具備傳感功能并顯示環(huán)境光強(qiáng)度的LED

作者:Dhananjay V Gadre，Sheetal Vashist，ECE Division, Netaji Subhas Institute of Technology, New Delhi

現(xiàn)代LED除了起到指示器和照明這些傳統(tǒng)功用以外，還能充當(dāng)光伏探測器（參考文獻(xiàn)1和參考文獻(xiàn)2）。簡單地把紅色LED連到萬用表，用類似的紅色LED等明亮光源照射它，就會(huì)產(chǎn)生大于1.4V的讀數(shù)（圖 1）。某個(gè)反向偏置LED的模型等效一個(gè)充電電容器，該電容器與一個(gè)依賴光的電流源并聯(lián)（參考文獻(xiàn)1）。如果增加入射光，就會(huì)增強(qiáng)電流源，并能使等效電容器快速放電至電源電壓。

　　圖2表示了一種把LED當(dāng)作光伏探測器的方法。如果把微控制器的輸出2號(hào)引腳連到LED的陰極，就會(huì)反向偏置，把LED的內(nèi)部電容充電至電源電壓。如果把LED的陰極連到3號(hào)輸入引腳，就會(huì)把高阻抗負(fù)載連到LED。光照LED，就會(huì)產(chǎn)生光電流。LED的內(nèi)部電容最初被充電至電源電壓，通過光電流源放電，當(dāng)電容器上的電壓降到微控制器的較低邏輯閾值電壓以下時(shí)，3號(hào)引腳會(huì)檢測邏輯0。如果增加入射光強(qiáng)度，就會(huì)更快地使電容器放電，較低的光電平會(huì)使放電速率下降。微控制器是Atmel AVR ATtiny15，測量3號(hào)引腳的電壓到達(dá)邏輯0的時(shí)間，并計(jì)算入射到LED的環(huán)境光強(qiáng)度。另外，微控制器按照與入射光的強(qiáng)度成比例的頻率使該LED閃爍。

　　 圖3顯示了Everlight Electronics有限公司的3mm超亮紅色LED，即D₁，它采用無色透明的密封劑，充當(dāng)環(huán)境光傳感器。該電路只有4個(gè)元件，依靠3V ~ 5.5V的任何直流電源工作。該電路只使用AVR ATtiny15 的6根I/O引腳中的3根，其余引腳可用于控制外部設(shè)備或與之通信。傳感器LED連到AVR微控制器的端口引腳PB₀和PB₃。另一根端口引腳PB3產(chǎn)生一個(gè)頻率與入射光強(qiáng)度成比例的方波。該電路的工作原理是首先把正向偏壓施加到LED上，持續(xù)一段固定時(shí)間，然后改變被施加到PB₀和PB₁的比特序列，由此把反向偏壓施加到LED上。接下來，微控制器把 PB₀重新配置成輸入引腳。內(nèi)部定時(shí)環(huán)路測量被施加到PB₀的電壓從邏輯1降到邏輯0的時(shí)間間隔為T。

　　把引腳PB₀和PB₁重新配置用來把正向偏壓施加到LED，就完成了循環(huán)。時(shí)間間隔T與入射到LED上的環(huán)境光強(qiáng)度成反比。對于較弱光線，LED以較低頻率閃爍，隨著入射光強(qiáng)度的增加，LED閃爍更加頻繁，以便提供入射光強(qiáng)度的視覺指示。

　　對于較低的正向電流值，LED的光輸出強(qiáng)度呈良好的線性度（參考文獻(xiàn)2）。如需測試該電路，可把第二個(gè)相同LED的光輸出耦合到傳感器 LED，即圖3中的D₁。應(yīng)該把這些LED 裝在用不透明黑膠帶遮蓋的密封管中，由此確保外部光線不照射傳感器LED。把照明LED的正向電流從0.33 mA改變?yōu)?.8mA，就會(huì)產(chǎn)生線性程度較高的傳感器閃爍頻率圖（圖4）。

　　作為傳感器的LED的效率取決于它的反向偏壓內(nèi)部電流源和電容。如需估算反向光電流，可把一個(gè)1MΩ電阻器與傳感器LED并聯(lián)，并在施加一個(gè)來自外部光源的恒定照明度的同時(shí)，測量電阻器兩端的電壓。用 500kΩ和100kΩ電阻器代替1MΩ電阻器，重復(fù)測量。

　　對于處于恒定照明下并屏蔽了雜散環(huán)境光的代表性LED，我們?yōu)樗腥齻€(gè)電阻器阻值測量到了大約25nA 的光電流。對于施加到傳感器LED的相同照明度，可測量在引腳PB₃產(chǎn)生的頻率。

　　為計(jì)算LED的反向偏置電容，可把延時(shí)回路時(shí)間、LED的光伏電流、微控制器的邏輯1和邏輯0閾值電壓代入公式并求解C，即LED的有效反向偏置結(jié)電容：(dV/dt)=(I/C)，其中dV是測得的邏輯1電壓減去邏輯0電壓，dt是測得的LED內(nèi)部電容放電時(shí)間，I是LED的光電流源的計(jì)算值。選定的LED的計(jì)算值范圍是25pF ~ 60pF。該范圍可與參考文獻(xiàn)3和參考文獻(xiàn)4中的數(shù)據(jù)相比，不過參考文獻(xiàn)3只報(bào)告了電流源的值?？梢詮谋驹O(shè)計(jì)實(shí)例下載AVR微控制器的匯編語言固件，表 1。

參考文獻(xiàn)
1.Dietz, Paul, William Yerazunis, and Darren Leigh, "Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bi-directional LEDs," Mitsubishi Research Laboratories, July 2003.
2.Petrie, Garry, "The Perfect LED Light," Resurgent Software, 2001.
3.Miyazaki, Eiichi, Shin Itami, and Tsutomu Araki, "Using a Light-Emitting Diode as a High Speed, Wavelength Selective Photodetector," Review of Scientific Instruments, Volume 69, No11, November 1998, pg 3751, http://rsi.aip.org.
4."Optocoupler Input Drive Circuits," Application Note AN-3001, Fairchild Semiconductor, 2002