Projektowanie
article miniature

Jak wybrać czujnik światła do swojej aplikacji?

Czujniki światła, znane również jako fotodetektory, wykrywają obecność lub brak światła oraz jego intensywność. Ten rodzaj czujników zamienia energię świetlną na sygnał elektryczny, który następnie można analizować lub wykorzystywać do wyzwalania akcji. Czujniki światła są używane w szerokim zakresie zastosowań, od sterowania jasnością ekranów wyświetlaczy, przez dostosowywania przysłony kamer po ostrzeganie o możliwym włamaniu w systemach bezpieczeństwa.

Wykrywanie ruchu 

Czujniki światła w aplikacjach wykrywania ruchu wykrywają zmianę luksów w poziomie światła otoczenia (jasności) ponad określony próg, co wskazuje na zmianę stanu otoczenia. Czujnik światła jest zwykle umieszczany wewnątrz systemu mechanicznego i zaprogramowany tak, aby wyzwalał alarm, gdy poziom światła otoczenia zmieni się ponad próg, implikując ‘naruszenie’ systemu. Proces ten jest powszechnie stosowany w systemach bezpieczeństwa, takich jak systemy alarmowe, systemy kontroli dostępu, bankomaty czy inteligentne liczniki w celu wykrywania ataków fizycznych lub prób obejścia środków bezpieczeństwa. Wykrywanie zmiany za pomocą czujnika światła może być niezawodnym i ekonomicznym sposobem na zwiększenie bezpieczeństwa urządzeń, może też łatwo łączyć się w ramach systemu z innymi środkami bezpieczeństwa, zapewniając kompleksowe bezpieczeństwo.

Moc i szeroki zakres widma światła są istotnymi czynnikami wykrywania manipulacji. Czujnik szerokospektralny wykrywa każdy rodzaj zmiany światła w widmie UV, paśmie widzialnym i IR. Szerokie widmo jest zaletą w przypadku wykrywania zmiany, ponieważ każda zmiana światła, niezależnie od jego rodzaju, może wskazywać na manipulację. Wiele urządzeń wykrywających zmianę jest zasilanych bateryjnie i wymaga niskiego zużycia energii.

Wykrywanie dnia i nocy

Mierząc ilość światła płynącego z otoczenia czujnik światła może odróżnić dzień od nocy. Wykrywanie dnia i nocy jest stosowane w różnych zastosowaniach, takich jak oświetlenie zewnętrzne, kamery monitorujące kierowców i systemy bezpieczeństwa. Odpowiedź widmowa czujnika światła musi odpowiadać widzeniu fotopowemu ludzkiego oka, a więc nie uwzględniać światła podczerwonego. Odrzucając rodzaje światła spoza spektrum widzenia ludzkiego oka, czujnik światła może wyczuć jasność światła w podobny sposób w jaki człowiek wyczuwa światło. Czujniki Texas Instruments OPT3004 i OPT4001 ściśle odpowiadają spektrum ludzkiego oka i odrzucają > 99% podczerwieni.

Zazwyczaj ustawiony próg intensywności światła określa, czy jest dzień czy noc. Czujniki światła dziennego TI mają piny przerwania do ustawiania wyzwalaczy progowych bez interwencji procesora, oszczędzając w ten sposób energię.

Rysunek 1. Porównanie widma widzialnego przez ludzkie oko ze spektrum czujnika światła OPT3004 Texas Instruments

Regulacja jasności diod LED

Czujniki światła mogą mierzyć poziom światła otoczenia i odpowiednio dostosowywać moc diody LED. Proces ten jest powszechnie stosowany w inteligentnych systemach oświetleniowych w celu optymalizacji jasności diody LED w oparciu o warunki oświetlenia otoczenia. Funkcja ta nie tylko poprawia komfort wizualny i efektywność energetyczną systemu oświetleniowego, ale poprzez obniżenie temperatury roboczej wydłuża także żywotność diody LED. Czujniki światła do regulacji jasności diod LED znajdują się w urządzeniach gospodarstwa domowego, inteligentnych domach, urządzeniach peryferyjnych czy oświetleniu wnętrza samochodu, czyli w aplikacjach, w których warunki oświetlenia otoczenia znacznie zmieniają się w ciągu dnia.

