V souvislosti se světlem stále častěji hovoříme o možném zdroji při sběru energie z okolního prostředí. Můžeme tak napájet monitory srdečního tepu, vestavěné vybavení v koupelnách, dálková čidla pro předpověď počasí i celou řadu dalších nízkopříkonových zařízení. Přesné vyhodnocení míry ozáření z okolních světelných zdrojů proto nabývá na svém významu. V této poznámce z „dílny vývojáře“ jsme se proto rozhodli popsat jednoduché a zároveň levné řešení, zajišťující napětí, úměrné intenzitě okolního světla.
Jako čidlo nám vhodně poslouží rezistor, citlivý na světlo, který označíme zkratkou
- LDR, tj. Light Dependent Resistor
– v našem konkrétním případě se bude jednat o fotorezistor RadioShack, model 276-1657, jehož odpor se s intenzitou okolního světla mění způsobem, naznačeným na obr. 1.
Obr. 1: Vztah mezi odporem čidla a intenzitou dopadajícího světla
Odpor se zde snižuje z řádu MΩ ve tmě až na několik stovek Ω při jasném osvětlení. Se schopností detekce velkých nebo také malých výkyvů (fluktuací) úrovní osvětlení pak můžeme rozlišovat mezi jednou či dvěma žárovkami, přímým slunečním svitem, naprostou tmou nebo čímkoli mezi tím. Každá aplikace si přitom žádá náležité obvody včetně fyzických nastavení, určitou kalibraci v precizních případech nevyjímaje. Senzor lze osadit za průhledný, vodotěsný kryt a systém tak provozovat kdekoli a za jakéhokoli počasí.
Obr. 2: Jednoduché zapojení pro měření intenzity dopadajícího světla
Zapojení, znázorněné na obr. 2, generuje výstupní napětí, které odpovídá vstupnímu napětí a také intenzitě dopadajícího světla, zatímco fotorezistor slouží jako odpovídající rezistor pro definování zisku (Gain) přístrojového zesilovače in-amp (Instrumentation Amplifier) s označením AD8226. Přenosovou funkci obvodu AD8226 vyjádříme jako
VOUT = G(VIN+ - VIN-) + VREF
kde G představuje zesílení struktury, VIN+ a VIN- napětí na neinvertujícím a invertujícím vstupu a VREF napětí na vývodu REF. Přizemníme – li invertující vstup včetně pinu REF a přivedeme – li na neinvertující vstup VIN+, můžeme zapsat
G = VOUT / VIN+ = 1 + (49,4 kΩ / LDR)
nebo také
LDR = 49,4 kΩ / ((VOUT / VIN+) - 1)
Známe – li hodnotu z LDR, můžeme ji převést na odpovídající úroveň osvětlení. Ve výsledku tedy monitorujeme výstup přístrojového zesilovače, na který přivádíme známé vstupní napětí. VIN+ přitom může být střídavé napětí, stejnosměrné napětí či poměrná část napájení. Přesnost zesílení zde závisí na přesnosti dvou interně trimovaných tenkovrstvých rezistorů.
Právě popsané zapojení umožňuje levné řešení pro vyhodnocení intenzity dopadajícího světla, při kterém převádí odpor fotorezistoru na napětí, které lze měřit i dálkově. A proč jsme zvolili právě přístrojový zesilovač AD8226? Může za to jeho široký pracovní rozsah napájecího napětí od 2,7 V až do 36 V, malá klidová spotřeba pod 500 µA v rámci plného rozsahu napájení, výstup typu rail-to-rail a také jeho samotná funkční podstata. Systému přitom vyhoví jakýkoli rezistor v rozsahu od několika ohmů až do nekonečna (v množném čísle „OHMS“ se přitom může jednat rovněž o zkratku „ve službách Jejího / Jeho veličenstva“ - On Her/His Majesty´s Service). S tím, jak se cena přístrojových zesilovačů snižuje, může prostřednictvím jejich „vylepšených“ parametrů docházet k ideální náhradě běžných operačních zesilovačů.
Obr. 3: Vlastnosti zapojení v domácích podmínkách při osvětlení i zatemnění
Na obr. 3 vidíme typickou odezvu našeho zapojení, ztotožníme – li na kmitočtu 900 Hz vstup VIN+ se sinusovým průběhem o amplitudě 100 mVp-p. Jednotlivé stavy světlo / tma pak pro LDR nabývají hodnot cca 840 Ω a cca 5 500 Ω. S takovými úrovněmi pak již lze díky odpovídající kalibraci LDR dále pracovat.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Analog Devices: http://www.analog.com/
- Distribuční síť
