SmartPIP - Czujnik światła - obliczenia

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel


Nadszedł moment, w którym powinniśmy dokonać obliczeń dla naszego układu pomiarowego wybranego w poprzednim artykule. W obliczeniach możemy pominąć kondensator i wejście przetwornika ADC:

Prąd płynący przez fototranzystor będzie zwierany do masy przez rezystor. Skoro wiemy, że nasz mikrokontroler oraz układ czujnika światła będą zasilane z baterii 3V, to możemy spróbować obliczyć wartość rezystora przyjmując wartość prądu fototranzystora taką, jakiej nie chcielibyśmy przekraczać, niezależnie od rodzaju źródła i natężenia światła oświetlającego czujnik.

Aby policzyć wartość rezystora musimy znać napięcie jakie się na nim "odłoży" przy danej wartości prądu. Napięcie to będzie wynikało ze wzoru:

Istotnym jest więc ustalenie, jaki napięcie przy wybranym przez nas prądzie będzie występowało na złączu kolektor-emiter fototranzystora (UFT).

Zaglądamy do datasheet fototranzystora i w tabelce odnajdujemy parametr Collector Emitter Saturation Voltage, czyli napięcie kolektor-emiter w czasie jego nasycenia:

Niestety wszystkie parametry z tabeli podane są dla napięcia zasilania wynoszącego 5V, a ten parametr dodatkowo podany jest dla prądu kolektora równego 10mA, a w naszym przypadku będziemy starali się, by prąd ten był 1000 razy mniejszy.

Nie ma także żadnego wykresu, z którego moglibyśmy odczytać jak zachowywać się będzie ten parametr dla innych napięć zasilania. Dlatego nie pozostaje nam nic innego, tylko do obliczeń przyjąć wartość 0,4V.


Rezystor

Zaczniemy od przyjęcia, że chcemy aby prąd płynący przez tranzystor miał wartość 10µA.

Dlaczego akurat tyle? Musimy oszczędzać, a fototranzystor, który wybrałem, umożliwia nam pracę z takim prądem co ustaliliśmy już wcześniej.

Dane do obliczeń:

• napięcie zasilania: 3V
• napięcie emiter-kolektor: 0,4V
• żądany prąd fototranzystora: 10µA

Najpierw obliczymy spadek napięcia na rezystorze:

a następnie skorzystamy z prawa Ohma dla układu:

i policzymy wartość rezystora:

i na koniec ustalamy, że z szeregu rezystorowego wybieramy rezystor 270kΩ.


Kondensator

Zadaniem kondensatora jest stabilizowanie poziomu sygnału z fototranzystora, który mierzymy przetwornikiem ADC. Im większy będzie kondensator tym stabilniejsze będą pomiary.

Niestety z punktu widzenia oszczędzania energii, powinniśmy minimalizować jego wartość, ponieważ każde naładowanie i rozładowanie kondensatora to strata energii z baterii.

Dlatego jeśli się da, to można zrezygnować z kondensatora tym bardziej, że będziemy stosować programowe uśrednianie wyników.

Warto jednak przewidzieć ewentualnie miejsce na płytce PCB, żeby w razie konieczności wlutować kondensator.

Jaką więc wartość wybrać, gdy kondensator będzie potrzebny?

Odpowiedź jest prosta - sprawdzić doświadczalnie jak "pływają" pomiary z różnymi wartościami kondensatora i wybrać najmniejszy możliwy kondensator zapewniający w miarę stabilne pomiary. Może to być mocno zależne od rodzaju oświetlenia, przede wszystkim sztucznego. Ja testowałem różne, a mój kompromis znalazłem na poziomie 4,7nF.


Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel