Предисловие
Датчик освещённости, процесс изготовления и использования которого будет описан далее, предназначен для оценки уровня мерцания источников света и дисплеев электронных устройств. То есть, для оценки их качества по этому параметру (одному из важнейших).
Мерцание экранов и источников света - это один из факторов, влияющих на утомление при деятельности, связанной с высокой нагрузкой на зрение. Часто мерцания могут быть не заметными, но это, увы, не исключает их зловредного действия.
Конечно, мерцания - не единственный отрицательный фактор плохого освещения, существуют и другие: неблагоприятный спектральный состав света, чрезмерная или недостаточная яркость, чрезмерная контрастность окружающей световой обстановки. Но последние факторы легко обнаруживаются "невооруженным глазом", что не всегда можно сказать о мерцаниях.
На фото представлен "полуфабрикат" датчика освещённости, вырезанный из разбитого калькулятора. Далее речь пойдёт о том, как его "довести до ума" и сделать пригодным для оценки качества света.
Добываем солнечную панель из разбитого калькулятора
Изображенный далее калькулятор успел проработать до несчастного случая несколько десятилетий (не шутка!). Но затем, в результате крайне неудачного падения, у него был разбился дисплей:
Передняя фальшпанель калькулятора из окрашенного алюминия была снята, но снять затем солнечную панель не удалось: она оказалась насмерть приклеенной к основному (пластиковому) корпусу. В связи с этим было решено её просто выпилить вместе с той частью корпуса, к которой она была приклеена.
Так выглядел калькулятор с обратной стороны после вскрытия:
В левом верхнем углу видно углубление для солнечной панели, к которому панель приклеена с лицевой стороны. Во внутреннюю сторону калькулятора оттуда выходят два проводника: красный и чёрный.
Выпиливаем "кроватку" ножовочным полотном или другой тонкой пилкой, и получаем уже почти готовый датчик освещённости:
Солнечная панель "как есть" (без дополнительной обвязки) тоже будет реагировать на свет, но пользы от этого будет мало.
Чтобы получить от панели значимые результаты, необходимо подключить к ней нагрузку (резистор). Это выведет её характеристику на линейный участок, а заодно снизит постоянную времени выходной цепи, что позволит получить на выходе сигнал, соответствующий реальной форме кривой освещённости.
Так выглядит окончательный вариант датчика освещённости:
Чтобы исходящие от солнечной панели проводники не ломались в местах изгиба, они прикреплены к корпусу жирной каплей резиноподобного герметика.
А чтобы аналогично не ломались в местах пайки к резистору, проводники примотаны к ножкам резистора несколькими витками оголённого медного провода.
Резистор припаян после подбора номинала, а как его подобрать - изучим в следующей главе.
Подбор резистора нагрузки и тестирование датчика освещённости из солнечной панели
Для того, чтобы снять показания с датчика освещённости, его надо подключить к измерительному прибору. В идеале это - осциллограф, поскольку он позволит оценить не только величину мерцания света, но и форму кривой освещённости.
Но осциллограф, прямо скажем, имеется далеко не во всяком доме; и даже не во всякой организации.
В этом случае для оценки мерцаний можно использовать мультиметр продвинутого уровня. То есть, мультиметр подойдёт не всякий: он должен уметь измерять как постоянное, так и переменное напряжение с ценой деления до 1 мВ. Мультиметры низкого класса, как правило, не могут измерять переменное напряжение с такой точностью.
Полезным результатом при измерениях мультиметром будет соотношение переменного напряжения к постоянному на выходе датчика освещённости. Чем оно выше, тем пульсации яркости больше.
Теперь уже займёмся подбором нагрузки.
Осциллограммы снимались фотографированием с экрана портативного осциллографа Hantek 2D72 (обзор).
Посмотрим на галерею из трёх осциллограмм, снятых при разных сопротивлениях нагрузки и решим, какое сопротивление можно считать подходящим.
Сначала посмотрим на осциллограмму выхода датчика освещенности совсем без нагрузки. Датчик при этом прижат к экрану монитора со светодиодной подсветкой, управляемой классическим ШИМ-ом:
Точнее, нагрузка здесь всё-таки есть - входное сопротивление осциллографа, равное 1 МОм.
Итак, на осциллограмме вместо классического прямоугольника видим непонятный сигнал с заваленными фронтами, что объясняется большой постоянной времени RC-цепочки, образованной ёмкостью солнечной панели и паразитными ёмкостями схемы.
Теперь подключаем нагрузку 100 кОм:
Прямоугольный сигнал уже более-менее узнаваем, но далёк от идеала.
Теперь подключаем нагрузку 20 кОм:
Вот здесь сигнал уже можно считать прямоугольным. Пожалуй, даже можно было бы поднять сопротивление нагрузки повыше, до 40 К (чтобы поднять уровень сигнала); но и так сойдёт.
Частота пульсаций составила 180 Гц.
При этом величина постоянного напряжения, измеренная мультиметром, составила 184 мВ, а переменного - 202 мВ. То есть, при таком жёстком ШИМ-е величина переменного напряжения даже превзошла величину постоянного напряжения.
Далее - ещё несколько осциллограмм и данных измерений мультиметром.
Посмотрим на пульсации яркости экрана ноутбука типа LCD со светодиодной подсветкой (уровень яркости 10%):
Постоянное напряжение на датчике яркости составило 39 мВ, переменное - 45 мВ; частота - 200 Гц.
К этому надо добавить, что скважность импульсов ШИМ-а дисплеев электронных устройств зависит от яркости; и на максимальной яркости ШИМ может полностью пропадать (прямая линия на осциллографе).
Кроме того, современные LCD-экраны часто оборудуются немерцающей подсветкой. Схема формирования такой подсветки - не сложна; и не понятно, почему раньше так не делали (копеечная экономия!)?!
Теперь исследуем дисплей смартфона типа AMOLED:
Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 685 мВ, переменное - 6 мВ; частота - 120 Гц.
Уровень пульсаций оказался очень мал (можно пренебречь).
В обзорах пишут, что часто у экранов AMOLED пульсации яркости начинают обнаруживаться при яркости 50% и ниже, но в данном случае они ни при какой яркости не обнаруживались (т.е. надо проверять для каждого экрана персонально).
Теперь переходим к исследованию бытовых лампочек. Особенность этого исследования состоит в том, что при измерениях необходимо подбирать правильное расстояние от датчика до лампочки, чтобы результаты не были искажены из-за ухода солнечной панели в "насыщение".
Последнее возможно, если максимум сигнала достигнет предельного уровня генерации для солнечной панели, составляющего при комнатной температуре 0.6 В на элемент (умножить на число последовательных элементов, в данном случае получится 0.6 В * 4 = 2.4 В).
Наш первый клиент - светодиодная лампочка Supra выпуска далёкого 2013 г., но всё ещё живая и здоровая:
Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 790 мВ, переменное - 340 мВ; частота - 100 Гц.
Пульсации можно оценить как высокие; а в качестве смягчающего вину лампочки обстоятельства можно упомянуть, что в промежутках между максимумами яркость не падает до нуля.
Касательно схемотехники лампочки можно диагностировать наличие лишь примитивного светодиодного драйвера с гасящим конденсатором (без стабилизации тока).
Теперь исследуем "старинную" энергосберегающую лампочку на основе спиральной газосветной трубки (сейчас таких не делают, т.к. они содержали ртуть):
Постоянное напряжение на датчике яркости света составило 1020 мВ, переменное - 44 мВ; частота - 100 Гц.
Уровень пульсаций яркости лампочки - очень мал. Пожалуй, таким лампочкам можно было бы ещё жить да жить; но сгубило их применение ртути при производстве. Сейчас это - большой грех!
И, наконец, завершаем подборку осциллограмм на позитивной ноте - светодиодной лампочкой современного производства:
Переменное напряжение на датчике освещённости отсутствует; так и должно быть у лампы с хорошим светодиодным драйвером.
Но к этому обязательно надо добавить, что не у всех современных светодиодных ламп имеется хороший драйвер. "Халтура" встречается ещё очень часто.
На этом переходим к итогам.
Окончательный диагноз датчика яркости света "своими руками"
Несмотря на всю примитивность конструкции датчика освещённости, сделанного своими руками, он оказался полностью пригоден для оценки уровня мерцания яркости дисплеев электронных устройств и бытовых осветительных приборов.
Полученные данные позволят обоснованно сформировать график труда и отдыха при работе за экраном электронного устройства (исходя из его вредности по уровню мерцаний), или подобрать подходящее место подключения для лампочек с сильными мерцаниями (ну не выбрасывать же их совсем).
Если мерцания с высоким уровнем мерцаний из-за ШИМ-а будут обнаружены у какого-либо дисплея; то это, конечно, не значит, что работать за таким дисплеем нельзя. Просто надо организовывать работу за такими экранами с небольшими перерывами для отдыха глаз. Кроме того, зловредный эффект от мерцающей подсветки может быть сглажен, если вокруг такого экрана организовано немерцающее световое окружение.
Если же сильные мерцания обнаружены у лампочек, то такие лампочки можно установить в тех местах, где освещением пользуются редко и недолго: в прихожей, в чулане, в туалете, на чердаке и т.п.
Следующий вопрос - где взять солнечную панель для датчика, если дома нет разбитого калькулятора?! А чаще всего именно так оно и бывает.
Первый вариант - взять, да и разбить калькулятор (шутка).
Второй вариант - купить маленькие солнечные панели на Алиэкспресс. Для датчика лучше (но не обязательно) использовать солнечные батареи не из нескольких соединённых последовательно панелей, а одиночные панели примерно такого вида:
Поскольку такие панели имеют полезную площадь значительно больше, чем маленькие панельки из калькуляторов, то для них придётся подобрать другой номинал нагрузочного резистора. Скорее всего, он будет находиться примерно в интервале от 0.5 до 5 кОм.
Стоят такие панели очень недорого, но, из-за того, что их продают не по одной штуке, а минимум по 10, то итоговая цена получается не крохотной.
Купить подобные солнечные панели можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс; цена на дату обзора с учётом доставки - около $3.5 в рублях по курсу (цена может меняться, проверяйте!).
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" сайта Smartpuls.ru - здесь.