自動(dòng)燈調(diào)光在工廠和辦公室等工作環(huán)境中是首選，以確保工人完成任務(wù)的最佳照明，同時(shí)最大限度地減少照明所消耗的總能量。環(huán)境光傳感器(ALS)通過將電氣照明與自然光相結(jié)合，有助于確定正確的亮度設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)最佳照明。

ALS原理

Vishay等ALS供應(yīng)商通常使用光學(xué)濾波器調(diào)整傳感器的光譜響應(yīng)以模擬人眼。在實(shí)踐中，這使得電子調(diào)光器能夠連續(xù)地調(diào)節(jié)燈的亮度，以確保照明始終滿足人類工作者的需要，因?yàn)榘滋斓淖匀还馑阶兓?。然而，其他傳感器特性可能取決于諸如探測(cè)器尺寸，批次間制造變化以及傳感器是否具有光電晶體管或光電二極管輸出等因素。

如果硅晶體管的基極暴露對(duì)于可見光，發(fā)生電離，產(chǎn)生電荷對(duì)，其具有與外部施加的基極電流相同的效果。如果僅與基極和集電極連接，則器件充當(dāng)光電二極管，并且根據(jù)入射光的強(qiáng)度和芯片的光敏性，小電流將流動(dòng)。另一方面，將器件偏置為晶體管會(huì)產(chǎn)生光電二極管電流的放大。在這種情況下，輸出電流取決于晶體管增益以及芯片的光敏性。

使用光電晶體管輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)

基于光電晶體管和光電二極管原理的環(huán)境光傳感器可用在市場(chǎng)上?；诠怆娋w管的器件由于制造公差而表現(xiàn)出更大的可變性，因?yàn)檩敵鲭娏魅Q于晶體管電流增益以及光敏性。 Vishay根據(jù)在所述測(cè)試條件下產(chǎn)生的光電流，在三個(gè)BIN組(A，B，C)中提供基于光電晶體管的器件，例如其TEMT6200FX01和TEMT6000X01。這使用戶能夠通過優(yōu)化必須連接到光電晶體管傳感器的發(fā)射極引腳的負(fù)載電阻的值來最小化其應(yīng)用中的傳感器輸出可變性(圖1)。

圖1：負(fù)載電阻與光電晶體管傳感器發(fā)射極串聯(lián)。

根據(jù)最終應(yīng)用中預(yù)期或測(cè)量的照度選擇負(fù)載電阻的值。對(duì)于TEMT6200FX01，輸出電流范圍從最小值7.5μA到最大值39μA(100 Lux)。在此范圍內(nèi)，器件分為三個(gè)BIN，具有最小，平均和最大光電流，如表1所示。

部件號(hào)BIN光電流(IPCE)，100 Lux(μA)Min。平均最大值TEMT6200FX01 A 7.5 11.25 15 B 12 18 24 C 19.5 29.25 39

表1：光電晶體管BIN和相應(yīng)的光電流限值。

如果應(yīng)用檢測(cè)范圍為10 Lux至1000 Lux，則為負(fù)載10kΩ的電阻將提供可接受的輸出電壓范圍，從10 Lux的0.023 V到1000 Lux的2.30 V.當(dāng)連接到bin B中的器件時(shí)，10kΩ電阻會(huì)產(chǎn)生0.18 V的平均輸出電壓，平均光電流為18μA，如表1所示?？梢杂?jì)算替代電阻值，以便與來自電池箱A和C的設(shè)備一起使用，實(shí)現(xiàn)相同的0.18 V平均電壓，從而最大限度地減少使用不同電池組的電路之間的響應(yīng)差異。

因此，根據(jù)BIN改變電阻，容差為光電傳感器從5倍(7.5μA到39μA)降低到2(7.5-15μA，12-24μA或19.5-39μA)。

如果傳感器的輸出是要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可能需要一個(gè)放大器電路，如圖2所示，具體取決于ADC的靈敏度。

圖2：通過ADC放大光電晶體管ALS輸出以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

所示示例針對(duì)1 Lux至1000 Lux的照度進(jìn)行了優(yōu)化。這可能適用于辦公室照明的自動(dòng)調(diào)光等應(yīng)用(見表2)。其他應(yīng)用可能要求傳感器在更高的照度下保持響應(yīng)。 Vishay的TEMT6200FX01和TEMT6000X01等傳感器可在1 Lux至100,000 Lux的寬范圍內(nèi)提供線性響應(yīng)。 TEMT6200FX01在此范圍內(nèi)的輸出電流范圍為180 nA至18 mA。如果使用1kΩ負(fù)載電阻，則輸出電壓范圍為0.18 mV至18 V.如果典型工作電壓為5 V或更低，則在這種情況下，1kΩ顯然不適合RL。必須計(jì)算較低的值，或者可以調(diào)整可選運(yùn)算放大器電路的增益，以實(shí)現(xiàn)適合ADC的輸出電壓范圍。

光源照明(勒克斯)路燈20黃昏1至100客廳50至200辦公室200至600工作室5 k至10 k陰天2 k至10 k朦朧25 k至50 k明亮的太陽50 k至100 k

表2：常見照明場(chǎng)景的典型Lux值。

在具有光電二極管輸出的ALS中進(jìn)行設(shè)計(jì)

由于光電二極管的批次間差異僅由光敏度變化引起，與基于光電晶體管的環(huán)境光傳感器相比，器件特性更加匹配。公差通常在20%至30%之間。另一方面，光電二極管的輸出遠(yuǎn)小于光電晶體管型ALS的輸出。必須使用低噪聲前置放大器電路，如圖3所示。

圖3：光電二極管型ALS需要低電平輸出端的噪聲放大器。

然而，在使用基于光電二極管的ALS時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)記住輸出電流可能受芯片尺寸的影響。較大的芯片顯然具有較大的檢測(cè)區(qū)域，因此產(chǎn)生更大的光電流。 TEMD5510FX01包含7.5 mm 2 芯片，產(chǎn)生的電流是TEMD6010FX01的兩倍，TEMD6010FX01的芯片小得多，敏感區(qū)域僅為0.27 mm 2 。/p>

計(jì)算窗口尺寸

如果要將傳感器安裝在蓋子后面，則需要一個(gè)窗口。無論使用哪種類型的ALS，窗口的尺寸和性能都會(huì)影響傳感器輸出的大小。理想地，窗口材料應(yīng)該透射400nm至700nm范圍內(nèi)的可見光。此外，窗口的尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)成允許傳感器的充分照明以產(chǎn)生可接受的輸出電流。如果傳感器的半靈敏度角度指定為±60度，則可以將視場(chǎng)設(shè)想為具有±60度角的錐形區(qū)域，其直接位于芯片的中心上方?；谠摷僭O(shè)，控制窗口設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵尺寸是從芯片的頂表面到窗口的外表面的距離以及窗口的寬度。

為了確保傳感器的最大照度，可以使用圖4的圖表計(jì)算距傳感器給定距離所需的窗口寬度，其中α= 60度。認(rèn)識(shí)到距離d可以由諸如對(duì)傳感器的最大總高度的限制之類的約束決定，可以計(jì)算尺寸x。當(dāng)x已知時(shí)，窗口大小w可以計(jì)算為2x加上傳感器活動(dòng)區(qū)域的大小。在圖4中，假設(shè)為0.75 mm。

圖4：計(jì)算窗口寬度和最大照明位置。

如果由于任何原因需要較小的窗口，則傳感器可以定位得更靠近孔徑，從而導(dǎo)致d的值更小。值得注意的是，將α的值設(shè)置為60度給出了最佳窗口寬度的值。如果需要，窗口寬度可以相對(duì)于芯片尺寸和距離d減小，理解傳感器輸出電流也將低于可以從數(shù)據(jù)表中推斷的。在這種情況下，建議確定實(shí)現(xiàn)傳感器可接受輸出所需的最小窗口寬度?？梢哉{(diào)整放大器電路中的電阻值或放大器增益，以通過更小的窗口實(shí)現(xiàn)更大的最大輸出電壓。

結(jié)論

環(huán)境光傳感器通常調(diào)整為表現(xiàn)出接近人眼的光譜響應(yīng)。即便如此，設(shè)計(jì)師在為其應(yīng)用選擇最佳設(shè)備時(shí)仍有幾種選擇。根據(jù)可接受的靈敏度容差以及解決方案尺寸，輸出電路元件成本和設(shè)計(jì)約束，可以選擇光電二極管類型或光電晶體管類型傳感器。選擇器件后，還必須確定保護(hù)窗的大小和位置(如果需要)，以確保輸出在應(yīng)用確定的最大和最小照度水平下具有合適的幅度。