Индикатор на нивото на оптични пулсации

В предишната статия разгледах проблема с амплитудно модулираната светлина и ползването на широчинно-импулсна модулация за регулиране на яркостта на светлинни източници (главоболие, намалена скорост на възприемане на визуална информация, провокиране на епилептични пристъпи при някои хора с епилепсия и други) и някои начини за установяване дали светлинният източник излъчва амплитудно модулирана светлина.

Тук ще разгледам устройство, което съм проектирал и изработил, с което може да се измери приблизително амплитудата на оптичните пулсации.

Благодарности на разработчиците на KiCad – програмата за автоматизация на проектирането, която ползвах при проектирането на печатната платка. Проектирал съм платки с молив и хартия в миналото; много по-удобно е със софтуер – спестява ми ръчното прерисуване на всички междинни версии и има автоматична проверка за съответствие с принципната схема.

Платката я изработих по лазерно-ютийната технология + повтаряне на очертанията на пътечките с перманентен маркер).

Устройството работи и може да се ползва при насищане на платката близо наполовина – в този случай се ползва амперметър за показване на нивото:

Едното контактно съединение води към батерия от 9V, а другото към амперметъра (не се вижда на снимката).

В последния момент добавих един „летящ“ резистор, който бях пропуснал при първоначалното проектиране – без него устройството не работи:

При половинчатия вариант липсват компараторите и управляваните от тях светодиоди. При добавянето им за индикация на нивото могат да се ползват светодиодите, амперметъра, както и двата метода едновременно. На практика е напълно достатъчно да се ползват светодиодите.

Ето как изглежда страната със спойките преди премахването на колофона (не го пестя):

При запояване слагам противогаз (като бях млад и зелен доста съм запоявал без противогаз, но сега, на дърти години, помъдрях и почнах да слагам). Пушекът от запояване е вреден, особено ако се ползва колофон. Може да доведе до астма. Това е един риск, който се пренебрегва много често. Това, че се сещате за баба си, която е пушила цигари цял живот, запоявала е с колофон без противогаз и е доживяла сто години не е валиден аргумент в полза на пушенето и запояването без противогаз (anecdotal evidence).

Изглед от страната с елементите (без периферията – батерии и амперметър):

Устройството се захранва с две батерии – 9V (за интегралните схеми) и 3V (за светодиодите). Като амперметър ползвам стрелкови мултиметър в режим 0,5mA:

Ето как изглежда триизмерният модел в KiCad (преди да се сетя да добавя онзи резистор):

Устройството може да се ползва само с батерия 9V. В този случай нивото на оптичните пулсации може да се наблюдава на амперметъра (светодиодите няма да светят). Може с добавянето на един „летящ“ ценеров диод или резистор да се доработи така, че светодиодите да се захранват от батерията 9V (но това не е ефективно – губи се много енергия и не може да се ползва стара батерия 9V с повишено вътрешно съпротивление, защото напрежението ѝ ще пада при натоварване).

Когато отворих новата версия на KiCad за да направя няколко снимки на екрана забелязах, че липсват компонентите, нещо при обновяването се е прецакало (може имената на триизмерните модели да са променени или да липсват...).

Тук пропуснатият резистор (R17) е добавен на платката:

Изходният код на устройството (във формат за KiCad) може да се свали от страницата ми в GitHub: vstoykovbg/optical-pulsation-level-indicator.

Изтегляне схемата в PDF формат.

Някои коментари по схемата

С операционните усилватели U1C и U1D е реализиран еднополупериоден прецизен върхов детектор (англ. half-wave precision peak detector). Обърнете внимание, че устройството не работи без резистора R17 (на много места в Интернет се среща подобна схема без този резистор).

Тоест, измерва се не точно разликата между максималното и минималното ниво на осветеността, а само височината на единия полупериод. Когато модулиращият светлината сигнал е симетричен напрежението на изхода е пропорционално на разликата между максималното и минималното ниво на осветеността. Когато обаче не е има някаква разлика. На практика чак такава точност не е необходима (достатъчно е да се види, че при включване на проверявания източник на светлина стрелката на амперметъра се премества надясно и/или светват повече от светодиодите).

Устройството не работи, ако осветеността е твърде голяма (твърде близо има мощен светлинен източник), защото се получава насищане на U1B.

Други схеми

Друга схема на подобно устройство, при което се мери точно амплитудата (разликата между минималната и максималната стойност на осветеността – peak to peak), независимо дали единия полупериод е с по-голяма амплитуда от другия:

В тази схема с един и същ ОУ (горния в ляво) са реализирани два еднополупериодни прецизни изправителя с кондензатори на изходите (добавянето на кондензатори ги прави два еднополупериодни прецизни върхови детектора (англ. two half-wave precision peak detectors).

С операционния усилвател горе в дясно е реализиран диференциален усилвател, който изчислява разликата между изходите на двата еднополупериодни прецизни върхови детектора и резултатът от аналоговото изчисление се подава към волтметър и към входа на компаратор (реализиран с операционния усилвател долу в ляво на схемата), който светва индикатора „има амплитудна модулация на светлината над прага“, реализиран със светодиод.

По този начин устройството измерва амплитудата peak-to-peak (от горния връх до долния).

Като фотодиод се ползва ярък червен светодиод (подбрах емпирично този, който дава най-силен сигнал).

Забелязах, че операционният усилвател (LM324N) работи като компаратор както се очаква само ако се свърже по начина, по който е изобразен на схемата. Ако се разменят местата на инвертиращия и неинвертиращия вход (и, разбира се, се коригира свързването на светодиода – разменят се местата на анода и катода и се свърже не към плюса на захранването, а към минуса), операционният усилвател отказва да работи като компаратор.

При тази схема не се наблюдава проблема с насищането при твърде ярка светлина – би трябвало да работи достатъчно добре дори и при ярък светлинен източник наблизо (не съм тествал колко и при каква яркост намалява чувствителността на „фотодиода“).

Тази схема съм я тествал на експериментална платка (breadboard):

Източникът на двуполярно захранване (не е показан на горната схема) е реализиран както е на следващата схема, която също съм тествал на експериментална платка:

Тази схема ползва по-проста схема на върхов детектор – еднополупериоден върхов прецизен детектор, реализиран чрез еднополупериоден прецизен детектор с кондензатор на изхода.

Не препоръчвам тази схема, защото се ползва същия брой операционни усилватели (една интегрална схема LM324N), но има една функция по-малко (липсва светодиод) и върховият детектор измерва амплитудата само на единия полупериод.

Бях я реализирал най-напред преди да се сетя, че може да свържа „фотодиода“ през разделителен кондензатор директно към входа на пиковия детектор (който ползвам и като усилвател), да ползвам единия от операционните усилватели като компаратор и да му свържа светодиод. Освен това при нея се наблюдава същия проблем с насищането при твърде ярка светлина – спира да работи ако е насочена към близък мощен източник на светлина.

Последователно на кондензаторите на изхода на детекторите не съм слагал резистори, и при трите схеми не съм забелязал проблеми заради това.