Umgebungslichtsensoren imitieren das menschliche Auge

Wie hell ist hell? Die Leuchtdichte oder die Helligkeit von Licht wird in Lux gemessen. So hat direktes Sonnenlicht 100.000 Lux, während eine Straßenlaterne eine Leuchtdichte von nur 20 Lux aufweist. Wird zu lange auf helle und leuchtende Bildschirme geschaut, kann dies zu einer Belastung der Augen führen – eine unvermeidbare Nebenwirkung der Arbeit an Rechnern und anderen elektronischen Geräten, so bisher die gängige Annahme. Mit den neuesten Umgebungslichtsensoren jedoch ist es nun möglich, einen Großteil dieser potenziellen Belastung und der damit einhergehenden Beschwerden zu vermeiden. Bei diesen elektronischen Bauteilen handelt es sich um so genannte Photodetektoren. Diese erfassen und messen durchgängig die Lichtmenge in ihrer Umgebung und nehmen dabei die Helligkeit so weit wie möglich wie das menschliche Auge wahr. Das Ziel hierbei lautet üblicherweise, den Anforderungen des menschlichen Auges gerecht zu werden und die Helligkeit mittels Dimmen anzupassen, um so die Augenbelastung zu minimieren.

Des Weiteren kommen Umgebungslichtsensoren zum Einsatz, wenn es draußen dunkel und die Straßenbeleuchtung automatisch eingeschaltet wird, bei der Regelung von Autoscheinwerfern beim Einsetzen der Abenddämmerung oder beim Einfahren in einen Tunnel, und im Fahrzeuginnenbereich, wo die Sensoren die Leuchten des Armaturenbretts so regeln, dass der Fahrer auch bei sich wandelnden Lichtverhältnissen stets gut sehen kann. Auch in Mobiltelefonen mit Touchscreen finden sich Umgebungslichtsensoren: Hier sind sie für die Hintergrundbeleuchtung zuständig und helfen Prozessoren dabei, die Menge des vorhandenen Lichts zu bestimmen – ist das Licht in der Umgebung für das menschliche Auge ausreichend und somit keine Hintergrundbeleuchtung erforderlich, erfolgt dank der Sensoren ein automatisches Dimmen. Zudem nehmen die Sensoren laufend Messungen vor, können dementsprechend gegebenenfalls den Bildschirm abdunkeln und damit dafür sorgen, dass der Bildschirm – unabhängig von den Lichtverhältnissen – stets gleich erscheint.

Umgebungslichtsensoren können sich von natürlichem Sonnenlicht über Leuchtröhren bis hin zu Glühlampen auf eine Vielzahl von Lichtquellen einstellen. Dabei verbessern sie die Benutzerfreundlichkeit und ermöglichen Stromeinsparungen, indem sie dafür sorgen, dass der Blick auf den Bildschirm stets mühelos und komfortabel ist, unabhängig davon, wie die Lichtverhältnisse sind oder wie schnell sich diese ändern.

Konkrete Beispiele

Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von Umgebungslichtsensoren auf dem Markt, wobei jeder Sensor seine Vor- und Nachteile hat. Im Folgenden sollen einige typische Lichtsensoren vorgestellt werden, die alle auf ihre Weise das menschliche Auge imitieren.

Der TSL2591 von ams-TAOS USA (Abbildung 1) ist ein hochempfindlicher Licht-Digital-Wandler, der Lichtintensität in ein digitales Ausgangssignal umwandelt, das direkt von einer I²C-Schnittstelle verarbeitet werden kann. Das Bauteil verfügt über eine integrierte CMOS-Schaltung, auf der sich eine Breitband-Photodiode (sichtbares und Infrarotlicht) sowie eine auf Infrarotlicht reagierende Photodiode befinden. Zwei integrierende ADCs wandeln die Photodiodenströme in ein digitales Ausgangssignal um, das die Strahlungsintensität an jedem Kanal repräsentiert. Dieses Ausgangssignal kann von einem Mikroprozessor verarbeitet werden, der mithilfe einer empirischen Formel die Stärke des Umgebungslichts in Lux berechnet und damit eine Reaktion ermöglicht, welche der des menschlichen Auges weitgehend entspricht. Der TSL2591 verfügt über einen konventionellen, an der jeweiligen Stärke ausgerichteten Interrupt, der bis zur Freigabe durch die Firmware aktiviert bleibt.



Das Bauteil kommt dem menschlichen Sehvermögen nahe und ermöglicht einen flexiblen Betrieb. Damit ist es für eine Verwendung hinter dunklem Glas geeignet. Zudem zeichnet sich das Bauteil durch seinen geringen Bedienaufwand und einen stromsparenden Schlafmodus (3,0 μA) aus.

Der TSL2591 enthält zwei ADCs, die die Ströme von zwei Photodioden verarbeiten. Die Integration der beiden Kanäle erfolgt dabei gleichzeitig. Nach Abschluss der Umwandlung wird das Ergebnis der Umwandlung jeweils an das Datenregister von Kanal 0 und Kanal 1 übertragen. Die Übertragungen erfolgen doppelt gepuffert, um die Integrität der Daten zu gewährleisten. Nach der Übertragung beginnt das Bauteil automatisch mit dem nächsten Integrationszyklus. Für die Signalkonditionierung ist keine externe Schaltung erforderlich. Da der Ausgang des Bauteils digitaler Art ist, soll der Ausgang im Vergleich zu einer analogen Lösung praktisch unanfällig für Störungen sein.

