«Свето-цвето-температурная идентификация включена!» – семейство датчиков оптического излучения MAX4400x

Оптическое излучение широко используется в современной технике. В некоторых случаях его поток подлежит измерению (наличие/отсутствие, выход за пороговые уровни, уровень излучения). Для этой цели используются датчики уровня освещенности, RGB-датчики. В других случаях оптическое излучение используется для вспомогательных целей. Пример - датчики ИК излучения, датчики приближения.

В большинстве приложений, особенно встраиваемых, от датчиков требуются, с одной стороны, компактные размеры, с другой - наличие предварительной обработки сигнала от чувствительного элемента. Не всегда вычислительных возможностей контроллера и возможностей его АЦП достаточно для эффективной работы с оптическим датчиком. В этом случае желательно наличие на одном кристалле с таким датчиком цепей усиления сигнала, а также наличие собственного встроенного АЦП и интерфейса управления. Все эти возможности реализованы в датчиках оптического излучения серии MAX4400x компании Maxim.

В семейство MAX4400x входят цифровые оптические датчики с интерфейсом управления/передачи данных I2C (таблица 1) [1]. Выпускаются в компактных корпусах поверхностного монтажа OTDFN (UTDFN-Opto) размером 2х2х0,6 мм.

MAX44000

Микросхема MAX44000 [2] совмещает в себе датчик уровня освещенности (Ambient Light Sensor - ALS) с широким динамическим диапазоном и ИК-датчик приближения. В качестве фоточувствительных элементов используются фотодиоды, сигналы которых после преобразователей «ток-напряжение» с управляемым усилением поступают на два 14-битных АЦП. Результаты преобразования сохраняются в регистре данных и доступны для чтения по интерфейсу I²C (рисунок 1).

Рис. 1. Структурная схема датчика MAX44000

В состав датчика входят три фотодиода, расположенных по центру в нижней части корпуса (рисунок 2): один с максимумом чувствительности в зеленой области видимого спектра и два инфракрасных.

При работе в качестве датчика уровня освещенности сигнал ИК-фотодиода ALS-канала после соответствующего усиления вычитается из сигнала «зеленого» фотодиода. В данном режиме работают два АЦП - на зеленый канал и на ИК-канал. Есть возможность индивидуальной настройки коэффициента усиления каналов.

В режиме датчика уровня освещенности пользователь имеет возможность выбора - возможна обработка сигнала только зеленого канала, только ИК-канала, или разность между зеленым и ИК-каналом. Таким образом MAX44000 может быть использован и как датчик общей освещенности, и как датчик уровня ИК-сигнала (максимум чувствительности в районе 850 нм).

Вычитание сигнала ИК-фотодиода из сигнала «зеленого» фотодиода позволяет приблизить результирующую спектральную характеристику к кривой чувствительности человеческого глаза и минимизировать влияние ИК-засветки на результаты измерения уровня освещенности.

В режиме работы датчика приближения сигнал ИК-фотодиода предварительно обрабатывается для компенсации постоянной составляющей внешней засветки и оцифровывается АЦП, которое в данном случае работает как 8-битное.

MAX44000 рассчитан на подключение внешнего излучающего ИК-диода. Выходной ток драйвера излучающего диода программируется в диапазоне от 10 до 110 мА. Цепи обработки сигнала ИК-фотодиода синхронизированы с драйвером, что позволяет устранить влияние постоянной засветки даже при достаточно высоком ее уровне. Схема обработки сигнала также нечувствительна к таким источникам переменного ИК-сигнала с фиксированной частотой, как пульты дистанционного управления, электронные балласты и пр.

Программируемый вывод прерывания позволяет существенно снизить нагрузку на управляющий микроконтроллер, особенно в режиме датчика приближения.

MAX44000 работает в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В, потребляя, в среднем, 5 мкА в режиме датчика уровня освещенности и 7 мкА в режиме датчика приближения. При совместном режиме работы «датчик освещенности + датчик приближения» средний ток потребления не превышает 70 мкА при токе драйвера излучающего диода 100 мА.

MAX44004

MAX44004 [3] - низкопотребляющий датчик уровня освещенности с широким динамическим диапазоном. Датчик позволяет измерять уровень освещенности в пределах от 0,03 до 65000 люкс. В микросхеме применены запатентованные сенсоры, оптические фильтры и схемы предварительной обработки сигнала, приближающие спектральную чувствительность датчика к чувствительности глаза. Встроенные регистры калибровки позволяют производить корректные измерения уровня освещенности в различных условиях естественного или искусственного освещения (газоразрядные лампы или лампы накаливания), вне зависимости от прозрачности покрытия, за которым устанавливается датчик (темное/светлое). Технологический процесс производства, разработанный компанией, гарантирует совпадение параметров от партии к партии, что упрощает процесс разработки конечного продукта и снимает ряд проблем, связанных с калибровкой или заменой датчиков.

Датчик управляется по интерфейсу I²C и имеет программируемый выход прерывания, позволяющий во многих случаях снизить нагрузку на контроллер, связанную с постоянным опросом датчика, а также снизить общее энергопотребление конечного устройства за счет большего времени пребывания контроллера в режиме низкого энергопотребления.

В состав датчика входят два фотодиода, расположение которых аналогично MAX44000 (рисунок 2).

Один фотодиод имеет максимум спектральной чувствительности в зеленой области видимого спектра, второй фотодиод - в инфракрасной. Через управляемые усилители фотодиоды подключены к двум 14-битным АЦП (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема датчика уровня освещенности MAX44004

Возможен выбор режима работы датчика - обработка разностного сигнала зеленого и ИК-фотодиодов или сигнала только одного из них.

MAX44004 работает в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В, потребляя ток порядка 5 мкА.

MAX44005

MAX44005 [4] является высокоинтегрированным оптическим датчиком со встроенным сенсором температуры и драйвером излучающего диода. Микросхема интегрирует возможности семи различных датчиков - цветовых (красный, зеленый, синий), датчика уровня освещенности, ИК-излучения, приближения и температуры.

Семь встроенных АЦП позволяют производить измерения сигналов одновременно по нескольким каналам (рисунок 4).

Рис. 4. Структурная схема датчика MAX44005

Цветовые датчики позволяют определять цветовую температуру или служить для распознавания определенного цвета. Кроме того, они позволяют учесть влияние окружения на работу датчика в том случае, если он установлен за цветным или тонированным декоративным покрытием.

В микросхеме установлены фотодиоды пяти типов, чувствительные к красной, зеленой, синей, инфракрасной области спектра (максимумы чувствительности на 630, 538, 470 и 850 нм соответственно), а также с кривой чувствительности, соответствующей человеческому глазу (максимум чувствительности 538 нм) - рисунок 5.

Рис. 5. Спектральные характеристики фотодиодов MAX44005 (AMPGA[1:0]=00, AMBTIM[2:0]=000, компенсация запрещена, поток излучения 15,83 мкВт/см²)

Расположение сенсоров MAX44005 представлено на рисунке 6.

Рис. 6. Расположение фотодиодов в датчике MAX44005

Коэффициент усиления каждого из оптических каналов имеет собственные настройки. Это позволяет учесть влияние различных источников освещения при измерениях уровня освещенности.

Встроенный датчик приближения использует одноимпульсную схему работы, что позволяет сохранять низкий ток потребления при токах излучающего диода от 10 до 110 мА. Кроме того, данный метод позволяет успешно компенсировать влияние внешней засветки, включая солнечный свет и мерцающие источники освещения (лампы накаливания, газоразрядные лампы, ИК-пульты). Это позволяет успешно применять MAX44005 и в портативных устройствах с сенсорными экранами, и в датчиках присутствия или приближения.

Встроенный датчик температуры может быть использован отдельно для измерения температуры, также его показания могут быть учтены при измерениях уровня освещенности или уровня ИК-излучения для компенсации влияния изменений температуры.

MAX44005 идеален для встраиваемых систем и систем с автономным питанием: потребление тока при 1,8 В в режиме датчика освещенности - всего 10 мкА, при задействованных RGB-, общем и ИК-каналах - около 15 мкА. При работе в режиме датчика приближения средний ток - также около 10 мкА.

MAX44006, MAX44008

Датчики серий MAX44006, MAX44008 [5] во многом аналогичны MAX44005. Отличием является отсутствие у них схем датчика приближения. Микросхемы интегрируют возможности шести датчиков - цветовые датчики (красный, зеленый, синий), датчик уровня освещенности, датчик уровня ИК-излучения и температуры.