Dokładność widmowa i zużycie energii to ważne cechy czujników do regulacji jasności diod LED. Dokładność widmowa zależy od ścisłego dopasowania do widma widzialnego, czyli widma światła, które może zobaczyć ludzkie oko (Rysunek 1). Obecność światła UV i IR daje jaśniejszy wynik pomiaru przez czujnik (czujnik odbiera ‘myśli’ że jest jaśniej niż jest w rzeczywistości). Ponownie, jak w przypadku wykrywania dnia i nocy: odrzucając światło spoza widma ludzkiego oka, czujnik światła może wyczuć jasność światła porównywalną z tym, jak postrzega światło człowiek. Wiele zastosowań o niskim poborze mocy, takich jak przykładowo narzędzia ręczne, wymaga czujników o niskim poborze mocy, aby wydłużyć żywotność baterii. OPT3004 ściśle dopasowuje się do widma światła widzialnego i odrzuca > 99% podczerwieni przy kącie padania ±85°. Przy prądzie roboczym 1,8 μA i prądzie uśpienia 300 nA OPT3004 doskonale nadaje się do zastosowań zasilanych bateryjnie.

Regulacja jasności wyświetlacza

Regulacja jasności wyświetlacza to popularne zastosowanie czujników światła, szczególnie w osobistych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartwatche, tablety i laptopy. Czujniki te są również stosowane w zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych, takich jak systemy informacyjno-rozrywkowe i interfejsy człowiek-maszyna.

Rysunek 2 przedstawia przykład zastosowania czujnika światła w systemie wyświetlania. Czujniki światła mierzą poziom światła otoczenia i odpowiednio dostosowują jasność wyświetlacza, zapewniając komfortowe wrażenia wizualne i oszczędzając baterię. Gdy światło otoczenia jest wysokie, jasność wyświetlacza wzrasta, aby poprawić widoczność. Gdy światło otoczenia jest niskie, jasność wyświetlacza jest zmniejszana, aby uniknąć dyskomfortu i obniża moc systemu, wydłużając żywotność panelu wyświetlacza. Kluczowe kwestie w przypadku wyświetlaczy to rozmiar, prędkość i rozdzielczość. Mały rozmiar obudowy czujnika jest najlepszy dla cienkich ramek i małych wyświetlaczy, takich jak smartwatche. Szybki czujnik umożliwia szybkie regulacje w celu dostosowania do nagłych zmian warunków oświetleniowych, zapewniając płynne działanie użytkownika. Wysoka rozdzielczość jest niezbędna do dokładniejszej kontroli jasności wyświetlacza.

Rysunek 2: Zastosowania czujnika światła w systemie wyświetlania.

Regulacja kolorów

Czujniki światła służące regulacji kolorów mierzą temperaturę barwową i odpowiednio dostosowują kolory wyświetlacza. Proces ten jest powszechnie stosowany w telewizorach, monitorach, laptopach, smartfonach i tabletach, aby zoptymalizować kolory wyświetlacza na podstawie warunków oświetlenia.

Temperatura barwowa wyświetlacza jest dostosowywana do cieplejszej lub chłodniejszej temperatury, aby kolory wyglądały bardziej naturalnie i dokładnie. Wyświetlacz może również wykorzystywać czujniki kolorów do regulacji nasycenia kolorów i kontrastu w celu poprawy jakości obrazu i zmniejszenia zmęczenia oczu.

Rozdzielczość, szybkość i paleta kolorów to najważniejsze kwestie dotyczące tej aplikacji. Wysoka rozdzielczość zapewnia, że ​​czujnik może mierzyć intensywność światła w warunkach słabego oświetlenia lub za materiałem osłonowym i dokonywać subtelnych regulacji jasności. Szybkość umożliwia płynne przejście między zmieniającymi się kolorami warunkami oświetlenia. Paleta kolorów wpływa na wykrywany kolor i wydajność pomiaru czujnika. Dwa powszechnie stosowane modele kolorów to palety RGB i XYZ.

Źródło: How to Select a Light Sensor for Your Application © Texas Instruments

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!