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环境光传感器原理及在汽车中的应用

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环境光传感器原理及在汽车中的应用

发布日期:2018-12-25 作者: 点击:

摘要:在轿车环境中咱们可以越来越多看到的一种独特解决方案便是遍及整个轿车内部环境的环境光传感器的普及运用。本文将评论环境光感应的原理以及在轿车环境中选用这种器材的优势。

  

  挑选光传感器的考虑因素

  

  一般有几种办法可以对光进行检测,例如经过运用光电晶体管、光敏电阻或光电二极管来完成,但关于当今运用的总的光感要求而言,基于IC的单片光电二极管是zui好的挑选之一。光电二极管是用于探测光并生成电流的半导体,它基于单晶硅片结构而成,与用于生产集成电路的晶体硅片类似。点光源一个典型的传感器运用框架图包含一个光电二极管、一个电流放大器和一个无源低通滤波器,以检测并处理光输入引起的输出电压信号。可以将所有这些器材集成并选用小型封装关于终端用户而言对错常有利的,而且这恰恰就是当前的商场需求。

  

  为运用挑选恰当光传感器时的另一个重要方面,是要理解关于运用而言,哪项重要规范是zui为要害的,zui需求重视哪一项。一般来说,在挑选一个光传感器时,需求着重考虑的因素如下:

  

  光谱呼应/IR抑制:环境光传感器应该仅对400nm至700nm的规模有感应。

  

  Lux的zui大规模:直射阳光可以多达130,000Lux,可是大多数运用要求zui大规模为仅为10,000Lux。

  

  低Lux光敏度:依据光传感器位于顶端的镜片的类别,光衰减可以为25-50%。假如低光敏度十分要害(<5Lux),必须注意挑选可以在这个规模内作业的光传感器。

  

  集成的信号调理(即放大器和ADC):一些传感器或许供给十分小的封装,可是却需求一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。具有更高集成性的光传感器省去了关于外部元件(ADC、放大器、电阻器、电容器等)的需求。

  

  功耗:关于要接受高Lux级(>10,000Lux)的光传感器来说,zui好选用一个非线性光到模拟输出光传感器,或一个光到数字输出的光传感器。接下来还将对此进行具体阐明。

  

  封装巨细:关于大多数运用来说,封装都是越小越好。现在可供给的封装为2.0mm×2.1mm光学DFN,而1.3mm×1.5mm4lead封装则是下一代封装。

  

  一旦确定了上述重要规范,需求考虑的下一个问题就是哪类输出信号zui有助于目标运用。关于大多数光传感器,zui常见的输出为线性输出电流。虽然这适用于一些运用,但现在有更多的可选项,其中包含线性电压输出、数字输出(经过I2C接口)或许非线性电流或电压输出。每种都具有它们的优势,如下所列。

  

  线性模拟输出——电流或电压输出:更常见的感应器输出,快速呼应时刻(数字输出受限于积分时刻),在操控器中集成ADC转换器,电压输出省去了关于外加电阻(将电流转换为电压)的需求并供给一个低阻抗输出。电流输出需求在输出添加无源元件来将电流转换为电压、设置传感器的增益规模并依据需求添加低通或高通滤波器。

  

  非线性模拟输出——电流或电压输出:答应极弱光灵敏度和zui大动态规模(高达100,000Lux),感测光与人类察觉光的办法愈加类似(非线性与线性),电压或电流非线性输出的挑选,电压输出为低阻抗而电流输出为高阻抗。 vcsel激光镭射

  

  数字输出:输出可以直接与操控器相连接(无需ADC),数字输出本身比模拟输出更具有噪声免疫性,答应传感器具有更多的数字功用(即愈加智能的光传感器),更易于在通用I2C总线上的网络作业,更易于答应将多个光传感器置于同一个I2C总线上(地址挑选引脚),恒定功耗(模拟输出电路损耗与入射光密度成正比)。

  

  为更好地理解这些传感器的结构,让咱们愈加细心地调查模拟和数字输出传感器的架构。首要评论的传感器是Intersil公司的EL7900线性输出电流感应器。

  

  EL7900集成了PIN型光电二极管与电流镜增益级功用,用于一个线性度运行高达10,000Lux的光传感器。动态规模与灵敏度可以经过输出上的一个负载阻抗(接地)很容易地进行调理。挑选一个更低阻值的电阻器将供给更宽的动态规模,可是却需求以弱光灵敏度为代价。另一方面,挑选一个更高阻值的电阻器会供给增强的弱光灵敏度,但却要以牺牲动态规模为代价。因而,这种挑选完全取决于终端用户的运用以及他们是需求更低的光敏度还是更大的动态规模。

  

  为更好地理解选用一个光-数字光传感器的好处和功用,下面将评论Intersil公司的ISL29003和ISL29004,如图1所示。

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  ▲图1:Intersil公司的ISL29003和ISL29004光传感器

  

  图中可以清晰地看到经过选用一个更为杂乱的数字输出光传感器可帮助完成的功用。首要,这个器材(ISL29003)仍适用于十分紧凑的2mm×2.1mm光学DFN封装(ISL29004,带有两个用于地址挑选的附加引脚,适用3mm×3mm8LD光学DFN封装)。除了具有集成了一个16位ADC和采有一个数字I2C输出的优势外,ISL29003也支撑增益挑选(经过I2C软件)和积分时刻操控。增益挑选功用十分有用,例如,假如需求极高的光敏度,那么可以很简略的经过I2C发送一个命令来将增益设置到增益1,然后供给史无前例的每Lux65次计数(每Lux65次或每0.1Lux6.5次)。假如动态规模愈加重要,则可以将增益选项变更为4,那么传感器的动态规模就可以达到64,000Lux。这个特色以及中断引脚(报警引脚)就是环境光传感器的主要优点,可以为终端用户供给很大的优势。

