedstawiony obwód składa się z trzech stopni precyzyjnych konwerterów prądu na napięcie (wzmacniaczy transimpedancyjnych), po jednym dla koloru zielonego, czerwonego i niebieskiego. Są one połączone z wejściami różnicowymi przetwornika analogowo-cyfrowego sigma-delta (ADC), który może dostarczać zmierzone wartości jako dane cyfrowe do mikrokontrolera, w celu dalszego przetwarzania.

Konwersja natężenia światła na prąd

W zależności od natężenia światła przez fotodiody 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 fotodiod czerwonej (CLS15-22C/L213R/TR8), zielonej (CLS15-22C/L213G/TR8) i niebieskiej (CLS15-22C/L213B/TR8).

Rysunek 2. Charakterystyczne krzywe prądu wyjściowego vs. natężenie światła dla fotodiod czerwonej, zielonej i niebieskiej

Jednakże względne czułości diody czerwonej, zielonej i niebieskiej są różne, więc wzmocnienie każdego stopnia musi być określone oddzielnie dla każdego koloru przez rezystancje sprzężenia zwrotnego R_FB. W tym celu należy wziąć prąd zwarcia (ISC) każdej diody z arkusza danych, a następnie zbadać czułość S (pA/lux) w wyznaczonym z niego punkcie pracy. R_FB jest obliczane w następujący sposób:

VFS,P-P reprezentuje pożądany pełny zakres napięcia wyjściowego (pełna skala, od szczyt do szczytu) a INTMAX maksymalne natężenie światła, które wynosi 120 000 lux dla światła słonecznego.

Konwersja prądu na napięcie

Dla wysokiej jakości konwersji prądu na napięcie pożądany jest minimalny prąd polaryzacji wzmacniacza operacyjnego, ponieważ prąd wyjściowy fotodiody jest w skali pikoamperów, a zatem może powodować znaczne błędy. Napięcie offsetu również powinno być niskie. Układ AD8500 od Analog Devices, z prądem polaryzacji 1 pA i maksymalnym napięciem przesunięcia 1 mV, to dobry wybór do tych 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 z wieloma wejściami różnicowymi, taki jak 16-bitowy przetwornik AD7798. Cyfrowa wartość wyjściowa zmierzonego napięcia jest następująca:

Gdzie:

• AIN = napięcie wejściowe,
• N = liczba bitów,
• GAIN = współczynnik wzmocnienia wzmacniacza wewnętrznego,
• VREF = zewnętrzne napięcie odniesienia.

W celu dalszej redukcji szumów, na każdym wejściu różnicowym przetwornika używany jest tryb wspólny i filtr różnicowy.

Wszystkie przedstawione komponenty są wyjątkowo energooszczędne, dzięki czemu obwód jest idealny do zastosowań w terenie.

Należy wziąć pod uwagę źródła błędów, takie jak prądy polaryzacji i napięcia offsetowe komponentów. Również niekorzystne współczynniki wzmocnienia na poziomie konwertera mogą wpływać na jakość, a tym samym na wynik obwodu. W obwodzie pokazanym na rysunku 1, natężenie światła można przekształcić na wartość elektryczną w celu dalszego przetwarzania danych w stosunkowo prosty sposób.