Вот и наступили солнечные деньки, время надевать солнечные очки, чтобы защитить глаза!
У меня довольно много очков с пластиковыми линзами, и стало любопытно, защищают ли они вообще от ультрафиолета.
И тут на Алиэкспрессе попалась платка датчика с УФ-фотодиодом GUVA-S12SD.
Фотодиод GUVA-S12SD
Это фотодиод с барьером Шоттки из нитрида галлия, предназначенный для измерения УФ-индекса и проверки работы UV-A ламп.
Согласно документации, рассчитан на работу в фотогальваническом режиме (то есть без внешнего источника напряжения).
Немного характеристик из документации:
- Максимальный прямой ток: 1 мА;
- Максимальное обратное напряжение: 5 В;
- Темновой ток: до 1 нА;
- Фототок для UV-A лампы (1 мВт/см^2): 113 нА;
- Чувствительность (при λ = 300 нм и обратном напряжении 0 В): 0,14 А/Вт.
Чувствителен к излучению для длин волн от 240 до 370 нм, но, как видно из характеристики, наиболее чувствителен все же для длинноволнового ультрафиолета (UV-A) с длиной волны 315-400 нм и, в меньшей степени, для средневолнового (UV-B) с длиной волны 280-315 нм.
Сквозь атмосферу до нас как раз таки доходят лучи именно этих диапазонов, а ближний ультрафиолет UV-A еще и сквозь обычное стекло проходит. Он, конечно, не так опасен, как коротковолновые виды излучения, но зато проникает вглубь кожи и сквозь хрусталик, "выжигая" и ускоряя старение кожи и роговицы с сетчаткой глаза. Поэтому защитой пренебрегать не стоит, даже в северных широтах.
Схемы подключения фотодиода
Китайцы предлагают много вариаций плат:
У большинства вот такая схема, отличаются лишь используемые операционные усилители: LM358, LMV358, SGM8521, MCP6241 и подобные.
В такой схеме включения фотодиод работает в фотогальваническом режиме, и измеряется фототок.
Операционный усилитель U1 с сопротивлением R преобразуют ток в напряжение по формуле U = -I*R. Поскольку фототок течет в "обратном" направлении (от катода к аноду), поэтому ток будет отрицательным, и напряжение на выходе преобразователя будет положительным. У фотодиодов обратный ток очень маленький, поэтому сопротивление обычно большое.
Если поставить один резистор с большим сопротивлением, то от него будет большой тепловой шум, который будет еще и усилен.
Для замены одного большого сопротивления используется Т-образная цепь из резисторов R1, R2 и R3.
Такая цепь дает сопротивление обратной связи R1 + R3 + (R1*R3)/R2 = 4,303 МОм.
Из-за емкости на входе ОУ (у фотодиода есть емкость, да) и большого сопротивления обратной связи усиливается шум ОУ, может возникнуть самовозбуждение и прочие гадости жизни. Конденсатор C2, установленный параллельно резистору R3, помогает от таких проблем.
Китайцы не стали заморачиваться, но вообще рекомендуется при большом сопротивлении R ставить такое же на неинвертирующий вход ОУ, чтобы скомпенсировать температурный дрейф входного тока операционного усилителя.
Операционный усилитель выбирается такой, чтобы имел большое входное сопротивление (так можно будет спокойно ставить большое сопротивление обратной связи), малый ток смещения (чтобы не влиял на входной сигнал тока фотодиода) и низкий уровень шумов.
По классике берут ОУ с FET или JFET входами с Rail-to-Rail входами. Полевые транзисторы дают намного большее входное сопротивление, чем биполярные, а работа с сигналами от нуля до напряжения питания позволяет воспринимать малые входные сигналы.
Ради интереса сравнила характеристики ОУ при питании 5 В:
Очевидно, брать платы с LM358 не стоит, у них входные токи смещения сравнимы с "сигнальным" током самого фотодиода. В теории наилучшим из рассмотренных ОУ для измерения тока фотодиода является SGM8521, но MCP6241 тоже подойдет.
Самая правая плата с фотографии имеет более сложную схему. К выходу первого усилителя подключается еще один неинвертирующий усилитель, дающий дополнительное усиление.
Хорошая статья на тему усилителей для фотодиодов, если хотите углубиться.
Осталось разобраться, как измерить таким датчиком индекс ультрафиолета.
Зависимость напряжения датчика от индекса УФ
В интернетах ходит такая картинка соотношения напряжения на выходе датчика и индекса ультрафиолета.
В даташите же к самому фотодиоду приводится такая зависимость фототока от индекса УФ.
При моделировании в Multisim выходные напряжения вышли несколько другие, прикладываю график для сравнения:
Разница, скорее всего, возникла из-за разных "смещений" по входному току.
Будем считать, что официальная версия правильнее.
По-хорошему, надо бы было бы проверить уровни на оборудовании, выдающем заданную освещенность, но у меня такого нет...
Ну, хватит теории, начнем проверять датчик в деле!
Тестирование датчика
Выбрала плату с операционным усилителем SGM8521, стоила она на тот момент 110 рублей.
Для начала решила проверить, не подсунули ли мне китайцы обычный фотодиод. Посветила на него фонариком. На видимый свет датчик не реагирует, ура!
Дальше проверила степень защиты от УФ разных стекол с помощью детектора банкнот, в галерее ниже пара примеров:
И под солнцем на балконе, с большей яркостью :
По датчику УФ-индекс составил где-то 2,7. Посмотрела по архиву погоды - в данный день и час был УФ-индекс 2,8. Что сказать, совпало :)
С задержанием ультрафиолета справились все протестированные стекла.
Мне почему-то думалось, что победят авиаторы, поскольку у них самое плотное затемнение. Но, видимо, дело не только в затемнении, но и в материале линз, поэтому победила реплика из разряда "это RayBan, клянусь коммунистической партией Китая".
В общем, датчик GUVA-S12SD любопытный, стоит недорого (в ЧипиДипе один ОУ SGM8521 стоит дороже), может быть полезен для проверки ламп в детекторах банкнот или в сушилках лака. Ну, и попробовать померять мощность солнышка тоже можно.
Как-то писала про другую схему на фотодиоде, можете глянуть тоже.
