Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс - Патрик Гёлль

PIN-фотодиод из монокристаллического кремния — например, широко распространенный элемент BPW 34 — имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зеленый фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого образца). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны».

Из подобных элементов строятся ячейки солнечных батарей, которые обычно предназначены для использования в системах электропитания малой мощности, но эти фотоэлементы также могут быть отличными фотометрическими датчиками!

Несмотря на ощутимую разницу в размерах, фотодиод BPW 34 и самая маленькая из ячеек SOLEMS имеют сопоставимую чувствительность. Так, при освещенности 1000 люкс BPW 34 формирует ток короткого замыкания около 65 мкА, а ячейка SOLEMS 05/048/016 — около 95 мкА.

Различие заключается в том, что батарея SOLEMS состоит из пяти обычных диодов, включенных последовательно, что позволяет увеличить генерируемое ею напряжение. При коротком замыкании напряжения нет вовсе, тогда как отдаваемый ток определяется элементом батареи с наименьшей площадью (в среднем около 1,2 см2).

Отметим, однако, что фотодиод BPW 34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм2.

Все это означает, что, применяя нестандартную схему подстройки, в нижеописанном устройстве можно использовать и фотодиод BPW 34 (производства компании Siemens или Centronic), и солнечную батарею SOLEMS. Последний вариант более предпочтителен при измерениях освещенности, результат которых, выраженный в люксах, должен быть точным, a BPW 34 — в случаях, когда нужен датчик очень маленьких размеров (в частности, при измерениях оптической плотности).

При условии работы с монохроматическим излучением (красный светодиод, полупроводниковый или иной лазер) люксметр позволяет определять светопередачу любого полупрозрачного объекта (фильтр, пластмассовая пленка, определенная область на фотонегативе и т. п.). Достаточно отрегулировать измерительную цепь так, чтобы обеспечить индикацию светопередачи, равную 1,00 при прямой видимости, и тогда после размещения объекта между источником света и фотодиодом с индикатора можно считывать непосредственно показания уровня светопередачи.

Используя полученный результат, легко рассчитать оптическую плотность светового потока: она с точностью до знака равна десятичному логарифму величины светопередачи.

Принципиальная схема люксметра, приведенная на рис. 6.16, повторяет классическое схемное решение, описанное в различных руководствах по применению операционных усилителей.

Рис 6.16. Принципиальная схема люксметра

Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада U в таком случае будет определяться как U = R·I, где R — сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I — фототок, формируемый фотодиодом.

С учетом коэффициента усиления второго каскада, регулируемого в пределах от 1 до 11, четыре переключаемых резистора в цепи обратной связи первого каскада позволят успешно перекрыть пределы 50, 500,5000 и 50 000 люкс при выходном напряжении 5 В. Естественно, эти величины могут быть переопределены пользователем — путем изменения либо номиналов резисторов, либо коэффициента усиления второго каскада.

Заметим также, что при уровне освещенности выше 10000 люкс линейность характеристики фотодиода BPW 34 производителем не гарантируется, а параметры ячейки SOLEMS не специфицируются при освещенности выше 100000 люкс. Вероятно, это уровни, близкие к уровням насыщения. Поэтому при уровнях освещенности выше 50000 люкс рекомендуется применять серый фильтр известной плотности и соответствующим образом программно корректировать результат измерений.

Рассматриваемое устройство питается от простой гальванической батареи 9 В, так как микросхема LM 358 специально рассчитана на работу от однополярного источника.

На рис. 6.17 показана топологическая схема печатной платы фотометрического датчика. По размерам плата сравнима с указанной гальванической батареей. Монтажная схема устройства изображена на рис. 6.18, а его внешний вид с установленными элементами — на рис. 6.19.

Рис 6.17. Топологическая схема печатной платы фотометрического датчика

Рис 6.18. Монтажная схема фотометрического датчика

Рис. 6.19. Внешний вид фотометрического датчика

На плате предусмотрено место для установки фотодиода BPW 34.

При установке необходимо соблюдать указанную полярность, которая на первый взгляд может показаться неправильной, но это ошибочное мнение! При таких размерах платы и предложенном способе монтажа батарея SOLEMS на плате разместиться не может. Если решено использовать в качестве фоточувствительного элемента эту батарею, то подключать ее надо при помощи двух проводов длиной около 10 см, приклеенных специальным проводящим клеем к двум металлизированным контактам на задней стороне ячейки.

Несмотря на рекомендации производителя компонентов, категорически не советуем использовать пайку оловом!

Для подключения датчика к АЦП и к выводам гальванической батареи предусмотрена соединительная колодка, но провода можно и припаять. Блок перемычек, удобный при нечастой смене пределов, при необходимости можно заменить на галетный переключатель.

Перед выполнением серьезных измерений устройство должно быть откалибровано методом сравнения с показаниями люксметра высокого класса точности. Но есть множество интересных задач, которые не требуют строгой калибровки, однако предполагают наличие у датчика высокой линейности преобразования, которой как раз обладает рассмотренное устройство. Сюда относятся, например, измерения оптической плотности или контраста, а также регистрация изменений освещенности за определенные промежутки времени.

ДАТЧИК ТОКА

Среди различных приставок, которыми желательно оснастить виртуальный измерительный комплекс, устройство для измерения тока будет одним из самых полезных. Гораздо более удобное и гибкое в использовании, чем обычный резистивный шунт, предлагаемое устройство в наименьшей степени повлияет на работу схемы, в которую будет включено; при этом оно прекрасно подходит для работы с измерительными приборами, имеющими самые разные входные параметры и пределы.

Известно, что самые простые АЦП могут осуществлять преобразование только положительных входных напряжений в диапазоне от 0 до 5 В. Чтобы осуществить при помощи таких устройств измерение силы тока с полной шкалой, предположим, 5 А, надо подключить параллельно их входу резистор с номиналом 1 Ом. Эта величина намного больше сопротивления 0,064 Ом, которое вносится в проверяемую схему хорошим стрелочным прибором на том же пределе «5 А». Подключение подобного устройства может серьезно повлиять на проверяемую схему, не говоря уже о том, что при силе тока 5 А рассеиваемая на резисторе мощность достигнет 25 Ватт!

Лучшие результаты могут получиться, если использовать резистор с сопротивлением 0,1 Ом. Но при силе тока 5 А падение напряжения на нем составило бы 500 мВ, чего недостаточно для работы АЦП (особенно 8-разрядного) со шкалой 5 В, если требуется высокая точность измерений.

Оптимальное решение состоит в использовании резистивного шунта минимальной величины и в последующем усилении напученного на нем напряжения до величины, необходимой для нормальной работы АЦП.

Микросхема МАХ471 компании MAXIM, созданная для контроля изменений силы тока в автономных источниках питания мобильного оборудования, содержит в одном корпусе резистор с сопротивлением около 0,035 Ом и несколько операционных усилителей с малой потребляемой мощностью, включенных по оригинальной схеме. Эта микросхема имеет рабочий диапазон напряжений питания от 3 В до 36 В (при потребляемом токе, меньшем 100 мкА) и формирует на выходе измерительный ток, составляющий 1/2000 от тока, протекающего через внутренний шунт. На сопротивлении 2 кОм измерительный ток создает напряжение 1 В при силе тока в измеряемой цепи 1 А. Эти параметры как нельзя лучше подходят для измерения любым виртуальным прибором.