Человеческий глаз чрезвычайно чувствителен к изменениям уровня освещенности. При вариациях окружающего освещения на несколько порядков глаз может обнаруживать изменения всего на единицы процентов, что дает невероятный динамический диапазон. Это объясняется тем, что реакция глаза на свет является логарифмической, а не линейной. Поэтому реакция глаза на двукратное увеличение уровня освещенности будет почти одинаковой, независимо от того, происходит ли это в тускло освещенной комнате или под прямыми солнечными лучами.
Фотодиоды и фототранзисторы, независимо от включения – фоторезистивного или фотогальванического, – реагируют на широкий диапазон уровней освещенности, генерируя ток (а не напряжение), величина которого, к сожалению, линейно пропорциональна количеству света (до тех пор, пока поддерживается постоянное, или почти постоянное напряжение смещения). Чтобы получить желаемый логарифмический отклик, необходимо чем-то дополнить схему. К счастью, в простом p-n-переходе скрыта логарифмическая характеристика.
При подаче прямого смещения на биполярный переход через него протекает ток, величина которого экспоненциально зависит от напряжения. Например, в справочной таблице на диод Шоттки ZLLS400 показано, что при комнатной температуре прямой ток изменяется примерно в 1.035 раза на каждый милливольт изменения прямого напряжения. Но сказать, что ток экспоненциально зависит от напряжения, – это эквивалентно утверждению, что напряжение логарифмически зависит от тока. Такая взаимосвязь позволяет комбинировать диод с оптическим датчиком для создания чувствительной схемы, отклик которой похож на отклик глаза.
Нужная для этого схема обманчиво проста (Рисунок 1). Диод D1 обеспечивает фототранзистор смещением, которое лишь немного меньше напряжения питания VCC в широком диапазоне рабочих условий. При таком включении выходное напряжение в точке TP1, как и требуется, будет пропорционально логарифму уровня падающего света. К сожалению, уровень этого сигнала очень низок.
 | ||
| Рисунок 1. | Напряжение на p-n-переходе имеет логарифмическую зависимость от проходящего через него тока, что позволяет этой схеме оптического датчика имитировать чувствительность человеческого глаза к изменениям яркости в широком диапазоне уровней внешнего освещения. | |
Предположим, что есть приложение, где необходимо определять, проходит ли перед датчиком светлый или темный объект, и что «светлый» объект отражает 80% окружающего света, а «темный» – 20%, то есть, относительный контраст равен 4:1. При таком различии между двумя объектами изменение напряжения в точке TP1 составит примерно 30 мВ.
Значительные изменения окружающего освещения могут изменять базовый уровень сигнала в 10 и более раз. Но изменение базового уровня не будет серьезной проблемой, если уровень внешней освещенности всегда изменяется относительно медленно, а интересующий сигнал изменяется гораздо быстрее. В таких случаях можно просто удалить постоянную составляющую выходного напряжения (с помощью фильтра верхних частот), а затем усилить сигнал.
В показанной схеме может использоваться широкий диапазон номиналов компонентов, чтобы формировать сигналы, подходящие для различных приложений. К сожалению, номиналы выбираемых компонентов в некоторой степени взаимозависимы. В качестве отправной точки возьмем коэффициент усиления усилителя. Продолжая рассматривать пример с относительным контрастом 4:1 и соответствующим размахом входного сигнала 30 мВ, предположим далее, что требуемый размах выходного сигнала должен составлять 3 В, возможно, от 1 до 4 В, чтобы не приближаться к напряжениям шин питания. Это требует усиления усилителя, равного примерно 100. Следовательно, сопротивление резистора R4 должно быть в 99 раз больше сопротивления R3. Для большинства практических целей вполне достаточно взять R3 = 1 кОм и R4 = 100 кОм.
Затем решите, каким должно быть установившееся выходное напряжение. Например, если в состоянии покоя приложения датчик видит светлый фон, на котором нужно обнаруживать прохождение темных объектов, выходное напряжение в установившемся режиме должно быть близким к напряжению положительной шины питания, чтобы обеспечить максимальный размах сигнала в отрицательном (темном) направлении, когда мимо проходит объект. (В качестве U1, конечно же, используется rail-to-rail операционный усилитель). Если сделать так, чтобы в состоянии покоя на выходе было около 4 В, то при коэффициенте усиления 101 на входе операционного усилителя должно быть установлено напряжение 4 В/101 = 39.6 мВ.
Выходное напряжение операционного усилителя в установившемся режиме равно
Принимая, что VCC = 5 В, получим, что сопротивление R2 должно равняться 125.25 × R1. Чтобы получить в этой точке достаточно высокий импеданс, хорошей комбинацией может быть R2 = 10 МОм и R1 = 78.7 кОм (стандартное значение с допуском 1%, ближайшее к расчетному сопротивлению 79.84 кОм).
Если приложение имеет темный фон для обнаружения более светлых объектов, в приведенных выше расчетах нужно просто изменить желаемое напряжение покоя с 4 на 1 В и, повторив расчет, получить для R1 сопротивление 20 кОм (19.8 кОм).
Как только значения R1 и R2 будут определены, следует задать частоту среза фильтра верхних частот. Предположим, что уровень окружающего освещения может изменяться за время от секунд до минут, в то время как интересующие изменения будут происходить с частотой 100 Гц или быстрее. Частоту среза фильтра верхних частот можно установить равной примерно
где R – комбинация R1 и R2 в эквивалентной схеме Тевенина. В примере с обнаружением темных объектов R = 79 Ом, что дает C = 0.2 мкФ.
Последняя схема теперь выдает сигнал, который изменяется от 4 В для светлого объекта (или светлого фона) до 1 В для темного объекта (при условии, что относительный контраст составляет не менее 4:1), и может, подобно человеческому глазу, одинаково хорошо работать в слабо освещенной комнате, при обычном офисном освещении или под прямыми солнечными лучами.