Одним из параметров окружающей среды является показатель, характеризующий уровень ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) в спектре солнечного света - УФ-индекс (англ. UV Index). В прогнозе погоды часто сообщают о его значении или уровне, обычно это бывает в летние месяцы, что позволяет оценить опасность УФИ для человека, прежде всего для кожи и глаз [1]:
0...2 - низкий;
3...5 - умеренный;
6...7 - высокий;
8...10 - очень высокий;
11 и более - экстремальный.
Из всего УФИ Солнца до поверхности Земли почти свободно проходит длинноволновое излучение - УФ-А (длина волны 315...400 нм).
Профессиональные измерители УФИ стоят очень дорого, поэтому об их применении в быту речи нет. Но для измерения УФИ можно использовать некоторые специализированные УФ-фотодиоды, например GUVA-S12SD [2], предназначенные именно для этой цели. Описание конструкции измерителя на этом фотодиоде была опубликовано в [3]. Однако в настоящее время в Интернете можно приобрести готовые модули, которые позиционируются как измерители УФИ.
Однако такое устройство всё же неправильно называть измерителем, поскольку оно формально не сертифицировано, но для использования в бытуоно будет полезным. Кроме измерения УФИ солнечного излучения, с его помощью можно оценить эффективность солнцезащитных очков, работоспособность и мощность излучения УФ-диодов.
Обычно название модуля соответствует наименованию основного электронного элемента в этом модуле. Так обстоит дело и с модулем GUVA-S12SD, основой которого является упомянутый выше УФ-фотодиод. Есть несколько таких модулей с разной комплектацией. В этой конструкции применён модуль [4], показанный на рис. 1. Схема модуля, составленная на основе платы, показана на рис. 2, обозначения элементов приведены в соответствии с маркировкой на ней.
Рис. 1. УФ-датчик GUVA-S12SD
Рис. 2. Схема модуля
Напряжение питания модуля - 3,3...5,5 В, потребляемый ток при напряжении 5 В - около 4 мА, причём большая его часть приходится на индикаторный светодиод. Выходным сигналом модуля является напряжение, производитель обещает, что оно пропорционально УФИ. Поэтому, разделив выходное напряжение (в милливольтах) на 100, получим численное значение УФИ. Для этого модуля требуется вольтметр, чтобы превратить его в измеритель УФИ. В этом случае наиболее рационально использовать такой модуль как приставку к цифровому мультиметру. При использовании мультиметров серий DТ83х, М83х питать такой модуль можно от самого мультиметра. Возможность такого питания часто используют радиолюбители для различных приставок. Для этого надо снять напряжение +3 В (по отношению к общему проводу) с гнезда коллектора для проверки транзисторов структуры n-p-n или гнезда эмиттера транзисторов p-n-p (гнездо С NPN или E PNP на рис. 3).
Рис. 3.
В применённом модуле GUVA-S12SD использован ОУ SGM8521XN5, который относится к категории rail-to-rail с минимальным однополярным напряжением питания 2,1 В. Поэтому этот модуль будет нормально работать при напряжении питания 3 В, при этом потребляемый ток (со светодиодом) - 1,7 мА. Мощности источника питания мультиметра DT-838 вполне достаточно для питания УФ-модуля вместе с этим светодиодом. Но желательно снизить энергопотребление. Для этого резистор R4 на плате модуля надо заменить другим с сопротивлением в несколько раз больше. Яркость свечения светодиода при этом, конечно, упадёт, но будет достаточной для индикации наличия напряжения питания.
Модуль надо подключить к мультиметру в соответствии со схемой, приведённой на рис. 4. Для такого подключения можно использовать три гибких провода, которые припаивают с одной стороны к трёхконтактной вилке XS1 (серии PBS), а с другой - к вилкам ШП-4 (XP1, XP3) и отрезку лужёного провода диаметром 0,8 мм (XP2).
Рис. 4. Схема подключения модуля к мультиметру
Рис. 5. Чертёж платы для установки на мультиметр DT838
Но более удобным будет подключение к мультиметру с помощью переходной платы, поскольку это будет единая конструкция, которую можно держать в одной руке. Чертёж платы для установки на мультиметр DT838 показан на рис. 5, она изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Модуль GUVA-S12SD лучше сделать съёмным. Для этого на переходную плату надо установить гнездо серии PBS (XS1), два штыря ШП-4 (XP1, XP3) и отрезок лужёного провода диаметром 0,8 мм (XP2). Штырь ХР2 должен высту-пать над платой на высоту 12...15 мм. Все штыри припаивают на плату и убеждаются, что она правильно размещается на мультиметре. После этого надо зафиксировать штыри с помощью эпоксидного клея, причём для штырей XP1 и XP3 это надо сделать с двух сторон. Когда эпоксидный клей затвердеет, устанавливают гнездо XS1, и при желании плату можно покрасить, при этом надо защитить гнездо и штыри от краски. Внешний вид платы с установленным модулем показан на рис. 6.
Рис. 6. Внешний вид платы с установленным модулем
Рис. 7.
После подключения модуля к переходной плате и подключения платы к мультиметру (рис. 7) его переводят в режим измерения напряжения на пределе 2000 мВ (2000m). Светодиод на плате модуля должен включиться. Фотодиод модуля надо закрыть непрозрачным материалом, при этом показания мультиметра должны быть 1...2 мВ (но не более нескольких милливольт). Это будет нулевой уровень индикатора.
Выйдя на освещённое Солнцем место, направляют индикатор так, чтобы солнечные лучи падали перпендикулярно поверхности модуля, и небольшим перемещением индикатора добиваются максимальных показаний мультиметра. Разделив их на 100, можно получить значение УФИ. После этого можно проверить, как поглощают УФ-излучение различные прозрачные предметы. При этом периодически надо проверять УФИ без этих предметов, поскольку он постоянно меняется. Так можно проверить и солнцезащитные очки. Добившись максимума показаний, фотодиод закрывают очками, которые надо располагать вплотную к нему, и снимают показания. Такие измерения могут быть интересными. Но как определить, действительно ли солнцезащитные очки защищают от УФ-излучения и насколько хорошо это делают, если прямого солнечного света нет и пока не предвидится? В этом случае потребуется изготовить собственный источник УФ-излучения, в качестве которого можно применить специализированный излучающий диод УФ-диапазона. Такой диод можно приобрести в Интернете. Для этого случая был использован излучающий диод (рис. 8), у которого максимум излучения (по заверениям продавца) расположен на длине волны 365 нм [5], а максимальная рассеиваемая мощность - 3 Вт. В видимом спектре он светит неярко белоголубым цветом. Но не следует направлять его в глаза, поскольку излучаемая мощность в УФ-диапазоне может быть существенной.
Рис. 8.
Рис. 9. Схема подключения излучающего диода
Питать излучающий диод можно через токоограничивающий резистор от источника напряжением 5 В, например, от блока питания или Power Bank, снабжённых USB-гнездом. Схема подключения излучающего диода показана на рис. 9. Чтобы было удобно пользоваться таким источником УФ-излучения, диод вместе с резистором надо поместить в корпус, например от фломастера. Для подключения к источнику питания использована USB-вилка с кабелем от компьютерной мыши. Подходящим вариантом для корпуса оказалась пластмассовая стойка-трубка со штырём с крестообразным профилем (рис. 10) от газонного светильника. Штырь с небольшим усилием вставляется внутрь трубки, и на нём можно закрепить излучающий диод. Острый конец штыря надо обрезать так, чтобы диод был на несколько миллиметров утоплен в трубке. Это ограничит область, облучаемую диодом.
Рис. 10.
Для крепления диода на штыре и одновременно для теплоотвода использована медная проволока диаметром 1,2...1,5 мм. Берут отрезок проволоки длиной 12...14 мм и сгибают его пополам в виде буквы "П" так, чтобы верхняя часть этой буквы была бы длиной 4...5 мм. Эту часть залуживают и припаивают перпендикулярно к металлическому основанию диода. При этом желательно паять быстро и использовать легкоплавкий припой, чтобы не повредить диод.
Рис. 11.
Затем диод размещают на обрезанном конце штыря, а концы проволоки вставляют в заранее просверленные отверстия в штыре и потом загибают. После этого через отверстие в штыре вставляют кабель питания, припаивают резистор R1 и светодиод (рис. 11).
Предварительно надо подобрать резистор R1 (см. рис. 9), чтобы установить требуемый ток через диод. С учётом падения напряжения на кабеле питания при R1 = 4,7 Ом ток через диод был 200 мА. Внешний вид готового источника УФ-излучения показан на рис. 12. На расстоянии 10 мм между излучающим диодом и фотодиодом модуля GUVA-S12SD УФИ был равен 11.
Рис. 12. Внешний вид готового источника УФ-излучения
Чертёж печатной платы имеется здесь.
Литература
1.Ультрафиолетовый индекс. - URL: https://www.gismeteo.ru/page/uv-index/ (11.06.22).
2.GUVA-S12SD. - URL: https://static. chipdip.ru/lib/839/DOC003839241.pdf (11.06.22).
3.Корнев А. Измеритель УФ-индекса. - Радио, 2017, № 5, с. 36.
4.УФ-датчик 240...370 nm GUVA-S12SD. - URL: https://aliexpress.ru/item/10050031 99151231.html?sku_id=12000024624764 754&spm=a2g0o (11.06.22).
5.УФ-светодиод. - URL: https:// aliexpress.ru/item/1005002232232352. html?sku_id=12000019446439370&spm = a2g0o.search.0.0.2d5c3 645Osh8Qa (11.06.22).
Автор: И. Нечаев, г. Москва