Der BH1603FVC von ROHM ist ein Umgebungslichtsensor mit Analogausgang (Abbildung 2), der perfekt dafür geeignet ist, Umgebungslichtdaten zu erfassen und damit die Hintergrundbeleuchtung von Mobiltelefonen mit LCD-Displays und Tastatur einzustellen. Der Sensor ermöglicht Stromeinsparungen und sorgt für eine bessere Sichtbarkeit.

Weitere Merkmale sind ein kompaktes SMD-Gehäuse (3,0 x 1,6 mm), eine spektrale Empfindlichkeit nahe dem menschlichen Sehvermögen, ein Ausgangsstrom entsprechend der Helligkeit, eine Mindestversorgungsspannung von 2,4 V und eine integrierte Abschaltfunktion.



Das Bauteil ist in einem kompakten SMD-Gehäuse (3,0 x 1,6 mm) untergebracht und verfügt über eine spektrale Empfindlichkeit nahe dem menschlichen Sehvermögen, einen Ausgangsstrom entsprechend der Helligkeit sowie über eine Mindestversorgungsspannung von 2,4 V.

Typische Anwendungen sind Mobiltelefone, LCD-Fernseher, Laptops, tragbare Spielekonsolen, Digitalkameras, PDAs und LCD-Displays. Zur Unterstützung von Ingenieuren bietet ROHM ein Produktschulungsmodul, mit dem der Umgebungslichtsensor vorgestellt wird. In dem Modul werden der BH1603FVC sowie dessen digitale Variante, der BH1710FVC, behandelt.

Bei Anwendungen, bei denen ein möglichst geringer Stromverbrauch wichtig ist, bietet sich der MAX44009 von Maxim an (Abbildung 3), der über eine integrierte Photodiode und einen ADC mit einer digitalen I²C-Schnittstelle verfügt. Der Chip ist in einem optisch transparenten Gehäuse untergebracht und misst so das Umgebungslicht. Eine in dem integrierten Schaltkreis befindliche Photodiode wandelt das Licht in einen Strom um, der wiederum von einer stromsparenden Schaltung zu einem digitalen Bitstream verarbeitet wird. Dank der programmierbaren On-Chip-Interruptfunktion entfällt die ständige Abfrage von Daten durch das Bauteil – die Grundlage für die Stromeinsparungen. Mit einem Betriebsstrom von unter 1 µA ist das Bauteil nach Angaben des Anbieters der Umgebungslichtsensor mit dem geringsten Energieverbrauch der Branche.

Neben dem extrem niedrigen Stromverbrauch zeichnet sich das Bauteil durch einen breiten dynamischen Lichtbereich aus, der von 0,045 Lux bis 188.000 Lux reicht und damit einen Bereich von mehr als 4.000.000:1 abdeckt.

Das zeigt, in welchem Umfang die Sensortechnik inzwischen das menschliche Sehvermögen zu imitieren vermag: Die Sensoren erkennen Helligkeit mittlerweile ebenso, wie das menschliche Auge es tut. Der Sensor weist eine spektrale Empfindlichkeit auf, die der des menschlichen Auges nahekommt. Das Auge hat dabei eine Spitzenempfindlichkeit von 560 nm (grün), wobei die Empfindlichkeit für blau (~470 nm) und rot (~630) wesentlich niedriger ist. Infrarotlicht (>700 nm) und ultraviolette Strahlung (<400 nm) kann das menschliche Auge nicht wahrnehmen.



Die Unterschiede in den Lichtspektren wirken sich auf die Wahrnehmung von Helligkeit aus, da bei dem Sensor ein Teil der Infrarotstrahlung von Silizium-Photodioden erfasst wird. So lassen Lichtquellen mit einem hohen Infrarotanteil eine Umgebung für Sensoren viel heller erscheinen, als das menschliche Auge sie wahrnimmt. Der MAX44009 nun zeichnet sich durch eine gute Infrarotunterdrückung aus und verfügt zudem über eine interne Funktion zum Infrarotausgleich – damit wird der erwähnte Effekt minimiert und eine korrekte Lux-Einstellung gewährleistet.

Umgebungslichtsensoren müssen auf sichtbares Licht reagieren, sollen aber UV- oder Infrarotlicht ignorieren. Auch der TEMT6200FX01 von Vishay soll weitgehend die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges erreichen. So nimmt die aus Silizium gefertigte NPN-Epitaxial-Planar-Photodiode, die in einem transparenten 0805-Miniaturgehäuse für die Oberflächenmontage untergebracht ist, nahezu wie das menschliche Auge das sichtbare Lichtspektrum mit einer Spitzenempfindlichkeit von 550 nm wahr. Das Bauteil zeichnet sich durch eine die Infrarotstrahlung filternde Epoxidtechnik aus, dank der die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Licht über den sichtbaren Bereich hinaus minimal sein soll. Das trägt dazu bei, Interferenzen durch den Infrarotanteil von Tageslicht oder künstlichem Licht wie Glüh- und Halogenlampen zu vermeiden. Ein Produktschulungsmodul zu den Umgebungslichtsensoren von Vishay findet sich auf der Website von DigiKey.

Von der Beleuchtungsregelung über die Verbesserung der Sichtbarkeit von LCD-Bildschirmen bis hin zu einer Schonung von Akkus durch eine Regelung der Hintergrundbeleuchtung von Tastaturen – Ingenieuren steht eine Vielzahl von Umgebungslichtsensoren zur Verfügung, die sämtliche ihrer Anwendungsanforderungen erfüllen.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der DigiKey-Website.