Датчики освещённости: от фоторезистора до BH1750, VEML7700 и OPT3001

Глаз, кремний и инфракрасный свет

Люкс — фотометрическая единица: излучение в нём взвешено спектральной чувствительностью глаза при дневном зрении V(λ). Эту кривую CIE приняла в 1924 году; её максимум — на 555 нм, а к 380 и 780 нм она спадает практически до нуля (DN21). Освещённость получается из спектральной облучённости интегрированием с этим весом:

Константа 683 лм/Вт — световая эффективность монохроматического излучения частотой 540 ТГц, через неё в СИ определена кандела (BIPM). Длина волны этого излучения — 299 792 458 м/с / 540 · 10¹² Гц ≈ 555 нм (555,2 нм в вакууме), тот самый максимум V(λ).

Кремниевый фотодиод чувствует от 300 до 1100 нм — заметно шире глаза. Инфракрасный светодиод на 880 нм даёт ноль люксов, но ненулевой фототок (DN21), а у ламп накаливания и солнца в спектре много ИК (DN26): голый кремний под такой лампой показывает освещённость выше, чем видит человек. Производители решают это двумя способами. Первый — подогнать спектр самого фотоприёмника под V(λ): у OPT3001 для этого стоит оптический фильтр с подавлением ИК более 99 %, у BH1750 и VEML7700 производители указывают чувствительность, близкую к глазу. Второй — поставить рядом второй фотодиод, который видит только ИК, и вычесть его сигнал по эмпирической формуле: так сделан TSL2561.

Вторая особенность реального света — мерцание. Лампа от сети 50 Гц мерцает с частотой 100 Гц, от 60 Гц — 120 Гц: яркость падает в каждом переходе сетевого напряжения через ноль. Интегрирующий датчик гасит мерцание, если время интегрирования кратно периодам пульсаций; для 100 и 120 Гц одновременно это 50 мс и кратные (DN26). Производители цифровых датчиков пишут о подавлении прямо: ROHM — что время измерения в режиме H-Resolution у BH1750 достаточно длинное, чтобы отсеять помехи, в том числе 50 и 60 Гц; TI — что интегрирование OPT3001 за 100 или 800 мс сводит влияние 50 и 60 Гц к минимуму; Vishay заявляет у VEML7700 подавление мерцания 100 и 120 Гц, ams у TSL2561 — пульсаций 50/60 Гц.

Фоторезистор в делителе

Фоторезистор — слой сульфида кадмия (CdS), сопротивление которого падает с ростом освещённости. Пример с полными данными производителя — Advanced Photonix PDV-P8001, рассчитанный на 400–700 нм:

Зависимость сопротивления от освещённости степенная, показатель γ — наклон прямой в логарифмических координатах:

При γ = 0,6 десятикратный рост освещённости уменьшает сопротивление в 10^0,6 ≈ 4 раза: от 3–11 кОм при 10 лк до 0,75–2,8 кОм при 100 лк. Фоторезистор включают в делитель — к питанию, а постоянный резистор R₀ — к земле, тогда напряжение растёт со светом:

Наклон этой зависимости по логарифму освещённости максимален, когда R₀ равно сопротивлению фоторезистора в рабочей точке: для порога около 10 лк у PDV-P8001 это 3–11 кОм. Напряжение и токи делителя удобно проверить в калькуляторе делителя напряжения.

Ограничения фоторезистора видны прямо из даташита:

• Разброс. Сопротивление при 10 лк у разных экземпляров различается в 3,7 раза. Если обратить формулу без калибровки и подставить среднее геометрическое $R_{10} = \sqrt{3 \cdot 11} \approx 5{,}7$ кОм, у крайних экземпляров ошибка освещённости — до (11/5,7)^1/0,6 ≈ 3 раз в обе стороны.
• Нелинейность. Зависимость степенная, а сам показатель γ дан только типичным — его разброс добавляет ошибку сверх названной.
• Медленность. Типичное время нарастания 50 мс и спада 20 мс при 10 лк; темновое сопротивление нормируют лишь через 10 с после выключения света.
• Кадмий. Директива RoHS 2011/65/EU ограничивает кадмий 0,01 % по массе однородного материала, а светочувствительный слой PDV-P8001 — сульфид кадмия. Для изделий, которые должны соответствовать RoHS, это серьёзное ограничение.
• Монтаж. Advanced Photonix запрещает паять фоторезисторы CdS оплавлением и в паровой фазе. Допустимая температура пайки выводов — 260 °C в течение 3 с на расстоянии 1/16 дюйма (1,6 мм) от корпуса; жало паяльника — не горячее 300 °C.

