Люменвокс - акустико-фотонный анализатор пульсаций. Модель АФАП-1

Хотите измеритель пульсаций за 3 доллара? Легко!
Нестандартная реализация измерителя пульсаций бытовых источников света на фототранзисторе TEMT6000.
Флуд, угар и содомия. Детям до 18 вход воспрещён! Сегодня же пятница ))

Совместными мозговыми усилиями было придумано уникальное название и аббревиатура.
«Люменвокс» (от латинского lumen=свет и vox=голос).
Модель «АФАП-1» — Акустико-Фотонный Анализатор Пульсаций, версия 1.0

Типа введение.
В лучших традициях СМИ положено пугать и кошмарить людей любой информацией.
Поэтому, чтобы не нарушать правила:
«Пульсация светового потока (эффект мерцания).
На многие вещи, связанные с повседневной деятельностью человека, зачастую влияет качество света—это давно известный факт. Иногда мы даже не задумываемся о последствиях—процессы проходят на подсознательном уровне, почти как во сне. Как снизить нагрузку на мозг в четыре раза и увеличить эффективность труда, а также о других эффектах пульсации светового потока—подробнее в нашей статье.» ©

Источник: статья Коэффициент пульсации в осветительных установках.

+ Ещё по теме: Пульсация, мерцание светодиодных ламп: причина и способы борьбы с ней. Всё о светодиодных лампах.

1. Схема для опытных радиолюбителей была представлена
в мартовском обзоре в 2021 году.
Всего один человек осмелился её повторить. ;)

Интерес к данному классу устройств сохраняется и по сей день, т.к. ленивые производители упорно не желают наполнить рынок измерителями пульсаций за каких-то 5-10 долларов…
Самое парадоксальное: всё понимают, что комплектующих кот наплакал на 1-2 доллара всего, и прошивку может написать любой студент-троечник.
А готового к использованию и повторению устройства по прежнему не видно.

«И пришло время хоббитов зарамсить проблему.» ©

2. Постановка задачи (ака ТЗ):
— схема должна быть простой в сборке и настройке
— никаких процессоров, прошивок и прочей ереси
— в качестве устройства отображения: смартфон или ноутбук\нетбук\персональный компьютер (ПК)
— желательно отсутствие дополнительного источника питания (аккумуляторов, сетевых БП и других генераторов электрического тока)

Доступные ресурсы:
— паяльник, инструменты, прямые руки
— трезвое мышление (опционально)
— исправный мультиметр
— расходные материалы
— минимум радиодеталей


3. Элементная база (или из чего будем собирать поделку).
3.1 Фотоприёмник — фототранзистор TEMT6000

Характеристики:



Из всех этих таблиц обращаем внимание на следующие цифры:
— максимальная мощность на коллекторе 100 мВ (естественно, не надо мучить маленький транзистор; не следует превышать 10..20 мВт)
— максимальное напряжение на коллекторе +6 В
— фототок (коллектора) 50 мкА при освещённости 100 лк

Схема включения стандартная:

При таких номиналах спалить фототранзистор (ФТ) не получится. ;)

Схема выше напоминает… схему подключения компьютерного микрофона (электретного капсюля)


Для звуковой карты (ЗК) без разницы, что мы туда подключим: электретный капсюль (ЭК) или какой-то другой источник тока.
Питание ЭК составляет обычно 2..2,5 В, коллекторный резистор (резистор «подтяжки» ) 1,5..4,7 кОм.

Поэтому максимальный ток, на который можно рассчитывать в худшем случае 1,2 В / 4700 Ом = 255 (мкА).
Это при условии, что напряжение коллектор-эмиттер ФТ около 1 В.

3.2 Корпус подойдет любой размерами с мыльницу.
Цвет, форма, закругление углов и т.д. — на Ваш вкус.

3.3 Микроамперметр потребуется любой малогабаритный.
Точность\линейность его не очень важна. Главное — стабильные показание всего в одной точке шкалы.

Возможные варианты:
1) стрелочный индикатор (аля мультиметр) в режиме измерения «мкА»

2) б\у фотоэкспонометр серии «Ленинград»

3) любой стрелочный индикатор от советского магнитофона


Где-то я хорошо запрятал свой 5-й боевой Ленинград-4 (его нет на фото), поэтому из быстро найденных в загашниках придётся использовать любой с севшим селеновым фотоэлементом, но с живой отклоняющей системой (гальванометром).

Для расчёта коэффициента пульсации Кп надо знать две величины:
— освещенность Ev
— значение пульсации deltaEv именно при этом значении освещенности (Ev)

ВАЖНО: значение освещённости не обязательно знать точно.
Соотношение пульсации светового потока к световому потоку (т.е. Кп)
для источника светового потока есть величина постоянная.

Чтобы обойтись без вычислительного модуля (надо же каким-то способом выполнить
операцию «деление», т.е. вычислить Кп = deltaEv / Ev ), используется проверенное решение.

