环境光传感器在自动灯调光中的应用

自动灯调光在工厂和办公室等工作环境中是首选，以确保工人完成任务的最佳照明，同时最大限度地减少照明所消耗的总能量。环境光传感器(ALS)通过将电气照明与自然光相结合，有助于确定正确的亮度设置，从而实现最佳照明。

ALS原理

Vishay等ALS供应商通常使用光学滤波器调整传感器的光谱响应以模拟人眼。在实践中，这使得电子调光器能够连续地调节灯的亮度，以确保照明始终满足人类工作者的需要，因为白天的自然光水平变化。然而，其他传感器特性可能取决于诸如探测器尺寸，批次间制造变化以及传感器是否具有光电晶体管或光电二极管输出等因素。

如果硅晶体管的基极暴露对于可见光，发生电离，产生电荷对，其具有与外部施加的基极电流相同的效果。如果仅与基极和集电极连接，则器件充当光电二极管，并且根据入射光的强度和芯片的光敏性，小电流将流动。另一方面，将器件偏置为晶体管会产生光电二极管电流的放大。在这种情况下，输出电流取决于晶体管增益以及芯片的光敏性。

使用光电晶体管输出进行设计

基于光电晶体管和光电二极管原理的环境光传感器可用在市场上。基于光电晶体管的器件由于制造公差而表现出更大的可变性，因为输出电流取决于晶体管电流增益以及光敏性。 Vishay根据在所述测试条件下产生的光电流，在三个BIN组(A，B，C)中提供基于光电晶体管的器件，例如其TEMT6200FX01和TEMT6000X01。这使用户能够通过优化必须连接到光电晶体管传感器的发射极引脚的负载电阻的值来最小化其应用中的传感器输出可变性(图1)。

图1：负载电阻与光电晶体管传感器发射极串联。

根据最终应用中预期或测量的照度选择负载电阻的值。对于TEMT6200FX01，输出电流范围从最小值7.5μA到最大值39μA(100 Lux)。在此范围内，器件分为三个BIN，具有最小，平均和最大光电流，如表1所示。

部件号BIN光电流(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：光电晶体管BIN和相应的光电流限值。

如果应用检测范围为10 Lux至1000 Lux，则为负载10kΩ的电阻将提供可接受的输出电压范围，从10 Lux的0.023 V到1000 Lux的2.30 V.当连接到bin B中的器件时，10kΩ电阻会产生0.18 V的平均输出电压，平均光电流为18μA，如表1所示。可以计算替代电阻值，以便与来自电池箱A和C的设备一起使用，实现相同的0.18 V平均电压，从而最大限度地减少使用不同电池组的电路之间的响应差异。

因此，根据BIN改变电阻，容差为光电传感器从5倍(7.5μA到39μA)降低到2(7.5-15μA，12-24μA或19.5-39μA)。

如果传感器的输出是要通过模数转换器(ADC)进行转换，可能需要一个放大器电路，如图2所示，具体取决于ADC的灵敏度。

图2：通过ADC放大光电晶体管ALS输出以进行转换。

所示示例针对1 Lux至1000 Lux的照度进行了优化。这可能适用于办公室照明的自动调光等应用(见表2)。其他应用可能要求传感器在更高的照度下保持响应。 Vishay的TEMT6200FX01和TEMT6000X01等传感器可在1 Lux至100,000 Lux的宽范围内提供线性响应。 TEMT6200FX01在此范围内的输出电流范围为180 nA至18 mA。如果使用1kΩ负载电阻，则输出电压范围为0.18 mV至18 V.如果典型工作电压为5 V或更低，则在这种情况下，1kΩ显然不适合RL。必须计算较低的值，或者可以调整可选运算放大器电路的增益，以实现适合ADC的输出电压范围。

光源照明(勒克斯)路灯20黄昏1至100客厅50至200办公室200至600工作室5 k至10 k阴天2 k至10 k朦胧25 k至50 k明亮的太阳50 k至100 k

表2：常见照明场景的典型Lux值。

在具有光电二极管输出的ALS中进行设计

由于光电二极管的批次间差异仅由光敏度变化引起，与基于光电晶体管的环境光传感器相比，器件特性更加匹配。公差通常在20%至30%之间。另一方面，光电二极管的输出远小于光电晶体管型ALS的输出。必须使用低噪声前置放大器电路，如图3所示。

图3：光电二极管型ALS需要低电平输出端的噪声放大器。

然而，在使用基于光电二极管的ALS时，设计人员还应记住输出电流可能受芯片尺寸的影响。较大的芯片显然具有较大的检测区域，因此产生更大的光电流。 TEMD5510FX01包含7.5 mm 2 芯片，产生的电流是TEMD6010FX01的两倍，TEMD6010FX01的芯片小得多，敏感区域仅为0.27 mm 2 。/p>

计算窗口尺寸

如果要将传感器安装在盖子后面，则需要一个窗口。无论使用哪种类型的ALS，窗口的尺寸和性能都会影响传感器输出的大小。理想地，窗口材料应该透射400nm至700nm范围内的可见光。此外，窗口的尺寸应设计成允许传感器的充分照明以产生可接受的输出电流。如果传感器的半灵敏度角度指定为±60度，则可以将视场设想为具有±60度角的锥形区域，其直接位于芯片的中心上方。基于该假设，控制窗口设计的两个关键尺寸是从芯片的顶表面到窗口的外表面的距离以及窗口的宽度。

为了确保传感器的最大照度，可以使用图4的图表计算距传感器给定距离所需的窗口宽度，其中α= 60度。认识到距离d可以由诸如对传感器的最大总高度的限制之类的约束决定，可以计算尺寸x。当x已知时，窗口大小w可以计算为2x加上传感器活动区域的大小。在图4中，假设为0.75 mm。

图4：计算窗口宽度和最大照明位置。

如果由于任何原因需要较小的窗口，则传感器可以定位得更靠近孔径，从而导致d的值更小。值得注意的是，将α的值设置为60度给出了最佳窗口宽度的值。如果需要，窗口宽度可以相对于芯片尺寸和距离d减小，理解传感器输出电流也将低于可以从数据表中推断的。在这种情况下，建议确定实现传感器可接受输出所需的最小窗口宽度。可以调整放大器电路中的电阻值或放大器增益，以通过更小的窗口实现更大的最大输出电压。

结论

环境光传感器通常调整为表现出接近人眼的光谱响应。即便如此，设计师在为其应用选择最佳设备时仍有几种选择。根据可接受的灵敏度容差以及解决方案尺寸，输出电路元件成本和设计约束，可以选择光电二极管类型或光电晶体管类型传感器。选择器件后，还必须确定保护窗的大小和位置(如果需要)，以确保输出在应用确定的最大和最小照度水平下具有合适的幅度。