SmartPIP - Czujnik światła - fototranzystor

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel


Przyszedł czas na wybór odpowiedniego fototranzystora. Wyboru możemy dokonać na zasadzie "mam jakiś w szufladzie" - tak było i w moim przypadku, ponieważ miałem sporo fototranzystorów: KPS-3227SP1C (datasheet)

Jest to fototranzystor przeznaczony do pomiaru światła otoczenia (ang. ambient light). Podstawowe parametry:

Najistotniejszym parametrem, który determinuje, czy fototranzystor nadaje się do wykorzystania w naszym projekcie jest zakres długości fali światła, dla którego został zaprojektowany. Nas interesuje oczywiście światło widzialne (Wikipedia), czyli w zakresie 400-700nm.

Sprawdzamy więc odpowiednie parametry w datasheet:

Na podstawie tabelki ustalamy, że fototranzystor jest przeznaczony dla zakresu 390-700nm, z maksymalną czułością dla 580nm, a to oznacza, że idealnie nadaje się do pomiarów światła widzialnego. Dodatkowo w datasheet możemy znaleźć wykres jego czułości w zależności od długości fali światła (rysunek powyżej).


Kąt detekcji (widzenia, obserwacji)

Istotnym dla nas parametrem jest także kąt  pod jakim "widzi" fototranzystor. Kąt ten określony został przez producenta w następujący sposób:

W tabelce podano, iż kąt obserwacji dla połowy jego czułości wynosi 120º. Oznacza to, że mamy szerokie pole widzenia, co w naszym przypadku jest pożądane ze względu na to, że podkładając ofierze SmartPIP'a, nie będziemy musieli "celować" czujnikiem we właściwym kierunku.

Dla porównania inny fototranzystor przeznaczony do pomiaru światła otoczenia TEPT4400 (datasheet):

Dość ciekawy "walentynkowy :-)" kształt pola widzenia czujnika, jakże odmienny od poprzednika. Z wykresu wynika, że kąt detekcji czujnika TEPT4400 wynosi około 60º. Potwierdzeniem tego jest kąt określony w tabelce, gdzie podano kąt ±30º:

Znak ± oznacza, że kąt ten należy pomnożyć przez 2, by uzyskać faktyczny kąt widzenia czujnika. Jest to zgodne z rysunkiem powyżej, czyli 60º.

Wniosek jest oczywisty, fototranzystor ten nadaje się do naszego urządzenia, ale należy być świadomym wartości parametru kąta widzenia, który jest dwukrotnie mniejszy niż pierwszego fototranzystora.


Prąd fototranzystora vs natężenie oświetlenia

Teraz należy zastanowić się nad doborem elementów w układzie czujnika światła. Musi on pobierać w miarę możliwości jak najmniejszy prąd w czasie pracy. Jednocześnie sam fototranzystor musi poprawnie pracować w szerokim zakresie oświetlenia.

Zerkamy więc do datasheet w poszukiwaniu istotnych w tym zakresie parametrów. Zostawiłem tylko te, które nas będą interesować:

Zwróć uwagę na notatki pod tabelką, które są odnośnikami do numerków w nawiasach kwadratowych w kolumnie Conditions i oznaczają one:

1. oświetlenie fluorescencyjne (6200K),
2. standardowe domowe oświetlenie żarówką wolframową (2856K),
3. oświetlenie światłem słonecznym (4600K).

Przyda się nam znajomość definicji:

Luks [lx] - to jednostka układu SI służąca do określenia natężenia oświetlenia wytworzonego przez strumień świetlny jednego lumena [lm] równomiernie rozłożony na powierzchni jednego metra kwadratowego [m²].

Lumen [lm] - to strumień świetlny wysłany w jednostkowy kąt bryłowy (steradian) przez izotropowe punktowe źródło światła o światłości jednej kandeli umieszczone w wierzchołku tego kąta.

Steradian [sr]- to kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia.

oraz wiedza na temat barwy światła (Wikipedia).