Смысл его простой: замер Кп необходимо выполнять на таком расстоянии от тестируемого источника,
чтобы освещённость фототок коллектора составил 200 мкА.
Вот для этого и потребуется любой малогабаритный микроамперметр.

4. Вариант схемы № 1 не заработал.
Разобрал я экспонометр Ленинград-4 и проверил микроамперметр (ака гальванометр):

— середина шкалы «5» 20 мкА
— максимум шкалы «8» 50 мкА
— сопротивление 2,8 кОм

Точка шкалы 20 мкА наиболее предпочтительна.
Чтобы получить 200 мкА в середине шкалы потребуется шунт 311 Ом.
Особая точность подбора шунта не требуется: сгодится резистор МЛТ-0,125 номиналом 300 Ом или 330 Ом.

Как посчитать шунт для любого другого микроамперметра?


ФТ TEMT6000, закреплённый двухсторонним скотчем на кусочке электрокартона:

У модуля три контакта (металлизированных отверстия в ПП) для подключения:
— общий GND (земля)
— питание Ucc (дорожка к коллектору ФТ)
— выход OUT (сигнал; дорожка от эмиттера ФТ)

На ПП присутствует резистор в цепи эмиттера ФТ. 1в1 обычный эмиттерный повторитель.
Какой смысл именно в такой схеме — фз.

Пара проводников подпаяны к коллектору и эмиттеру ФТ (выводы Ucc и OUT на плате).

Собрал, как мог, всё до кучи:

Заслонку со шкалой зафиксировал в положении «1-8 канал» каплей термоклея.

Схема №1 (нерабочая):


Можно заметить, что «плюс» гальванометра конструктивно «сидит» на его корпусе, где по логике должен быть ноль (ака масса или корпус).
В результате монтаж получился «наизнанку»: ноль (экран) подключен к эмиттеру ФТ, а сигнальный провод (плюс на схему) — на корпус (металлические детали).
Как следствие, схема ловит сетевую наводку 50 Гц и её гармоники.

Поскольку всё уже было собрано, ещё немного потестировал устройство.
Вот так всё выглядит в сборе:


ОБЯЗАТЕЛЬНО использование молочной насадки!

Молочная насадка на «экспонометре»:


Алгоритм использования предполагается следующий:
1) изменяя расстояние между измерителем и источником света (ЛН, фонарик и т.д.) получить показание «5» на гальванометре, что соответствует некоторому значению освещённости Ev
2) пульсации освещённости (переменную составляющую) deltaEv измерить… спектроанализатором на ПК

Ошибка в расчётах и слабая помехоустойчивость схемы поставила крест на дальнейших испытаниях.

5. Вариант схемы №2 (рабочий).

Пояснения:
— гальванометр «превращён» в вольтметр: при нулевом освещении ток через ФТ отсутствует, и на коллекторе ФТ присутствует напряжение +2,5В; соответственно, «вольтметр» показывает «8» (максимум на шкале)
— резистор 51 кОм установлен между плюсовым сигнальным проводником кабеля и плюсом гальванометра;
плюс гальванометра конструктивно является массой\корпусом; при этом на сигнальный проводник ловится меньше помех

6. Подключение устройства к ПК или ноутбуку (к обычному микрофонному входу) не вызывает сложностей.
Находим розовую дырочку микрофонный вход у компьютера или ноутбука

и подсоединяем к нему устройство.
Сразу после подключения (световой поток отсутствует или незначительный) стрелка гальванометра показывает «8».

Дальнейший алгоритм использования не изменился:
изменяя расстояние между измерителем и источником света (ЛН, фонарик и т.д.)
получить показание «5» на гальванометре. Напряжение на коллекторе ФТ при этом составляет около 1В.

Рекомендуемый софт: программа SpectraLab.

ВНИМАНИЕ! В настройках системы для микрофонного входа обязательно отключите всякие улучшалки и АРУ (снять галку с опции «AGC» и отключить дополнительное усиление ):

Усиление (чувствительность) установите на 50 %.


Для калибровки приборчика использованы табличные данные пульсаций ламп накаливания (ЛН) 40Вт и 60Вт:

Почему именно ЛН выбраны в качестве эталонов пульсаций?
Очевидно, потому что такие ЛН общедоступны!

7.

8. Измерения.
ЛН 40 Вт
Сначала получил клиппинг (перегрузку), поэтому пришлось снизить усиление в настройках системы до 33 попугаев.

ВАЖНО: для всех последующий замеров используйте одинаковое значение усиления!
Кстати, это же касается и использования одной звуковой карты для всех последующих замеров.

Фото с места событий:


Спектр пульсаций ЛН 40 Вт:

Хорошо виден основной пик 100 Гц и гармоники.
Для расчётов Кп потребуется задействовать показание «Peak Amplitude» (Максимальная амплитуда)

Осциллограмма (в программе Spectralab):

ПРИМЕЧАНИЕ: микрофонный вход инвертирует сигнал. Как обстоит дело на других звуковых картах не могу знать.