Итог: фоторезистор хорош для порога «день — ночь» с компаратором с гистерезисом, но не для измерения люксов.

Фототранзистор TEMT6000

Vishay TEMT6000X01 — кремниевый NPN-фототранзистор в прозрачном корпусе 1206 с максимумом чувствительности на 570 нм, полосой 440–800 нм по уровню 0,5 и углом половинной чувствительности ±60°. Его фототок почти пропорционален освещённости:

Коллектор подключают к питанию, эмиттер — через нагрузочный резистор Rн к земле, а напряжение на резисторе подают на АЦП:

где S — чувствительность в микроамперах на люкс. Типичная — 50 мкА / 100 лк = 0,5 мкА/лк, наибольшая по разбросу — 16 мкА / 20 лк = 0,8 мкА/лк. С Rн = 10 кОм при питании 3,3 В типичный экземпляр упирается в насыщение около 640 лк: (3,3 − 0,1) В / 10 кОм = 320 мкА. Чтобы измерять до 1000 лк любым экземпляром, Rн должен быть не больше 3,2 В / 800 мкА = 4 кОм. Это оценка сверху: 0,1 В насыщения Vishay нормирует только при токе 1,2 мкА, а для сотен микроампер значения в даташите нет — Rн берут с запасом. Шаг 10-битного АЦП с опорой 3,3 В — 3,2 мВ, то есть при 10 кОм около 0,64 лк для типичного датчика; подробнее о шаге и опорном напряжении — в статье «АЦП».

Для люксов TEMT6000 подходит с оговорками: разброс фототока между экземплярами — в 4,6 раза, а температурный коэффициент 1,18 %/К даёт около 30 % на 25 К. В отличие от цифровых датчиков, он сам ничего не интегрирует, поэтому от мерцания ламп защищаются снаружи: DN26 для быстрых датчиков предлагает RC-цепочку, замедляющую отклик, а отсчёты АЦП можно усреднять за 50 мс или кратное время. Зато он обходится без I²C и, по даташиту Vishay, соответствует директиве RoHS 2002/95/EC.

Цифровые датчики I²C

Цифровой датчик освещённости объединяет фотодиод, интегрирующий АЦП и интерфейс I²C. По даташитам производителей:

Все четыре работают только от низкого напряжения: с платой на 5 В нужны стабилизатор и согласование уровней, исключение — линии I²C у OPT3001, которые выдерживают 5,5 В. Подтягивающие резисторы считают как для любой шины — в статье «Интерфейс I²C».

BH1750FVI: отсчёт делить на 1,2

В текущем каталоге датчиков освещённости ROHM BH1750FVI нет: там BH1603FVC, BH1620FVC, BH1721FVC и BH1730FVC (проверено 18 октября 2026 года). Для новой разработки разумнее VEML7700 или OPT3001.

У BH1750 один фотодиод и три режима, каждый в непрерывном и однократном варианте; после однократного измерения датчик сам засыпает.

Остальные команды: 0x00 — выключение, 0x01 — включение, 0x07 — сброс регистра данных (только во включённом состоянии). Каждую команду передают отдельной транзакцией со STOP: две команды подряд датчик не принимает. ROHM рекомендует режим H-Resolution: длинное интегрирование подавляет помехи 50 и 60 Гц.

