Multispektrální světelný senzor pro Arduino: nanoampéry a testovací obvod

Jak identifikovat typ a zapojení neznámého tranzistoru

K tranzistorům BAT 102H neexistuje datasheet. Jiné tranzistory mají zase několik verzí pinoutů, které se neliší označením. Naštěstí lze typ i zapojení identifikovat pouze měřičem diod. NPN jsou jako dvě diody směřující od báze (B), PNP k bázi. Naše zapojení bude využívat pouze NPN tranzistory, které jsou v elektronice běžnější.

Multimetry pustí měřenou diodou 1 mA a zobrazí počet milivoltů na diodě 0–1999 mV. Pomocí toho rozpoznáme kolektor © od emitoru (E). Přechod B-C má nižší dopředné napětí než B-E. Příklad:

Měření nanoampér

Náš použitý optický senzor má výhodu z hlediska snadného filtrování světla do mnoha kanálů. Produkuje ale nízký proud, což je nevýhoda. Musíme proto být schopni měřit malé proudy v řádu nanoampér.

Takto malé proudy by mohly dělat dojem, že k jejich měření bude třeba drahý přístroj. Obyčejný multimetr ale má vstupní odpor 1 MΩ (nejlevnější modely) nebo 10 MΩ. I nejlevnější modely mají napěťový rozsah 200,0 mV. Ohmův zákon odhalí, že to je také nanoampérmetr s rozsahem 200,0 nA a rozlišením 100 pA (nejlevnější modely), nebo rozsahem 20,00 nA a rozlišením 10 pA. Stačí nám tak kromě multimetru už jen stará ustřižená 5V USB šňůra na závěrné napětí, kterým chceme testovat.

Nedokonale suchá utěrka položená na nepřerušeně izolovaný vodič způsobuje svodový proud 1,8 nA, jehož přesný mechanismus mi není znám.

Měření malých proudů je oblast typu „co nám ve škole neřekli“. Toto téma provozované doma mě fascinuje, protože mě překvapuje, jak nízké proudy se dají měřit a odhadovat jednoduchými domácími prostředky. Připojením svorkovnice na 5 V šňůru a sondy multimetru jsem si udělal měřící přípravek na malé závěrné proudy. Ale i když ve svorkách nebylo nic zapojeno, přípravek ukazoval asi 0,1 – 1,5 nA podle pozice drátů na stole a jiných nepředvidatelných vlivů. Svorkovnici jsem rozebral a vyčistil.

Přívody multimetru jsem vyčistil směsí vody a lihu a vysušil. Stůl z leštěného kamene jsem vyčistil saponátem a vodou a vysušil. Kámen je ale špatný izolant. Kritický je přívod multimetru, který je nezapojený. Přívody jsem zkrátil – sbalil gumičkou do balíčku – a podložil plastovou deskou ze staré klávesnice. Údaj jsem tak dostal na 0,0 nA. Stačí ale položit na izolaci šňůry multimetru utěrku a multimetr už ukazuje svodový proud v řádu nanoampér. Pohyb předmětů v blízkosti způsobuje dočasné odchylky způsobené statickou elektřinou na předmětech a kapacitou mezi předmětem a vodiči v obvodu.

Pečlivým uspořádáním měření se podařilo dosáhnout svodového proudu, který je tak malý, že se zobrazuje jako 0,0 nA.

S tím souvisí, že u elektroniky pracující s tak nízkými proudy je třeba dbát na čistotu povrchu součástek, účinné je vyčištění kartáčkem a vodou se saponátem, utření, vyčištění isopropyl alkoholem, utření a nechání vyschnout, nejlépe před větrákem. Součástky pak vypadají jako nové. Vyčištěním vstupní LED se mi podařilo snížit proud za tmy z 3,3 nA na 1,8 nA.

Princip funkce

Schéma jednodušší varianty senzoru na testování multimetrem. Tranzistory BAT102H, MJE13002, které jsem upcykloval, mohou být nahrazeny jinými malými signálovými tranzistory (nikoliv výkonovými, které budou mít větší svod). Pokud použijeme tranzistory s vysokým zesílením, např. výborné tranzistory BC 546–550, může být vhodnější menší počet tranzistorů v kaskádě, aby senzor neomezoval při silném osvětlení.

Obvod jednoho kanálu multispektrálního senzoru v testovací verzi bez omezovacího odporu. Vzdušná konstrukce pomůže minimalizovat svodové proudy v porovnání s konstrukcí na plošném spoji.

Obvod jednoho kanálu v testovací verzi bez omezovacího odporu, pohled ze strany.

LED (různých barev) je zapojena jako fotodioda v závěrném režimu. Ač šipky schematického symbolu směřují ven, LED světlo přijímá. Kaskáda tranzistorů postupně proud násobí konstantami – zesiluje.Odpor 1,5 kΩ v napájení zamezuje zničení komponent příliš velkým proudem a příliš velkému odběru z baterie, omezuje ho na asi 2 mA.

Vstupní LED v obvodu je zakryta černou gumou. Výstupní proud je 2,1 nA, vstupní odhadem 30 fA. Za úplné tmy je proud 1,8 nA.

Jedna nožička vstupní LED je odletovaná. Výstupní proud je 200 pA, vstupní odhadem 3 fA. Tranzistory mají tak 10× menší svod než LED. Omezující faktor je tak LED samotná.

Při běžném umělém osvětlení domácího pracoviště a LED namířené na zeď mimo lampu je výstupní proud 11,8 nA. Položíme-li svítilnu mobilu přímo na senzor, proud je 180 mA. Senzor samotný bez omezovacího odporu proto má dynamický rozsah 10⁸ (sto miliónů) ku jedné. 2,5 cm od senzoru je proud 4 mA. Ve vzd. 5 cm je to 1 mA. Tak to má být. Osvětlení klesá se čtvercem vzdálenosti.

Příště obvod rozšíříme o „koprocesor“ – bude počítat logaritmy jako analogový počítač.