ЛН 60 Вт


ЛН 150 Вт


9. Как следует понимать результаты измерений?
И так, для ЛН 40 Вт и 60 Вт есть табличные значения Кп соответственно 20 % и 15 %.

Сопоставим цифры:
20 % === -3,77 дБ
15 % === -6,12 дБ

20*log(15/20) = -2,5 (дБ) — ожидаемое значение согласно табличных данных
6,12 — 3,77 = 2,35 (дБ) — полученное значение при измерениях

Разница ожидаемого и полученного значения всего 0,15 дБ.

Для дальнейших расчётов принимается: Кп=17,32 % === -4,95 дБ

Тогда для ЛН 150 Вт получается:
Кп = 17,32 * 10^((4,95-11,41)/20) = 8,2 (%)

Если сравнить полученную цифру с табличным значением из другого источника

то ошибка составила всего 1 %.

Для своего экземпляра составил табличку:
Показание (дБ) _____ Значение Кп
-3,72 ______________________ 20 %
-9,72 ______________________ 10 %
-15,72 _____________________ 5 %
-21,72 _____________________ 2,5 %
-27,72 _____________________ 1,25 %

Каждые 6 дБ вверх — это пульсации в 2 раза сильнее.
Каждые 6 дБ вниз — это пульсации в 2 раза слабее.

10. Прослушивание.
Да, это не ошибка! Именно прослушивание.
Поскольку устройство подключено к микрофонному входу, никто не запрещает запустить любой аудио редактор и записать звук.
Только не забудьте подрегулировать в микшере системы чувствительность по микрофонному входу.

ЛН 40 Вт, вид в аудио редакторе SoundForge:


СДЛ Winix 10W

Кп составил примерно 0,6 %.
Уровень записи, чтобы послушать, пришлось поднять на 20 дБ.

«Вишенка» на десерт — фонарик на 1/4 мощности:

Проверка пульсаций осциллографом:

Если по ГОСТовской формуле, то Кп=100%.
Если плясать от середины, то от минус 100% до +100%, т.е. все 200%.
Кто там спрашивал, как такое бывает? Смотрите и слушайте. ))

Ссылка на загрузку всех трёх треков для прослушивания.

11. Лайфхак или бонус для тех, кто повторил схему.
Перенос данных из… магазина в лабораторию.


Достаточно состыковать люменвокс+смартфон и запустить любое приложение, которое умеет записывать звук с внешнего «микрофона»:

После «записи» интересующей лампочки трек(и) можно отнести домой.
Или перекинуть через интернет, если треки «тяжёлые». )))

И уже дома в спокойной обстановке, когда никто не толкает под руку,
треки можно сбросить на комп, и запустить SpectraLab.

В настройках есть мега-удобная опция «Post process»:

После чего в закладке «File» открываем записанный ранее трек (формат .wav)
и нажимаем кнопку «Run».
И вуаля: спектрограмма на экране, можно её рассматривать и даже выкладывать на mySKU.me.

12. Вместо заключения (ака выводы).
Устройство работоспособно, несмотря на непривычную схемотехнику.

Плюсы:
— показания достоверны в диапазоне частот 20 Гц… 18 кГц
— затраты на комплектующие около 3 долларов (ФТ — 1 доллар и б\у экспонометр 2 доллара), как я и обещал
— для повторения эксперимента в хозяйстве любителя не требуется наличие люксметров, осциллографов, вычислительных комплексов и других редких и\или дорогостоящих приборов

Минусы:
— показания корректны только для конкретного микрофонного входа (резистор «подтяжки» везде разный) и для одинакового (неизменного) значения усиления в микшере операционной системы
— приборчик способен измерять пульсации не более 25 %
— для получения результата придётся вспомнить математику и воспользоваться калькулятором

PS
Фототранзистор TEMT6000, мягко говоря, не очень годится для измерительных схем.
Чтобы заставить его работать, надо выполнить ряд условий одновременно:
— мощность коллектора д.б. в ОБР (желательно менее 1/10 Pmax, чтобы меньше сказывались температурные приколы)
— напряжение КЭ, в идеале, должно быть константой (1..1,5 В; см. схему Феникса на форуме Вегалаб — идеальное решение, но «расчёска» на выходе будет с вероятностью 99%, почему эту схему многие невзлюбили)
— вопрос линейности фототока в зависимости от освещённости — тот ещё квест: снимать характеристику каждого фототранзистора на оптической скамье и «заливать» данные индивидуальной калибровки в процессор, но это полный привет.
Но, если кто хочет попробовать свои силы в разработке, можно пожелать много терпения.
Время покажет…

Дополнение от 14.01.2022
Следом был собран 2-й экземпляр, который был подарен для испытаний:

Во 2-м экземпляре фототранзистор был собран из кт3102 и фотодиода фд26к.

«Производитель оставляет за собой право вносить изменения, не ухудшающие качество изделия, без предварительного уведомления.» ©

Всем хорошего настроения и удачных экспериментов!
И с тяпницей!