Освещённость считается по 16-битному отсчёту N (старший байт первым) и содержимому регистра времени измерения MTreg:

В режиме H-Resolution2 результат делят ещё на 2. Число 1,2 — типичное отношение отсчёта к люксам; у отдельных экземпляров оно от 0,96 до 1,44, отсюда ±20 % в даташите. ROHM пишет о диапазоне 1–65 535 лк, но это диапазон кода: при MTreg по умолчанию (69) наибольший код 65 535 соответствует 65 535 / 1,2 ≈ 54 600 лк.

Регистр MTreg (от 31 до 254) меняет чувствительность в 0,45–3,68 раза вместе со временем измерения: при 254 оно вырастает до 120 · 254 / 69 ≈ 440 мс. Цена отсчёта — 1,85, 0,83 и 0,23 лк при MTreg 31, 69 и 254 в режиме H-Resolution и вдвое меньше в H-Resolution2, до 0,11 лк. Записывают MTreg двумя командами: 0x40 | MT[7:5] и 0x60 | MT[4:0].

Адрес — 0x23, если вывод ADDR ниже 0,3 · VCC, и 0x5C, если выше 0,7 · VCC. Питание 2,4–3,6 В, предельно 4,5 В. Вывод DVI задаёт уровни шины (от 1,65 В до VCC) и одновременно служит асинхронным сбросом: после подачи VCC на нём должен быть ноль не меньше 1 мкс. ROHM приводит четыре схемы: DVI от вывода микроконтроллера, от супервизора питания (двухтактного или с открытым стоком и резистором 1 кОм), от отдельного источника, который включается позже VCC, и RC-цепочку 1 кОм / 1 мкФ от VCC к DVI. О последней ROHM предупреждает, что сброс она может не обеспечить: в примере для VCC = 2,8 В питание должно нарастать от 0 до 2,4 В не дольше 100 мкс, а перед повторным включением VCC должно не меньше 25 мс оставаться ниже 0,05 В. Если сброс не обеспечен, ADDR подключают не напрямую, а через резистор около 100 кОм: этот вывод внутри — буфер с тремя состояниями для заводского теста.

TSL2561: два канала и формула по их отношению

В TSL2561 два фотодиода: канал 0 видит видимый свет и ИК, канал 1 — в основном ИК. По отношению каналов ams вычитает инфракрасную составляющую. Формула для корпуса T (TMB-6), где C₀ и C₁ — отсчёты каналов:

Коэффициенты соответствуют времени интегрирования 402 мс и усилению 16×: если подставить в первую строку отклик из той же таблицы ams — 36 и 4 отсчёта на люкс для люминесцентной лампы, — получится 0,99 лк на каждый люкс. При другом времени отсчёты сначала делят на масштаб 0,034 (13,7 мс) или 0,252 (101 мс), а при усилении 1× ещё умножают на 16. При умножении обоих каналов на одно число k отношение C₁/C₀ не меняется, а результат по любой строке тоже умножается на k, поэтому то же самое можно сделать с готовым результатом. Если канал дошёл до полной шкалы — 5047 при 13,7 мс, 37 177 при 101 мс, 65 535 при 402 мс, — результат недостоверен, и время или усиление уменьшают. Формула выведена для датчика в открытом пространстве: окно или световод меняет свет на кристалле.

Адрес задаёт вывод ADDR SEL: 0x29 — на земле, 0x39 — свободен, 0x49 — на питании. Перед адресом регистра в командном байте ставят бит CMD (0x80), для чтения слова — ещё бит WORD (0x20). Датчик включают записью 0x03 в регистр 0x00; регистр 0x01 по умолчанию содержит 0x02 — 402 мс и усиление 1×. Каналы читают словами из регистров 0x0C и 0x0E (командные байты 0xAC и 0xAE), младший байт первым.

TSL2561T ams сняла с производства: по уведомлению от 20 мая 2021 года последние заказы принимались до 15 октября 2021 года, а последняя отгрузка была запланирована на конец июля 2022 года. Модули с ним ещё встречаются, но для новой разработки лучше взять VEML7700 или OPT3001.