  

  光敏件的挑选完全取决于终端客户,可是数字光传感器的办法正不断获得好评,这是由于其具有功用和灵活性的优势(特别是关于轿车运用而言),它们需求选用I2C数字输出信号(更低的噪声,可以在相同的总线上网络覆盖数个传感器,关于灵敏特性进行更好的操控,并完成更好的整体传感功用)。

  

  在挑选恰当的光传感器时的另一个考虑因素是挑选一个带有抱负光谱呼应的传感器。一般PIN光电二极管(无源或许有源)本身具有十分宽的光谱呼应规模,包含IR射线甚至UV射线。

  

  从理论上来说,用户需求挑选一个仅能感应可见光(380nm至770nm)并削弱无用的IR信号的光传感器,如下图深青色线所表明的(ISL29003光谱呼应)

  

  这些要求如安在一个实际的运用中完成呢?让咱们看一看环境光传感器是如安在一个主动的白光LED背光操控电路中作业的,在轿车背光运用中一般可以看到这种操控电路。

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  ▲图2:选用了光传感器的白光LED背光操控电路

  

  在该电路中(图2),LED由白光LED驱动器(EL7630)所传送的恒定电流来驱动。跟着环境光的添加,EL7900光传感器将更多的电流注入到白光LED驱动器的反应端;在亮堂的环境里,光传感器注入更多电流到反应端,因而,它减少了白光LED的输?

  

  电流和输出光密度。环境光密度和白光LED输出电流的关系图如下所示:

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  光传感器的输出电流由Iout=E(6uA/10Lux)来表明。

  

  光传感器在轿车中的运用

  

  上文现已谈论了光传感器的根底,下面将探讨选用光灵敏传感器的商场及运用。从便携式消费类商场(智能、PDA、台式计、便携式音乐播放器等等)到消费类电视机商场(TFT-LCD、等离子、尾部投影、CRT等等),再到医疗、工业及轿车商场,光传感器可谓无所不在。

  

  在轿车环境中,主要的运用如下:车载文娱/导航/DVD体系背光操控,以便在所有的环境光条件下都可以显现出抱负的背光亮度;后座文娱用显现器背光操控;外表组背光操控(速度计/转速计);主动后视镜亮度操控(一般要求两个传感器,一个是前向的,一个是后向的);主动前大灯和雨水感应操控(专用,依据需求进行改动);后视相机操控(专用,依据需求进行改动)。

  

  光传感器在供给更舒适的显现质量方面现已成为zui有效的解决方案之一,它具有与人眼类似的特性,这关于轿车运用而言至关重要,由于这些运用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光作用。例如,在白日,用户需求zui大的亮度来完成zui佳的可见度,可是这种亮度在关于夜间条件而言则是过亮的,因而带有杰出光谱呼应(杰出的IR衰减)的光传感器、恰当的动态规模和整体的杰出输出信号调理可以很容易地主动完成这些运用。现在终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光),或可以随意地动态地改动传感器的背光亮度。

  

  这也适用于轿车后视镜亮度操控,当镜子变暗和/或变亮时需求智能的亮度管理,可以经过环境光传感器来完成。

  

  关于便携式运用,假如用户不改动体系设置(一般是亮度操控),那么一个显现器总是耗费同样多的能量。在室外等特别亮的区域,用户倾向于提高显现器的亮度,这就会添加体系的功耗。而当条件改动时,如进入建筑物,大多数用户都不会去改动设置,因而体系功耗仍然坚持很高。 红外发射接收可是,经过运用一个光传感器,体系可以主动检测条件改动并调理设置,以保证显现器处于zui佳的亮度,进而下降总功耗。在一般的消费类运用中,这也可以延长电池寿命。关于、笔计本电脑、PAD和数码相机,经过选用环境光传感器反应,可以主动进行亮度操控,然后延长了电池寿命。

  

  感应环境光并不是一个新的设想。在数十年前就现已利用光电二极管和光敏电阻来完成这一设想。所谓新设想,是指对环境光感应的一起还能消减无用的红外线和紫外线光,而且在支撑轿车规范AECQ-1000严格要求的一起还可以完成小封装,尤其是可以保证在-40摄氏度至+105摄氏度(2级)温度规模内的操作,以满意其余的规范要求。如何坚持作业质量规范并满意AECQ-1000的2级作业要求,这是当今在所有光规划解决方案中所面临的应战。选用一个光传感器或LED发射器或接收器时,任何的光学解决方案都会面临着暴露在恒定高温下(>+85摄氏度)而呈现的封装变色问题(会变暗或变成淡黄)。同样值得一提的是,到目前为止,所有环境光传感器的运用都限于车舱内,在发动机舱或户外环境中还没有呈现光传感器运用。事实上,即使呈现了这样的运用,光封装也不是针对这样的严苛条件(+125或+150摄氏度的条件)而规划,因而,在当前的光学封装技能下,它们很或许还不可以接受这样的条件。但假如轿车商场确定了在轿车发动机舱内关于光传感器的需求,信任光传感器厂商定会想出办法加以支撑。

  

  本文小结

  

  半导体类似传感器和封装开发的zui新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的挑选。小封装、低功耗、高集成和简略易用性是规划者更多地选用光传感器的原因,其运用规模触及消费类电子、工业运用以及轿车范畴。

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关键词:环境光传感器原理,环境光传感器在汽车中的应用,环境光传感器的应用

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