如何将光强度转换为电量

Thomas Brand

确定光强度可能至关重要，例如，如果您想设计房间的照明或准备拍摄照片。然而，在物联网（IoT）时代，光强度在所谓的智能农业中也起着重要作用。在这里，一项关键任务是监测和控制有助于最大化植物生长和加速光合作用的重要植物参数。因此，光是智能农业中最重要的因素之一。大多数植物通常吸收可见光谱的红色、橙色、蓝色和紫色区域的波长的光。通常，光谱的绿色和黄色区域波长中的光被反射并且仅对生长有轻微的贡献。通过控制各个生命阶段的部分光谱和光照强度，可以最大化生长，并最终提高产量。

图1显示了相应的电路设计，用于测量可见光谱上的光强度，其中植物具有光合作用活性。这里使用了三种不同颜色的光电二极管（绿色、红色和蓝色），它们响应不同的波长。通过光电二极管测量的光强度现在可用于根据相应工厂的要求控制光源。

图1.用于测量光强度的电路设计。

此处所示的电路由三个精密的电流电压转换器级（跨阻放大器）组成，绿色、红色和蓝色各一个。它们连接到Σ-Δ模数转换器（ADC）的差分输入端，例如，该转换器将测量值作为数字数据提供给微控制器以进行进一步处理。

将光强度转换为电流

根据光强度，或多或少的电流流过光电二极管。电流和光强度之间的关系近似线性，如图2所示。它显示了红色 （CLS15-22C/L213R/TR8）、绿色 （CLS15-22C/L213G/TR8） 和蓝色光电二极管 （CLS15-22C/L213B/TR8） 的输出电流特性曲线与光强度的函数关系。

图2.红色、绿色和蓝色光电二极管的电流与光强度的特性曲线。

但是，红色、绿色和蓝色二极管的相对灵敏度不同，因此每级的增益必须通过反馈电阻R 分别确定FB.为此，短路电流（I南卡罗来纳州），必须取自数据手册，然后取自数据手册确定的工作点处的灵敏度S（pA/lux）。RFB然后按如下方式计算：

VFS，P-P表示所需的全输出电压范围（满量程、峰峰值）和 INT.MAX最大光强度，阳光直射时为 120，000 勒克斯。

电流-电压转换

对于高质量的电流-电压转换，运算放大器的最小偏置电流是理想的，因为光电二极管的输出电流在皮安范围内，因此会引起相当大的误差。还应存在低失调电压。ADI公司的AD1偏置电流典型值为1 pA，最大失调电压为8500 mV，是这些应用的理想选择。

模数转换

为了进一步处理测量值，首先转换为电压的光电二极管电流必须作为数字值提供给微控制器。为此，可以使用具有多个差分输入的ADC，例如16位ADC AD7798。因此，测量电压的输出代码如下：

其中

AIN= 输入电压，

N = 位数，

GAIN= 内部放大器的增益因数，

VREF= 外部基准电压。

为了进一步降低噪声，ADC的每个差分输入端均使用共模和差分滤波器。

所有所示元件都非常省电，使该电路非常适合电池供电的便携式现场应用。

结论

必须考虑器件的偏置电流和失调电压等误差源。此外，不利的转换器级放大因子会影响质量，从而影响电路结果。使用图1所示的电路，光强度可以转换为电值，以相对简单的方式进行进一步的数据处理。