問題: 是否能使用儀表放大器來測量兩個光源的差異?

答覆: 是的,可以把儀表放大器的兩個主要電阻換成兩個光阻。

在許多照明應用中,測量兩個光源的相對強度會比測量個別光強度更加重要。這種作法可確保兩個光源維持相同光照強度。舉例來說,比較同一棟建築物內部主控室(Room1)與第二房間(Room 2)的亮度,以便在日夜任何時間調整照明設定,或是讓工作環境維持一致的照明強度。

判斷相對光強度的一種方法就是測量兩個光偵測元件的輸出差距。運用接地參照值,即可把輸出差轉換成單端電壓訊號。

圖1的電路顯示一種簡單但有效的方法,以用於克服這個問題,其運用了一個內含電阻增益控制機制的儀表放大器,例如AD623系列。

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圖1:用來測量相對光強度的簡單電路

請注意在這個電路中,有兩個特殊電阻R1與R2。R1 (LDR1)用於測量兩個光源的亮度。

什麼是LDR?它代表光敏電阻或光阻。這種被動元件內含一個電阻,其電阻值會隨著光強度改變。光敏電阻形狀與顏色不一,應用在許多電路中,包括例如警報器、切換開關元件、時脈以及街燈等。

一般而言,在暗處時LDR的電阻相當高 —— 幾乎到1兆歐姆(MΩ) —— 當有光線照到LDR時,電阻就會降到幾千歐姆(10 lux時為10kΩ至20kΩ ,100 lux時則為2kΩ至4kΩ),實際數值視型號而定。

這個電路使用的LDR為RadioShack公司的產品(型號# 276-1657)。

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圖2:RadioShack零件型號#276-1657

圖1示意圖運用了一個AD623以及兩個LDR。作為主感測器的光阻R1是參考點光源。它被當成光強度的基準,位置設在主控室。若比較超過2個光源,在每次比較時都應使用這個光源作為參照。不論日間或夜晚都能進行比較。這裡要注意到電阻的變化須耗時8至12毫秒,而電阻要變回初始值也得耗費數秒時間。

這樣的設計相當簡單。系統的電源為正負5伏特(V),兩個輸入端的輸入電壓為VIN。因此,兩個光阻會有一端其電壓會相同,而另外一端則是接地端。若照到兩個光阻的光線相同,則兩個元件的電流差會是零,因為其電阻相等。結果就是輸出電壓為零伏特。當兩個房間的照度不一致,代表兩邊光源的強度有差異,則會在系統的輸出端產生電壓,而這個電壓的極性則反映出哪個房間比較亮。倘若輸出電壓為正,意謂LDR2有較多光線,反之亦然。

圖3顯示輸出波形的示波器圖。輸入電壓為1V p-p方波,頻率為1kHz,輸出(約2伏特)則顯示Room 2房間的光源比較亮。

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圖3:輸出電壓反映相對的光強度

在本文的電路中,有兩個LED接到AD623的輸出端。當輸出為正(光源2較亮)時,紅光LED接到輸出端的正極,當光源1較亮時,正極接地的黃光LED就會開啟。注意到LED的亮度顯示房間的相對光照強度。

當兩個房間亮度相同,其接受的照度就相同,輸出則是0伏特,兩個LED就會關閉。

電路輸出端的電壓為:

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輸出端的均方根值為兩個光源的強度

在校正LDR1的數值以找出特定亮度下的電阻精確值後,LDR1就可換成純正電阻,之後系統會比較LDR2的值和一個特定亮度。固定電阻可作為已知亮度參考值的對照。這種電路可作為搜尋陽光方向的「追日系統」(solar seeker) —— 用來追蹤光源的簡單元件。這類的元件可使太陽能光電板隨時朝向太陽,或安裝在搜救機器人之中以引導受困人員朝向有光線的方向前進。在實作追日系統方面,可用一個伺服馬達來旋轉光阻元件。

運用AD623等儀表放大器,就能把裝有LDR1與LDR2的系統放在不同房間,測出兩個燈泡的效率。這個低功耗電路只須兩顆3號(AA)電池就能運作,在各種要求低功耗的應用中相當實用。