VEML7700: усиление, время и поправка

VEML7700 питается от 2,5–3,6 В, его адрес фиксирован — 0x10, вывода прерывания нет. Подтягивающие резисторы шины можно подключить к своему питанию 1,7–3,6 В — к уровню микроконтроллера.

Настройки — в 16-битном регистре 0x00:

Результат читают из регистра 0x04, канал White с широким спектром — из 0x05; слово передаётся младшим байтом вперёд. После включения Vishay советует подождать 2,5 мс, а без режима энергосбережения читать результат не раньше, чем пройдёт время интегрирования. Цена отсчёта обратно пропорциональна усилению и времени интегрирования; таблицу Vishay целиком описывает формула

— от 0,0042 лк при G = 2 и 800 мс до 2,1504 лк при G = 1/8 и 25 мс; полная шкала 65 535 отсчётов — от 275 до 140 926 лк. Наименьшая обнаруживаемая освещённость — 0,008 лк: это 2 отсчёта при самом чувствительном режиме. Vishay советует начинать с усиления 1/8 или 1/4, чтобы не получить насыщение и переполнение, и повышать его, только если отсчётов не больше 100; к тому же при усилении 1 и 2 датчик выше 100 лк нелинеен. Для 1/4 и 1/8 выше примерно 1000 лк результат поправляют многочленом, где x — освещённость в люксах до поправки:

В примере Vishay 5581 отсчёт при G = 1/4 и 100 мс даёт 5581 · 0,2688 = 1500 лк до поправки и 1658 лк после. Ещё две оговорки из рекомендаций: допуск времени интегрирования — ±30 %, а разные источники — светодиоды, люминесцентные лампы, дневной свет — совпадают в пределах ±10 %; галогенная лампа с сильным ИК может показать больше.

OPT3001: экспонента и мантисса

OPT3001 сам выбирает диапазон (режим автоматической полной шкалы) и отдаёт результат в формате с плавающей точкой: в регистре 0x00 биты 15:12 — экспонента e, биты 11:0 — мантисса m. Байты регистров передаются старшим вперёд.

При e = 0 цена отсчёта 0,01 лк и шкала 40,95 лк, при e = 11 — 20,48 лк и 83 865,6 лк. Например, слово 0x5ABC: e = 5, m = 0xABC = 2748, освещённость 0,32 · 2748 = 879,36 лк.

После подачи питания OPT3001 спит: регистр конфигурации 0x01 содержит 0xC810 — автоматический диапазон, 800 мс, режим M = 00. Для непрерывных измерений в него пишут 0xCC10, для однократного — 0xCA10. Преобразование длится на 3 мс дольше интегрирования; при 100 мс на диапазонах до e = 5 теряется до трёх младших разрядов. Адрес задаёт вывод ADDR: 0x44 — GND, 0x45 — VDD, 0x46 — SDA, 0x47 — SCL; первые два совпадают с адресами Sensirion SHT3x из статьи «Датчики влажности». Проверить, что на шине именно OPT3001, можно по регистрам 0x7E (0x5449 — «TI» в ASCII) и 0x7F (0x3001).

Ток при измерениях — 1,8 мкА в темноте и 3,7 мкА на полной шкале, в выключенном состоянии — 0,3 мкА; отклик на ИК 850 нм — 0,2 %, разброс по источникам света (накаливания, галогенная, люминесцентная) — 4 % без защитного стекла. Если SCL удерживают в нуле 28 мс, интерфейс датчика сбрасывается сам.

Пример: от кода к люксам

BH1750 за окном с пропусканием 50 %. ROHM предлагает компенсировать окно чувствительностью: удвоить MTreg с 69 до 138 (0b1000_1010). Команды: 0x44 (0x40 | 0b100), затем 0x6A (0x60 | 0b01010), затем 0x20 — однократное измерение. Время вырастает вдвое — до 240 мс, не больше 360 мс. Пусть прочитаны байты 0x13 и 0x88, то есть N = 5000. Освещённость снаружи окна — 5000 / 1,2 ≈ 4167 лк, на самом кристалле — вдвое меньше: 5000 / 1,2 · 69 / 138 ≈ 2083 лк. С учётом разброса 0,96–1,44 отсчёта на люкс у некалиброванного датчика тот же отсчёт означает от 3472 до 5208 лк снаружи.

