Helligkeitssensor Licht automatisch und komfortabel regeln

Je nach Umgebungslicht variiert bei Laptops, Projektoren, Handys, PDAs und anderen Geräten mit beleuchteten Displays die Lesbarkeit. Über das manuelle Anpassen der Betriebsparameter im Gerätemenü lässt sich eine optimale Lesbarkeit zwar wiederherstellen, doch das ist nicht mehr zeitgemäß. Denn Umgebungslichtsensoren, wie etwa der ISL29015, machen das automatisch.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

ABM Asset and Business Management AG

Intersil GmbH

Das elektromagnetische Spektrum umfasst den gesamten Bereich der elektromagnetischen Strahlung und ist in sieben Abschnitte aufgeteilt (in der Reihenfolge von den längsten Wellenlängen zu kürzesten): Hochfrequenz (Radiowellen), Mikrowellen, Infrarot (750 nm bis 1 mm), sichtbares Licht (380 bis 770 nm), ultraviolettes Licht (10 bis 380 nm), Röntgen- und Gammastrahlung. Sprechen wir über Licht, dann meinen wir damit den für uns Menschen sichtbaren Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums mit der Wellenlänge 380 bis 770 nm. Beim Erfassen/Messen von sichtbarem Licht muss darauf geachtet werden, unerwünschtes infrarotes und ultraviolettes Licht auszufiltern. Diese beiden Spektakelbereiche sind für das menschliche Auge unsichtbar und können zu ungenauen Sensormessungen führen.

Licht lässt sich auf unterschiedliche Weise detektieren, wie etwa mit einem Fototransistor, einem lichtempfindlichen Widerstand oder einer Fotodiode. Für die meisten Lichterfassungsanforderungen dürften Fotodioden heute der beste Sensor sein. Die Fotodiode ist ein Halbleiterbauteil, das zur Erfassung von Licht und zur Erzeugung eines Stroms dient. Ähnlich wie integrierte Schaltungen stellt man Fotodioden aus Einkristall-Siliziumswafers her. Das Blockdiagramm einer typischen Sensoranwendung enthält eine Fotodiode, einen Stromverstärker und ein Tiefpassfilter aus passiven Bausteinen, mit denen das Licht-Eingangssignal erkannt und in ein Spannungssignal am Ausgang umgesetzt wird.

Neben der Fähigkeit, sichtbares Licht bei gleichzeitiger Ausfilterung unerwünschten Infrarotlichts zu erkennen, muss man für die Implementierung einer Näherungserkennung infrarotes Licht erfassen können. Eine Integration dieser beiden Funktionen in einem kompakten Gehäuse bringt wichtige Vorteile für den Endanwender und entspricht genau dem, was heute auf dem Markt gefragt ist.

Einsatz auch als optischer Näherungssensor

Intersil ist seit langem Experte im Bereich der Lichterfassungstechnik und erweitert seine monolithischen ALS-ICs (ALS, Ambient Light Sensor) mit dem integrierten Produkt ISL29015. Dieser Baustein nutzt seine Sensorfunktion auf eine besondere Weise, wodurch er sich auch als optischer Näherungssensor einsetzen lässt.

Das durch die Photonen erzeugte elektrische Signal wird über einen integrierten 16-Bit-A/D-Wandler digitalisiert. Ein I2C-Befehl liest das Umgebungslicht oder die Intensität des Infrarotlichts in einer Pulsfolge aus. Die Wandlungsmethode eignet sich optimal für die Umwandlung kleiner Signale in einer Umgebung mit periodischen Wechselspannungsstörungen. Mit einer Integrationszeit von 100 ms lassen sich zum Beispiel Netz-Brummstörungen mit 50 bzw. 60 Hz gut unterdrücken. Zur dynamischen Anpassungen an unterschiedliche Beleuchtungsbedingungen bietet der A/D-Wandler eine über I2C programmierbare Bereichsauswahl. Für sehr schwach beleuchtete Umgebungen lässt sich der A/D-Wandler auf Bereich 1, mit hoher Verstärkung konfigurieren, während man ihn für sehr helle Umfelder auf niedrige Verstärkung (Bereich 4) einstellt.

Jedes Objekt reflektiert einen definierten Teil des Lichts

Während Umgebungslichtsensoren den sichtbaren Spektralbereich nutzen, arbeiten Näherungssensoren im Infrarot-Bereich. Statt das Umgebungslicht zu messen, schätzt ein Näherungssensor die Nähe zu einem Objekt durch eine Intensitätsmessung des reflektierten Infrarotlichts ab (z.B. das Gesicht eines Bedieners). Näherungssensoren nutzen Reflexionen. Dabei gibt eine Infrarot-LED ein Infrarotsignal ab. Jedes Objekt vor einer Infrarot-LED reflektiert einen gewissen Anteil dieses Signals zum Näherungssensor. Die Reflexion ist dabei umso stärker, je näher das Objekt ist (Bild 1).

Nach einer Kalibrierung (für Verluste wie z.B. die Abdunkelung durch das Glas eines Mobiltelefons) zeigt das Ausgangssignal des Näherungssensors die Nähe eines Objektes an. In der Entwicklung sind beim Einsatz eines Näherungssensors einige Punkte zu beachten, wie zunächst einmal die Auswahl der Infrarot-LEDs. Der zweite Aspekt betrifft den Aufbau des zu erfassenden Objektes. Sensoren kalibriert man meist anhand einer standardisierten reflektierenden Oberfläche wie z.B. eines grauen Papiers mit 18% Reflexionsgrad. Je höher der Reflexionsgrad der Oberfläche ist, umso mehr Licht fällt zurück auf den Sensor.

Die Filtercharakteristik des Glases ist zu berücksichtigen

Die zweite Gruppe der für das Design wichtigen Punkte betrifft mechanische Aspekte: Wie gut ist z.B. die Infrarot-LED vom Sensor isoliert? Streulicht kann die Messwerte verderben. Dabei sind nicht nur die Platzierung der Komponenten, sondern auch alle (absichtlich aufgebaute oder zufällige) Hindernisse zu berücksichtigen. In der Regel gibt es außerdem eine zusätzliche Glasplatte als Schutz zwischen der Elektronik und dem Anwender. Dieses Abdeckglas besitzt seine eigene Filtercharakteristik, die im Design berücksichtigt werden muss.

Grundsätzliche Überlegungen zum Board-Design

Bild 2 zeigt, wie man eine Anwendung zur Näherungsmessung konfiguriert. In der Regel befinden sich der Chip ISL29015 und die Infrarot-LED auf der gleichen Leiterplatte, und das Abdeckglas befindet sich direkt darüber. Dieses Abdeckglas sollte sich über die gesamte Länge und Breite der Leiterplatte erstrecken.

Der Abstand zwischen ISL29015-Lichtsensor und Infrarot-LED sollte etwa 4 bis 5 mm (Mitte-Mitte) betragen. Beide Komponenten müssen auch so nahe wie irgend möglich am Abdeckglas angeordnet sein; beste Ergebnisse lassen sich mit einer Entfernung von weniger als 1mm erzielen. Wenn möglich, sollte das Abdeckglas direkt auf der Infrarot-LED liegen, weil dadurch keine Reflexionen des Infrarot-Lichts durch das Abdeckglas entstehen.

Zur Vermeidung weiterer potenzieller Infrarot-Lichtstreuungen (die zu fehlerhaften Entfernungsberechnungen führen könnten), sollte sich eine Barriere zwischen dem ISL29015 und der Infrarot-LED-Lichtquelle befinden. Diese Barriere muss sich über die gesamte Breite der Leiterplatte erstrecken und die Lücke zwischen Leiterplatte und Abdeckglas komplett füllen.

Das Abdeckglas kann unterschiedlich dick sein. Man sollte aber beachten, dass ein zu dünnes Abdeckglas womöglich zu wenig mechanische Stabilität bietet. Noch wichtiger aber ist, dass das ausgewählte Abdeckglas genügend infrarotes Licht durchlässt. Besitzt das Abdeckglas einen niedrigen Infrarot-Absorptionskoeffizienten, so kann man für einen besseren Schutz eine größere Dicke verwenden.

Die Entfernung zwischen Leiterplatte samt aufgesetztem Abdeckglas und Front-Display oder Bildschirm ist bei einer Anwendung abhängig von der Infrarotabsorption des Abdeckglases und der Durchlässigkeit/Dämpfung für sichtbares Licht. Dunkelt der Glasfilter das sichtbare Licht und die Infrarotstrahlung nicht ab, so darf diese Entfernung 4 bis 5 cm betragen. Besitzt das Abdeckglas eine stärkere Infrarotdämpfung, so ist eine kürzere Entfernung oder eine Infrarot-LED mit höherer Intensität erforderlich.

Anwendungsberichte und Evaluations-Board

Für den Aufbau von Näherungssensoren bietet Intersil Anwendungsberichte und ein Evaluations-Kit. Das Kit besteht aus einer Platine, einer CD mit einer multifunktionalen Software zur Sensor-Evaluierung sowie aus einem USB-Anschlusskabel. Mit der Software kann der Entwickler Betriebsart, Integrationszeit, Empfindlichkeit, Quellstrom und Infrarot-Modulationsfrequenz auswählen.

Durch die Wahl eines Empfindlichkeitsbereichs lässt sich die Anwendung an Umfeldbedingungen anpassen, die sich auf die Objekterkennung auswirken könnten. So würde z.B. ein wirklich helles Objekt einen höheren Helligkeitsbereich benötigen, während ein dunkleres Objekt einen niedrigeren oder empfindlicheren Bereich braucht. Der Infrarot-LED-Treiberstrom lässt sich über den Quellstrom einstellen. Ein größerer Strom erlaubt das Erkennen von Objekten über größere Entfernung. Über die Infrarot-Modulationsfrequenz lässt sich die Störunempfindlichkeit verbessern.

*Martin Baumbach ist Applikationsingenieur bei Intersil in Ismaning bei München.

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