Weniger Stromaufnahme dank Umgebungslichtsensoren

Umgebungslichtsensoren spielen beim Power-Management für Displays eine wichtige Rolle. Dieser Beitrag vergleicht verschiedene Sensorprinzipien und erläutert anhand eines Kfz-Navigationssystems und eines Mobiltelefon-Displays, wie eine »intelligente« LED-Hintergrundbeleuchtung den Stromverbrauch reduzieren kann.

Umgebungslichtsensoren spielen beim Power-Management für Displays eine wichtige Rolle. Dieser Beitrag vergleicht verschiedene Sensorprinzipien und erläutert anhand eines Kfz-Navigationssystems und eines Mobiltelefon-Displays, wie eine »intelligente« LED-Hintergrundbeleuchtung den Stromverbrauch reduzieren kann.

Als Umgebungslichtsensoren eignen sich verschiedene Bauelemente. Tabelle 1 stellt sie einander gegenüber, wobei sie von links nach rechts nach ihrer Komplexität aufgeführt und bei Abnahme in Volumenstückzahlen auch nach Kosten gegliedert sind. Genaue Abwägungen bringen dabei die Vorteile zutage, die sich zu geringen Kosten pro Baustein erkaufen lassen. Im Folgenden werden die verschiedenen Bauelemente aus Tabelle 1 kurz vorgestellt. Der einfachste optische Sensor ist ein Fotowiderstand, der sich durch einen schlängelnden Kanal zwischen seinen Anschlüssen erkennen lässt. Low-End-Versionen bestehen aus Cadmium-Sulfid, teurere Varianten aus Gallium-Arsenid. Letzteres erlaubt die Integration eines Fotowiderstands in einen integrierten Schaltkreis. Da bei GaAs die Bandlücke mit 1,4 V bei 300 K relativ klein ist, schaffen es schon energiearme Photonen im Infrarotbereich, Elektronen in das Leitungsband zu heben. Die Daten des Referenzbauteils werden mit 1 lx (Lux) bis 100 lx angegeben, dennoch steht eine Reihe von Widerstandswerten zur Verfügung. Fotodioden gehen in Sachen Komplexität einen Schritt weiter. Photonen, die auf die Sperrschicht treffen, erzeugen einen Strom. Um optimale Bedingungen zu erhalten, sollte die Diode in Sperrrichtung betrieben werden. Die Höhe der Vorspannung (Bias Voltage) bestimmt die Betriebsqualität: Eine größere Vorspannung verbessert die Geschwindigkeit und Linearität, erhöht aber auch den Dunkelstrom (Dark Current) und das Schrotrauschen (Shot Noise). Licht erzeugt einen Strom in Durchlassrichtung, der den Sperrstrom verringert. Externe Schaltkreise lassen sich hinzufügen, um die I/U-Kennkurve der Diode zu linearisieren, das Signal zu verstärken und eine Sperrfunktion zu erlauben.

Steuert eine die Basis eines Transistors an, entsteht ein Fototransistor. Dieser erfordert mehr Bias-Strom, und das strombedingte Rauschen erzwingt einen Wechsel der Sensorempfindlichkeit auf höhere Lux-Bereiche (1 lx bis 100 klx anstelle 7 lx bis 50 klx). Die Ansprechdauer ist ähnlich und lässt sich über die Vorspannung variieren. Je nach detektierter Signalstärke ändert sich der Strom ebenfalls. Ein Fototransistor erkennt grobe Umgebungsbedingungen wie Innen/ Außen, Tag/Nacht sowie helles Licht/Schatten. Externe Schaltkreise sind erforderlich, um das Ausgangssignal zu kalibrieren und eine Abschaltfunktion zu integrieren. Neueste Prozesstechniken integrieren eine Fotodiodenzelle in den Standard-CMOS-Prozess und erlauben somit die Fertigung eines Single-Die-Bausteins wie den »ISL29000« von Intersil. Dabei sind eine Fotodiode und ein Transimpedanzverstärker auf einem Die untergebracht (Bild 1). Damit verringert sich sowohl die Länge der Anschlüsse als auch die parasitäre Kapazität an den Verstärkereingängen, was gute Voraussetzungen für minimales Rauschen, HF-Betrieb und Handling mit sich bringt. Durch die niedrigere Rauschcharakteristik hat der Sensor eine hohe Empfindlichkeit von 1 lx, die Obergrenze bleibt bei 100 klx. Die Stromaufnahme hängt weiterhin von der einfallenden Lichtmenge ab und erreicht 0,9 mA bei 1000 lx. Um Strom einzusparen, ist ein Power-down-Anschluss mit integriert. Der Baustein eignet sich für zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel für Digitalkameras und Kfz-Navigationssysteme.