VEML7700 на ярком свету. G = 1/8 (биты 12:11 = 10), 100 мс (биты 9:6 = 0000), ALS_SD = 0 — в регистр 0x00 записывают 0x1000. Цена отсчёта 0,5376 лк. Отсчёт 10 000 даёт 5376 лк до поправки, а многочлен Vishay — 6786 лк: на таком уровне поправка добавляет 26 %.

TSL2561 с настройками по умолчанию. После включения — 402 мс и усиление 1×. Пусть C₀ = 120, C₁ = 36, отношение 0,30. Формула для «сырых» отсчётов даёт 0,0304 · 120 − 0,062 · 120 · 0,30^1,4 ≈ 2,27 лк, а с поправкой на усиление (×16) — 36,3 лк. Забытый множитель 16 занижает освещённость в 16 раз.

Размещение за окном и рассеивателем

Датчик в корпусе видит мир через отверстие, и оно ограничивает поле зрения. ams в DN13B оценивает половинный угол по расстоянию от кристалла до наружной поверхности, а долю дошедшего света — как sin²θ для датчика с косинусной характеристикой:

где d_a — диаметр отверстия, d_dp — расстояние от кристалла до верха корпуса датчика, t_pc — толщина стенки, d_apc — зазор между датчиком и стенкой. Отверстие 2 мм при 0,25 мм от кристалла до верха корпуса, стенке 1 мм и зазоре 0,25 мм даёт θ ≈ 34° и лишь 31 % света. По таблице ams при половинном угле 45° до датчика доходит 50 % света, при 30° — 25 %, при 15° — 6,7 %, поэтому ams рекомендует угол не меньше ±30°. Отверстие расширяют на допуски установки: в примере ams они дают ±0,5 мм в сумме и ±0,26 мм по корню из суммы квадратов, то есть отверстие шире на 0,52 мм. Для TSL2561 с вытянутой прямоугольной площадкой ams отдельно требует, чтобы край активной области был не ближе 0,5 мм к краю отверстия. Если угла не хватает, ставят световод. TI для OPT3001 советует поле зрения не меньше ±35°, лучше ±45°, и предупреждает, что световоды и решётчатые окна заметно искажают результат, если их оптику не просчитать.

У VEML7700 угол половинной чувствительности около ±55°, и Vishay считает ширину окна над чувствительной площадкой как w = 0,5 мм + 2 · d · tg 55°, где d — расстояние до наружной поверхности окна: при d = 1 мм выходит 3,36 мм. У BH1750 фотодиод размером 0,25 × 0,3 мм находится посередине ширины корпуса, в 1,3 мм от края с выводами 4–6, и по рисунку ROHM окно должно пропускать свет на круг радиусом не меньше 0,4 мм (диаметром 0,8 мм) с центром на фотодиоде.

Тёмное декоративное стекло пропускает обычно 5–30 % видимого света, иногда меньше 1 %, а некоторые чернила и красители почти прозрачны для ИК (TI). За таким стеклом отношение ИК к видимому растёт, и выигрывает датчик с сильным подавлением ИК. Любое окно, рассеиватель или светофильтр ослабляет свет по-разному на разных длинах волн (DN26), поэтому коэффициент пропускания измеряют люксметром на собранном изделии и учитывают при пересчёте: у BH1750 для этого есть MTreg, у VEML7700 и OPT3001 результат делят на измеренное пропускание. У TSL2561 этого мало: окно ослабляет видимый свет и ИК по-разному и меняет отношение C₁/C₀, а формула ams выведена для открытого датчика — с окном нужна собственная калибровка.

