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ADALM2000實驗：LED作為光傳感器

本文作者：Doug Mercer 點擊： 2023-05-22 11:22

前言：

作者：Doug Mercer，顧問研究員和Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

目標

本次實驗的目標是探索將發(fā)光二極管(LED)用作光電二極管光傳感器，將NPN和達靈頓NPN晶體管用作光傳感器的接口電路。

背景知識

光電二極管暴露在光線下時，會產(chǎn)生與光強度成正比的電流。此類光產(chǎn)生的電流與普通二極管或LED中的電流方向相反。隨著更多光子擊中光電二極管，電流增大，導(dǎo)致二極管兩端產(chǎn)生電壓。隨著二極管兩端的電壓增大，線性度會降低。

除了發(fā)射光以外，LED還可用作光電二極管光傳感器/檢測器。這種功能可用于多種應(yīng)用中，包括環(huán)境光水平傳感器和雙向通信。作為光電二極管時，LED對等于或短于其發(fā)射的主波長的波長非常敏感。綠色LED對藍色光和一些綠色光敏感，但對黃色光或紅色光不敏感。例如，紅色LED可以檢測到黃色LED發(fā)射的光，黃色LED可以檢測到綠色LED發(fā)射的光，但綠色LED無法檢測到紅色或黃色LED發(fā)射的光。3個LED全都會檢測到白光或藍色LED發(fā)射的光。白光中包含綠色LED能夠檢測到的藍光成分。回想一下，可見光波長可以按最長到最短的順序列出，分別為紅、橙、黃、綠、藍、靛藍、紫（記住有助記憶的首字母縮略詞ROYGBIV）。紫光是所有各色可見光中波長最短、光子能量最高的光，紅光是波長最長、光子能量最低的光。

對于廣譜照明（例如一般的室內(nèi)照明），采用透明塑封的LED比采用彩色塑封的LED（例如ADALP2000模擬套件中包含的LED）更為靈敏。

要將LED用作光檢測器，切勿將LED正向偏置到電流電壓(I-V)曲線的1象限（工作電壓和電流都為正）中。允許LED在太陽能電池模式下運行，即象限4（工作電壓為正，電流為負），或在光電二極管模式下運行，即象限3（工作電壓為負，電流為負）。在太陽能電池模式下，不施加任何偏置電壓。太陽能電池（在本例中為LED）自行產(chǎn)生電流和電壓。

材料

? ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

? 無焊試驗板

? 跳線

? 兩個2N3904 NPN晶體管（或SSM2212 NPN匹配對）

? 一個100 kΩ電阻

? 一個2.2 kΩ電阻

? 三個LED（紅、黃和綠多種顏色）

? 一個紅外光LED (QED-123)

說明

在無焊試驗板上搭建圖1所示的LED光傳感器電路。注意，LED二極管D1是反向偏置的，也就是說，與作為光發(fā)射器的連接方式相反。光生成的電流作為基極電流流入Q1，在乘以晶體管的電流增益ß之后進入集電極中。

圖1.LED和單個共發(fā)射極NPN光傳感器。

硬件設(shè)置

使用ADALM2000模塊中設(shè)置為5 V的可變正電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)測Q1集電極節(jié)點的電壓。

程序步驟

如圖所示，一次一個，依次將紅光、黃光或綠光LED插入電路中。嘗試讓ADALP2000模擬套件中這三個不同顏色的LED接觸不同的光源，例如與LED傳感器間隔不同距離的標準白熾燈、熒光燈和LED燈。觀察Q1集電極上顯示的電壓波形。嘗試插入套件中的紅外光LED，觀察該LED在接觸不同光源時的響應(yīng)。嘗試通過將RL值增大到200 kΩ或470 kΩ，以提高其靈敏度或增益。

圖2.LED和單個共發(fā)射極NPN光傳感器面包板電路。

圖3、圖4和圖5為Scopy波形圖示例。

圖3.紅光LED和單個共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于最遠距離。

圖4.紅光LED和單個共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于中等距離。

圖5.紅光LED和單個共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于最近距離。

第2步指導(dǎo)

按照圖6所示的達靈頓配置，更改面包板上的電路。在更改電路之前，確保先關(guān)閉電源。使用達靈頓晶體管之后，Q2的發(fā)射極電流變成Q1的基極電流，使得LED D1由光生成的電流乘以ß2，會出現(xiàn)在Q1和Q2集電極的負載電阻RL中。此電流增益更高，所以我們能使用電阻值更低的負載電阻。

圖6.LED和達靈頓NPN光傳感器。

第2步硬件設(shè)置

面包板連接如圖7所示。

圖7.LED和達靈頓光傳感器面包板電路。

第2步流程

重復(fù)相同的流程：將不同的LED插入D1的電路，然后測量LED對不同光源的響應(yīng)。

圖8、圖9和圖10為Scopy波形圖示例。

圖8.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于最遠距離。

圖9.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于中等距離。

圖10.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于最近距離。

問題：

要用作光檢測器，LED應(yīng)在哪種模式下運行？您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。

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