Jste zde

Zajímavý integrovaný náklonoměr OSRAM

Antonín Vojáček, 26. Prosinec 2007 - 19:36

Pod označením SFH 7710 se skrývá zajímavý jednoduchý nákloměr / sklonoměr společnosti OSRAM / Siemens, který v malém 4vývodovém SMT pouzdru skrývá principielně jednoduchý a efektivní kuličkový optoelektrický systém umožňující detekci náklonu desky plošných spojů, zařízení, či objektu v jedné ose. V článku se dozvíte více o principu i o provedení součástky.

K hlídání a detekci natočení předmětu, přístroje či zařízení se nemusí nutně použít jen dnešní moderní digitální akcelerometry, ale pro jednodušší aplikace i další, méně obvyklé součástky. Jednou z nich je i integrovaný obvod SFH 7710 společnosti OSRAM. Narozdíl od dnešní běžné koncepce senzorů zrychlení založené na MEMS mechanické pohybující se struktuře a kapacitním snímání jejího pohybu, se zde využívá daleko jednodušší, i když v základu podobné koncepce. Konkrétně kutálení miniaturní kuličky ve vytvořené kulise v závislosti orientaci (natočení, naklopení) obvodu. Tedy jde o něco podobného jako dříve velmi populární hry, kdy se naklápěním krabičky musela dostat kulička do požadovaného důlku. Pohyb kuličky je pak "monitorován" optoelektronicky pomocí malinkaté jednocestné optozávory jejíž signál je dále zpracován a vyhodnocen integrovanou elektronikou na spínaný výstupní signál. Tento princip sice není kdovíjak přesný, ale pro aplikace detekce natočení předmětu horizontálně či vertikálně bohatě postačí. Proč jít s kanónem (integrovanými akcelerometry) na vrabce (jednoduchou detekci) ? Pro tyto případy právě hravě poslouží náklonoměr / sklonoměr (orientation sensor) OSRAM.

Základní vlastnosti náklonoměru SFH7710

Provedení: optoelektrickomechanické
Princip: přerušení paprsku světla kutálející se kuličkou
Měřící rozsah: 360°
Spínací úhel (přechod z log.0 do log.1): 20 až 70° a 200 až 250°
Napájecí napětí: 2.3 až 3.6 V
Spotřeba: průměrná 50 mikroA
Pouzdro: SMT
Rozměry: 4.4 x 4.4 x 1.8 mm

Náklonoměr SFH7710 firmy OSRAM dovoluje detekovat dva stavy natočení / naklonění v ose Z - natočení v úhlu 70° až 200° (stav low) a 250° až 400° (stav high). Z důvodu níže popsaného principu jen nutné udržet náklon v ose X v rozsahu 60°. Vliv natočení v ose Y není významný.

Použití

Digitální kamery
Videokamery
Mobilní telefony
Mobilní počítače a periferie
Zabezpečovací technika
Kontrola polohy umístění zařízení
Elektronické hračky

Jednoduchý náklonoměr jako je OSRAM SFH7710 lze použít například pro automatické natáčení obrazu podle fyzického natočení zobrazovače

Struktura a princip funkce

Celý senzor je založen na jednoduché principu, který si asi každý osahal již v dětství, tedy na pohybu kuličky po nakloněné rovině. Základem je obdélníková kulisa, v která se v závislosti na natočení a naklonění senzoru pohybuje ze strany na strunu malinkatá kulička. Její poloha je pak detekována jednocestnou optozávorou tvořenou vysílačem (Emitter) tvořený LED diodou a přijímačem (Detector) realizovaný fototranzistorem (PT). Ve výsledku je tak možné tímto mechanismem detekovat otočení o 90° nebo 180° v závislosti na počáteční (klidové) poloze součástky a směru otáčení. Optozávora je pak řízena, resp. její signál vyhodnocován, pro tento účel speciálně vyvinutým procesorově řízeným jádrem ASIC, který řídí spínání výstupního MOSFET tranzistoru. Jde tedy o princip a strukturu opravdu jednoduchou, ale právě v této jednoduchosti je krása.

Základní princip funkce náklonoměru SFH7710 - pozice Orientation 1 ukazuje stav, kde je kulička detekována, pozice Orientation 2, kdy nikoliv

Konstrukce a provedení pouzdra náklonoměru (vlevo) a blokové schéma zapojení (vpravo) - orientační značka (Orientation Mark - na obr. vlevo) definuje polohu kulisy /drážky kuličky a tím i počáteční stav a podmínky pro překlopení výstupu Vo z nízkého stavu low do vysokého high či obráceně.

Použitý "kuličkový" princip je však fyzikálně limitován v tom, že v závislosti na počátečním naklonění (natočení) je potřeba pro přepnutí výstupu ze stavu low do stavu high, tzn. provedení detekce natočení, senzor natočit o nestejně velký úhel. Je to z principu funkce logické, protože aby šlo pohnout s kuličkou usazenou na "dně" drážky, je nutné drážku otočit tak, aby byla "hlavou dolů" nebo alespoň šikmo tak, aby se kulička uvnitř skutálela. V závislosti na počáteční poloze a směru otáčení pak může v jednom limitním případě stačit jen 90°, zatímco v druhém limitním případě bude potřeba 180° (viz obrázek vedle). Umístění senzoru na desce plošných spojů (DPS) tak musí být věnována velká pozornost, aby bylo vždy dosaženo požadované funkce.

V závislosti na počátečních podmínkách (počátečním natočení) a směru otáčení senzoru se liší detekční hranice (zde se výstup přepne po otočení o 90°, ale pouze ve směru hodinových ručiček).

Zároveň je tím dána hystereze překlopení senzoru, protože pro skutálení kuličky je nutné vždy dosáhnout nakloněné roviny. Konkrétně jde o hodnotou 50°, protože zatímco při otáčení obvodem ve směru hodinových ručiček dojde k překlopení okolo 60°, resp. 240°, při opačném směru (tj. v protisměru hodinových ručiček) tomu dojde až v cca 30 či 210° v zhledem k vzpřímené poloze umístění senzoru s označením na pouzdru vpravo nahoře (viz obrázek níže).

V závislosti na směru otáčení a počátečním stavu natočení se liší i úhel, kdy dojde k překlopení logického stavu výstupu

Závěr

Cílem tohoto článku bylo upozornit na jednoduché provedení integrovaného senzoru sklonoměru / náklonoměru, který nemusí hned vyžadovat dnes stále více populární integrované akcelerometry. Sice tento neumí přesně měřit úhel náklonu, ani nemá přesně na stupeň definovanou detekční, resp. spínací hranici, což ale v aplikacích, kde je potřeba hlídat otočení o 90 či 180° není ani potřeba. Minimálně je tento senzor praktickou ukázkou, jak jednoduché řešení může být často použito, aby byl splněn požadovaný cíl.

Antonín Vojáček