技術(shù)知識：具備傳感功能并能顯示環(huán)境光強度的LED

現代LED除了起到指示器和照明這些傳統功用以外，還能充當光伏探測器。簡(jiǎn)單地把紅色LED連到萬(wàn)用表，用類(lèi)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(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(lài)光的電流源并聯(lián)(參考文獻1)。如果增加入射光，就會(huì )增強電流源，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當作光伏探測器的方法。如果把微控制器的輸出2號引腳連到LED的陰極，就會(huì )反向偏置，把LED的內部電容充電至電源電壓。如果把LED的陰極連到3號輸入引腳，就會(huì )把高阻抗負載連到LED。光照LED，就會(huì )產(chǎn)生光電流。LED的內部電容最初被充電至電源電壓，通過(guò)光電流源放電，當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號引腳會(huì )檢測邏輯0。如果增加入射光強度，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號引腳的電壓到達邏輯0的時(shí)間，并計算入射到LED的環(huán)境光強度。另外，微控制器按照與入射光的強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(wú)色透明的密封劑，充當環(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(lái)，微控制器把 PB0重新配置成輸入引腳。內部定時(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(mén)。

把引腳PB0和PB1重新配置用來(lái)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)境光強度成反比。對于較弱光線(xiàn)，LED以較低頻率閃爍，隨著(zhù)入射光強度的增加，LED閃爍更加頻繁，以便提供入射光強度的視覺(jué)指示。

對于較低的正向電流值，LED的光輸出強度呈良好的線(xiàn)性度。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(xiàn)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(xiàn)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(lái)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L(fǎng)ED，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內部電容放電時(shí)間，I是LED的光電流源的計算值。選定的LED的計算值范圍是25pF ~ 60pF。