Umgebungslichtsensoren finden sich in Kfz-Navigationssystemen, um die Hintergrundbeleuchtung des Bildschirms so anzupassen, dass der Betrachter Informationen ohne Mühe erkennen kann. Der Bereich dieser »komfortablen Ablesung« hängt vom Umgebungslicht und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges ab. Bild 2 stellt diese Beziehung dar. Demnach muss die Bildschirmhelligkeit zunehmen, falls auch das einfallende Umgebungslicht heller wird. Umgekehrt muss bei schlechteren Umgebungslichtverhältnissen auch die Helligkeit des Bildschirms verringert werden, um eine komfortable Betrachtung zu gewährleisten, Blendung zu vermeiden und um Strom einzusparen. Das menschliche Auge unterteilt das empfangene Licht in einen von drei Bereichen (Bild 2): wenig Lichteinfall (low light, z.B. im Fahrzeug oder zuhause), mittlerer Lichteinfall (medium light, z.B. im Büro) und volles Tageslicht. Die besten Umgebungslichtsensoren verarbeiten die Helligkeit-zu-Lichtstärke-Information, maximieren somit die Auflösung und helfen dadurch, Energie zu sparen.

Die Sensoren sollten so platziert werden, dass sie das Umgebungslicht direkt messen können. Befinden sich Hindernisse vor dem Sensor, verringert sich die Lichtmenge. In diesen Fällen ist eine genaue Lösung für wenig Lichteinfall (low light) erforderlich. Ein zweites Beispiel ist ein Umgebungslichtsensor in einem Mobiltelefon, wo jede eingesparte Milliamperestunde direkt zu einer längeren Batterielebensdauer und zufriedenen Kunden führt. Die Enable/Disable-Funktion ist zur Energieeinsparung und als Power-down ebenso von Bedeutung. Variiert ein Lichtsensor die Hintergrundbeleuchtung, lässt sich die Batterielebensdauer um das Vierfache steigern (im Vergleich zu maximaler Hintergrundbeleuchtung ohne Rückkopplung seitens eines Lichtsensors).

Bild 3 beschreibt den automatischen Steuerungsschaltkreis für die Hintergrundbeleuchtung eines Mobiltelefons. Der ISL29000 misst das Umgebungslicht und gibt einen dazu proportionalen Strom ab. Gleichung (1) zeigt die Beziehung zwischen Lichtintensität (E) und dem Ausgangsstrom (Iout). Der Ausgangsstrom des Lichtsensors fließt in den Rückkopplungseingang der LED-Treiber. Bei heller Umgebung treibt der Lichtsensor mehr Strom in den Rückkopplungsknoten. Dadurch verringert sich der Ausgangsstrom für die weißen LEDs und deren Helligkeit. Die Beziehung zwischen Umgebungslichtintensität (E) und LED-Ausgangsstrom (ILED) beschreibt Gleichung (2). Eine Vielzahl optischer Sensoren steht in kleinen Gehäusen und zu wettbewerbsfähigen Preisen zur Verfügung. Passive Lösungen bedienen Kunden bereits seit Jahrzehnten, zum Beispiel in Nachtlichtern und bei digitalen Fotokameras. Aktive Lösungen erhöhen den Einsatzbereich und den Komfort, den Umgebungslichtsensoren mit sich bringen. Gängige aktive Lösungen enthalten einen Fototransistor oder eine Fotodiode mit einem Stromverstärker. Sind eine höhere Auflösung, Funktion bei schlechten Lichtverhältnissen, Stromeinsparungsmöglichkeiten oder Abschaltfunktionen erforderlich, erweitert die Baureihe ISL29000 den Nutzen typischer Umgebungslichtsensoren. (rh)

Mike Wong
leitet die Applikationsabteilung für High-Speed-Analog und Tamara Schmitz ist Principal Application Engineer für analoge Anwendungen bei Intersil
Telefon 089/46 26 30
www.intersil.com