Типичные ошибки

• Люксы по фоторезистору. Разброс R при 10 лк — в 3,7 раза; даже со средним сопротивлением в формуле ошибка у крайних экземпляров — до 3 раз в обе стороны, плюс разброс показателя γ.
• Забыли нормировку. У TSL2561 формула написана для 402 мс и 16×, у VEML7700 цена отсчёта зависит и от усиления, и от времени.
• Две команды BH1750 в одной транзакции. Датчик принимает одну команду до STOP; MTreg записывают двумя отдельными передачами.
• Высокое усиление VEML7700 на ярком свету. При усилении 1 и 2 выше 100 лк показания нелинейны, а без поправочного многочлена выше примерно 1000 лк результат занижен.
• Забыли разбудить. После подачи питания все четыре цифровых датчика спят: TSL2561 включают записью 0x03 в регистр 0x00, VEML7700 — сбросом бита ALS_SD, OPT3001 — записью режима в регистр 0x01, BH1750 — командой измерения. VEML7700 после включения нужно 2,5 мс и полное время интегрирования.
• Конфликт адресов. OPT3001 на 0x44 или 0x45 не уживается на одной шине с SHT3x по тому же адресу.
• Нет сброса BH1750. Если после подачи питания на DVI нет нуля хотя бы 1 мкс, ROHM предупреждает, что датчик может работать неправильно, а состояние выводов ADDR, SDA и SCL не определено.
• Запаяли центральную площадку BH1750. ROHM требует её не паять и никуда не подключать: она на потенциале земли, и пайка грозит сбоями и большим током.
• Мерцание у аналогового датчика. TEMT6000 ничего не интегрирует, поэтому одиночный отсчёт АЦП ловит мгновенную яркость лампы; нужны RC-цепочка или усреднение за 50 мс или кратное время (DN26).
• Свет от своего изделия. Индикаторный светодиод или подсветка экрана рядом с окном датчика добавляют к измерению собственную засветку.

Пример кода: BH1750 на Arduino

Скетч делает однократные измерения в режиме H-Resolution и учитывает MTreg — коды команд и формула взяты из даташита ROHM.

#include <Wire.h>

// ROHM BH1750FVI, Technical Note Rev.D (2011.11)
const uint8_t BH1750_ADDR = 0x23;    // ADDR low; 0x5C with ADDR high
const uint8_t CMD_POWER_ON = 0x01;
const uint8_t CMD_ONE_TIME_H = 0x20; // one-shot, 1 lx steps, then power down
const uint8_t MTREG_DEFAULT = 69;

uint8_t mtreg = MTREG_DEFAULT;       // valid range 31..254

// The sensor takes one opcode per transaction: each needs its own STOP.
bool bh1750Command(uint8_t opcode) {
  Wire.beginTransmission(BH1750_ADDR);
  Wire.write(opcode);
  return Wire.endTransmission() == 0;
}

bool bh1750SetMtreg(uint8_t mt) {
  if (mt < 31 || mt > 254) return false;
  if (!bh1750Command(0x40 | (mt >> 5))) return false;    // 01000_MT[7:5]
  if (!bh1750Command(0x60 | (mt & 0x1F))) return false;  // 011_MT[4:0]
  mtreg = mt;
  return true;
}

// Illuminance in lux, or a negative value on a bus error.
float bh1750ReadLux() {
  if (!bh1750Command(CMD_ONE_TIME_H)) return -1.0f;
  // Max 180 ms at MTreg = 69; the measurement time scales with MTreg.
  delay((180UL * mtreg + 68) / 69);
  if (Wire.requestFrom(BH1750_ADDR, (uint8_t)2) != 2) return -2.0f;
  uint16_t raw = (uint16_t)Wire.read() << 8;  // high byte first
  raw |= Wire.read();
  return raw / 1.2f * MTREG_DEFAULT / mtreg;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  bh1750Command(CMD_POWER_ON);
  bh1750SetMtreg(MTREG_DEFAULT);
}

void loop() {
  Serial.println(bh1750ReadLux(), 1);
  delay(1000);
}

С bh1750SetMtreg(138) функция bh1750ReadLux() вернёт освещённость на кристалле; если датчик стоит за окном с пропусканием 50 %, освещённость снаружи — это raw / 1.2f, без множителя 69 / MTreg. Другие датчики — в разделе «Датчики».