Шесть встроенных АЦП позволяют производить параллельные измерения сигналов по нескольким каналам (рисунок 7).

Рис. 7. Структурная схема датчиков MAX44006/MAX44008

Токи потребления в режиме работы оптических каналов и датчика температуры - 15 мкА для MAX44006, и 16 мкА - для MAX44008. Расположение фотодатчиков и их спектральные характеристики аналогичны MAX44005.

MAX44006 работает в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 2,0 В, MAX44008 - в диапазоне от 2,7 до 5,5 В.

Следует также отметить наличие у MAX44005, MAX44006, MAX44008 режима низкого энергопотребления, в котором их токи потребления лежат в пределах 0,01 мкА.

MAX44009

Датчик освещенности MAX44009 [6] со сверхнизким током потребления 0,65 мкА способен производить измерения освещенности от 0,045 до 188000 лк в диапазоне температур от -40 до 85°С. Спектральная характеристика чувствительности датчика оптимизирована под кривую чувствительности человеческого глаза и не включает УФ- или ИК-области спектра, что дает корректные измерения уровня освещенности. Адаптивная схема управления усилением автоматически определяет диапазон освещенности для оптимального использования динамического диапазона работы преобразователей.

Программируемый выход прерывания выполнен в виде выхода с открытым стоком и может обслуживать управляющую логику с любым диапазоном напряжений питания.

Структурная схема MAX44009 представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Структурная схема MAX44009

Оптический фильтр предупреждает попадание УФ- и ИК-излучения на фотодиоды, его спектральная характеристика также совпадает с характеристикой глаза. ИК-фотодиод служит для компенсации влияния внешней ИК-засветки. В отличие от MAX44000 и MAX44004, чувствительная область MAX44009 располагается по центру микросхемы (рисунок 9).

Рис. 9. Расположение фотодиодов в датчике MAX44009

Датчик подходит для приложений, работающих с низким уровнем освещения, или для случаев установки датчика за темным стеклом.

Области применения

Основные области применения датчиков освещения семейства MAX4400x:

• системы адаптивной подсветки мониторов и экранов компьютеров, планшетов телевизоров;
• управление подсветкой или цветовой гаммой экранов портативных устройств- электронных книг, коммуникаторов;
• управление LED/LCD-про­екторами (регулировка яркости, цветовой гаммы в зависимости от внешнего освещения или поверхности экрана);
• интеллектуальные системы управления внутренним и наружным освещением, включая зональное освещение, обнаружение присутствия, корректировку тона освещения, управление декоративной или интерьерной подсветкой;
• системы безопасности;
• системы автоматического открывания дверей;
• измерительные устройства - люксметры.

Заключение

Наличие на одном кристалле оптических датчиков Maxim управляемых усилителей, АЦП и схем компенсации для каждого из измерительных каналов позволяет сократить время измерений и сделать их более точными за счет одновременной выборки и преобразования сигналов отдельных каналов.

Одноимпульсная схема измерений в датчиках приближения минимизирует влияние источников постоянных и импульсных помех и существенно снижает энергопотребление за счет малой доли времени работы излучающего диода.

Цифровой интерфейс управления и передачи данных позволяет устанавливать датчики на удалении от управляющего контроллера без снижения качества работы. Возможность гибкой настройки, наличие схем автоматической корректировки сигнала, адаптированные спектральные характеристики, высокая стабильность и повторяемость параметров упрощают схемотехнику и логику работы управляющего устройства, что, в конечном итоге, положительно сказывается на времени вывода продукта на рынок.

Литература

1. Optical Sensors// http://para.maximintegrated.com/en/results.mvp?fam=optical_sensors  

2. MAX44000 Ambient and Infrared Proximity Sensor// http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7269  

3. MAX44004 Digital Ambient Light Sensor// http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7405  

4. MAX44005 RGB Color, Temperature, and Infrared Proximity Sensor// http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7526  

5. MAX44006/MAX44008 RGB Color, Infrared, and Temperature Sensors// http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7357  

6. MAX44009 Industry's Lowest-Power Ambient Light Sensor with ADC// http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7175.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]