W tabelce producent operuje luksami, więc by było łatwiej zrozumieć dalszą część artykułu przedstawimy definicję luksa za pomocą wzoru:

Zerkamy na parametry z tabelki:

Collector dark current
To prąd, który płynie przez tranzystor w momencie, gdy jest ciemno, czyli poziom oświetlenia fototranzystora wynosi 0lx. Z tabelki wynika, że powinniśmy się spodziewać zaledwie 10nA, maksymalnie 100nA. To bardzo mało, ale należy pamiętać, że w pomieszczeniu ofiary zapewne nie będzie idealnie ciemno. Trudno więc przyjmować, że faktycznie będzie tylko 10nA.


Light Current(1),(2),(3),(4)
To prąd, który płynie przez fototranzystor w momencie, gdy jest oświetlony określonym światłem (rodzaj i strumień światła). W kolumnie conditions rodzaj światła określony jest numerkiem w nawiasach kwadratowych, a jego natężenie podane w luksach. Możemy się więc spodziewać nawet 950µA (czyli prawie 1mA) przy oświetleniu światłem żarowym o natężeniu 1000lx. Dla nas oczywiście tak duży prąd jest nie do zaakceptowania i będziemy go ograniczać rezystorem.



Ile to jest 100lx?

Powinniśmy sobie zadać pytanie, jak jasne jest światło o natężeniu 100lx, które według powyższej tabelki warunkuje nam osiągnięcie prądu 6µA dla światła fluorescencyjnego (patrz: light current 1). Sama liczba nie daje nam pojęcia, jaki to jest poziom oświetlenia czujnika.

Najprościej będzie porównać się do standardowej żarówki o strumieniu światła równym 100 lumenów. Żarówką, która emituje oświetlenie o natężeniu 100lm jest zwykła żarówka o mocy 15W:

Źródło: Paulmann Licht GmbH

czyli:

Zapewne jesteś świadomy, jak mało światła daje standardowa żarówka o mocy 15W.

Wyobraź sobie, że cały strumień świetlny tej żarówki (czyli 100lm) skierujesz za pomocą bezstratnego zwierciadła równomiernie na wycinek sfery kuli o powierzchni 1m² (patrz: steradian (Wikipedia)). W ten sposób zgodnie z powyższą definicją i wzorem, natężenie oświetlenia na tej powierzchni będzie miało 100 luksów:

Następnie na tym wycinku powierzchni sfery (1m²) umieszczasz nasz malutki fototranzystor o wymiarach 2 x 2mm. Światło, które będzie go oświetlało będzie miało natężenie także 100lx.


Wartości pośrednie i zależności od rodzaju źródła światła

Teraz popatrzmy na wykres zależności prądu fototranzystora od natężenia i rodzaju oświetlenia zawarty w datasheet naszego fototranzystora. Niestety producent tak przygotował ten wykres, że za pomocą zamieszczonej do niego legendy nie można stwierdzić, która linia symbolizuje światło fluorescencyjne, a która standardowe żarowe.

Zaznaczyłem więc kolorami wartości natężenia światła z tabelki, czyli 100lx oraz 1000lx:

Odczytując poziomy prądu wyjściowego fototranzystora dla poszczególnych przypadków z tabelki możemy zidentyfikować poprawnie obie linie, co oznaczyłem strzałkami.

Zauważ, że prądu poniżej 10µA dla oświetlenia żarowego (30lx) oraz 5µA dla fluorescencyjnego (80lx), oznaczone są na wykresie linią przerywaną, a nie ciągłą jak pozostała ich część. Możemy więc się domyślać, że w tym zakresie pracy fototranzystora producent nie gwarantuje, że zależność prądu od oświetlenia czujnika będzie nadal liniowa i przewidywalna.

Zauważyć należy także, że ten fototranzystor znacznie lepiej reaguje dla światła żarowego niż fluorescencyjnego.



Podsumowanie

Mamy wybrany fototranzystor oraz ustalone jego parametry możemy więc przejść do obliczeń, o czym piszę w następnym artykule.


Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel