Почему дисплеи могут реагировать на изменение окружающего освещения?

Датчики окружающего света (ДОС или англ. ALS) — это фотоприемники, которые «копируют» реакцию человеческого глаза на интенсивность света в различных условиях освещения и с помощью различных материалов. Они чаще всего встречаются в промышленном освещении, бытовой электронике и автомобильных системах. Но в последнее время замечено увеличение их использования и в портативных устройствах оборудованных дисплеем, например смартфонах, что в основном связано с появлением ALS на микросхемах, значительно упростивших реализацию автоматического регулирования уровня яркости подсветки дисплея.

Помимо улучшения визуальных качеств дисплеев, применение схемных решений с
использованием датчиков окружающего света позволяет значительно улучшить и показатели
энергопотребления этих устройств. Подсветка жидкокристаллического дисплея может потреблять до 51% заряда аккумуляторной батареи в режиме ожидания входного сигнала. Одной из основных задач подбор датчиков окружающего света для LCD дисплеев с возможностью обнаружения длин волн, видимых человеческому глазу (400 – 700 нм). Существует много типов ДОС. Некоторые технологии существуют уже несколько десятилетий, а некоторые все еще находятся в стадии разработки.

Типы датчиков окружающего света

Технология ДОС включает в себя фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и микросхемы ALS.

Фоторезисторы

Фоторезистор имеет сопротивление, которое изменяется в зависимости от интенсивности света. Соответственно он способен реагировать на свет, что чем – то похоже на человеческий глаз. В темноте сопротивление фоторезистора будет максимальным (например, 1 Мом), а при попадании на фоторезистор световых волн данное сопротивление уменьшается (например, 10 – 20 кОм при 10 лк).  Кадмий-сульфидные (CdS) фоторезисторы (рисунок ниже) были очень распространены много лет назад, но с 2006 года кадмий попал в список запрещенных материалов:

20-миллиметровый фоторезистор CDS выполнен из полупроводникового материала

Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство с PN или PIN-структурой, которое преобразует свет в электрический ток. Структура PIN обеспечивает лучшие условия для поглощения световых волн:

Устройство фотодиода с PIN структурой

Фотодиоды имеют малый выходной ток, который требует внешней схемы усиления, обычно работающей с обратным смещением. Свет, поглощаемый в области истощения или внутренней области, генерирует электронно-дырочные пары, большая часть которых способствует протеканию «фототока».

Величина проводимого фотодиодом тока, пропорциональна количеству света, попадающего на его чувствительную поверхность. Одной из ключевых характеристик фотодиода является его отклик на длину волны света, которая может варьироваться в зависимости от материала:

Таблица зависимости проводимости различных фотодиодов в зависимости от их материала и длины волны света

Другие типы фотодиодов имеют несколько иные режимы работы, например, лавинный диод и фотодиод Шоттки, которые могут лучше адаптироваться к потребностям схемы. Фотодиоды используются во многих приложениях, таких как световые индикаторы, мониторы пламени, сканеры штрих кодов, световые ручки и многое другое.

Фототранзисторы

Эти полупроводниковые световые датчики формируются из транзистора с гораздо более крупными основаниями и зонами коллектора, которые делают их более светочувствительными:

Принцип работы фототранзистора

Небольшой обратный ток насыщения, называемый «темным током», протекает через фототранзистор даже при отсутствии света. Его значение возрастает с увеличением значения температуры, свойства, идентичного тому, которое проявляется в обычных транзисторах.

Фототранзисторы имеют более высокий выходной сигнал, чем фотодиоды. Они чувствительны к широкому диапазону длин волн от ультрафиолетового излучения (УФ) до инфракрасного излучения (ИК), включая спектр видимого излучения, находящегося между ними. Но они не могут работать при высоких напряжениях, если они сделаны из кремния. Кроме того, они имеют плохой высокочастотный отклик из-за большой емкости между коллектором и базой. Фототранзисторы используются в широком спектре приложений, таких как обнаружение объектов, проигрывание компакт-дисков, инфракрасные приемники, принтеры и ксероксы, системы ночного видения и другие устройства.

Микросхемы с датчиками окружающего света

Существуют как аналоговые, так и цифровые интегральные микросхемы – каждая из них пользуется большим спросом на рынке и постоянно дорабатывается. Также датчики с интегральными схемами работают значительно лучше приводимых выше. Например, получения необходимого выходного тока в таких системах значительно упрощено. Также они могут интегрировать значительно больше функций, что приводит к значительно меньшему количеству вспомогательных схем, а это даёт возможность экономить место на печатной плате и снижать время и расходы на проектирование готовых изделий.

Аналоговый токовый выход аналогового ALS пропорционален уровню падающего света и чувствительности спектра, подобно человеческому глазу. Затем он может быть преобразован в напряжение, используя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и подан на микроконтроллер или непосредственно в качестве входа в интегральную схему драйвера светодиода. Цифровая интегральная схема ALS обычно имеет 16-разрядный цифровой выход I2C. Интегрированный АЦП преобразует выход фотодиода в сигнал I2C. Микросхемы ALS теперь обычно встречаются в приложениях подсветки ЖК-дисплея.

Технологии с датчиками окружающего света будут и дальше наращивать темпы развития так как количество устройств, нуждающихся в их применении, постоянно растет. Такие устройства могут включать в себя и более 10 датчиков окружающего света, в том числе и на микросхемах. В настоящее время, по мере развития технологий, стоит ожидать все большего количество интегральных микросхем, включающих в себя не только ALS но и датчики приближения, которые уже используются некоторыми разработчиками.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: