Wie LEDs verwenden, um Licht zu erkennen, Make
Da eine elektromagnetische Telefonempfänger kann als Mikrofon verdoppeln, kann eine Halbleiterlichtdetektor Doppel als Lichtemitter?
Diese Frage war in meinem Kopf, als ich ein Abiturient im Jahr 1962 war Damals wusste sie nicht, dass Quanteneffekte in einem Halbleiter zu dem elektromagnetischen Betrieb eines Telefonhörers nicht verwandt sind. Wenn ich gewusst hätte, dass ich würde nie eine Zündspule über die Leitungen eines Cadmiumsulfid photoresistor angeschlossen haben, um zu sehen, ob es Licht emittieren würde. Es tat - ein weiches grünes Leuchten mit hellen Blitzen der grünen unterbrochen.
Während des Studiums fand ich, dass eine Siliziumsolarzelle mit einem Transistor-Impulsgenerator angeschlossen Wallungen unsichtbarer Infrarot emittieren, die von einer zweiten Solarzelle detektiert werden konnte. Im Jahr 1972 verwenden ich nahe IR-LEDs und Laserdioden Sprachsignale zu senden und empfangen, durch die Luft und durch optische Fasern. Später experimentierte ich mit Zwei-Wege-Optokopplern hergestellt durch ein Paar von LEDs zusammen Taping, so dass sie einander gegenüber.
Warum verwenden LEDs als Sensoren?
Silizium-Photodioden sind weit verbreitet und kostengünstig. Warum also den Einsatz LEDs als Lichtsensoren?
- LEDs erkennt ein schmales Band von Wellenlängen, weshalb ich sie spektral selektive Photodioden nennen. Eine Silizium-Fotodiode hat eine sehr breite spektrale Empfindlichkeit, etwa 400 nm (violett) (unsichtbare nahe IR) bis 1000 nm, und erfordert einen teueren Filter für eine bestimmte Wellenlänge zu erfassen.
- Die Empfindlichkeit der meisten LEDs ist sehr stabil über die Zeit. So sind Silizium-Photodioden - aber Filter haben eine begrenzte Lebensdauer.
- LEDs können sowohl emittieren und Licht erfassen. Das bedeutet, eine optische Datenverbindung mit nur einer einzelnen LED an jedem Ende festgelegt werden, da separaten Sende- und Empfangs-LEDs ist nicht erforderlich.
- LEDs sind sogar noch preiswert und weit verbreitet als Photodioden.
Nachteile von LEDs als Lichtsensoren
Kein Sensor ist perfekt.
- LEDs sind nicht so leicht wie an den meisten Silizium-Photodioden empfindlich.
- LEDs sind temperaturempfindlich. Dies kann ein Problem für Außensensoren darstellen. Eine Lösung ist, einen Temperatursensor nahe an der LED so ein Korrektursignal zu montieren kann in Echtzeit angewendet werden, oder wenn die Daten verarbeitet werden.
- Einige LEDs ich getestet habe verlieren allmählich ihre Empfindlichkeit.
LEDs erkennen bestimmte Farben des Lichts
Das typische menschliche Auge reagiert mit Wellenlängen von 400 nm um (violett) bis etwa 700 nm (rot) zu beleuchten. LEDs eine viel schmalere Band von Licht erfassen, eine Spitzenempfindlichkeit bei einer Wellenlänge geringfügig kürzer als die Peak-Wellenlänge sie emittieren. Zum Beispiel reagiert eine LED mit einer Spitzenemission im roten bei 660 nm am besten zu oranges Licht bei 610 nm.
Die spektrale Breite des emittierten Lichts durch die typischen blauen, grünen und roten LEDs im Bereich von etwa 10 nm-25 nm. Nah-Infrarot-LEDs hat eine spektrale Breite von 100 nm oder mehr. Die Empfindlichkeit der meisten LEDs ich getestet habe bietet ausreichend Überlappung Licht von einer identischen LED zu erkennen.
Abbildung A zeigt die spektrale Empfindlichkeit von 7 blauen, grünen, roten und nahen Infrarot-LEDs, die die üblichen Silizium-Photodioden und Filtern in meinem modifizierten Multi-Filter Rotierende Shadowband Radiometers, verwendet für Solarspektroskopie ersetzen.
Blau und die meisten grünen LEDs aus Galliumnitrid (GaN) hergestellt. Die hellsten rote LEDs ist aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) hergestellt. Die LEDs in Nah-Infrarot-Fernbedienungen verwendet werden, sind auch AlGaAs-Geräte; ihre Spitzenemission ist etwa 880 nm und Peak-Detektion um 820nm.
Ältere Fernsteuerungen verwendet Galliumarsenid mit Silizium (GaAs: Si) kompensiert. Diese LEDs emittieren bei etwa 940 nm, was sie ideal zur Erfassung von Wasserdampf macht, aber sie haben sehr schwer zu finden.
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Dies gilt nicht für weiße LEDs, die mit einem Leuchtstoff beschichtet blau emittierenden LEDs sind, die gelb und rot leuchtet, wenn durch Blau von der LED stimulieren. Die Verschmelzung der blauen, gelben und roten liefert weißes Licht. Während eine weiße LED blaues Licht erkennen kann, ist eine blaue LED eine viel bessere Wahl.
Grundlegende LED-Sensor-Schaltungen
Sie können in den meisten Schaltungen eine LED für eine Standard-Silizium-Photodiode ersetzen. Nur sicher sein, Polarität. Denken Sie auch daran, dass die LED nicht so empfindlich wie die meisten Standard-Photodioden und wird auf eine viel engere Bande von Lichtwellenlängen reagieren.
Für die besten Ergebnisse erzielen Sie mit LEDs in klaren Epoxidharz vergossen und ein paar Experimente zuerst versuchen. Dies wird Ihnen helfen, zu verstehen, wie der Erfassungswinkel einer LED als Sensor verwendet passt die Emissionswinkel, wenn sie als Lichtquelle verwendet wird:
- Verwenden Standard-Kopplern LEDs optische Kunststoffaser zu befestigen anzubringen, sie diese Methode direkt (Abbildung B): Flatten der Oberseite des LED mit einer Datei, klemmen sie fest, und die Bohrung sorgfältig ein kleines Loch genau über dem lichtemittierenden Chip . Legen Sie die Faser und zementieren sie an Ort und Stelle.
- Die Leitungen einer klaren gekapselten roten oder nahen IR-LED zu einem Multimeter gesetzt, um anzuzeigen Strom. Richten Sie die LED in Richtung der Sonne oder einem hellen Glühlampenlicht, und das Messgerät einen Strom (Abbildung C) zeigen.
- Verwenden Sie eine LED eine zweite LED mit Strom zu versorgen. Verbinden Sie die Anode und Kathode führt von 2 klar gekapselte superhellen roten LEDs. Wenn eine LED mit einer hellen Taschenlampe beleuchtet wird, wird die zweite LED leuchtet. Schrumpfschlauch wird über die leuchtenden LED platziert Licht von der Taschenlampe zu blockieren. Sie können an der Spitze des Artikels auf dem Foto um diese Funktion zu sehen.
LEDs haben eine viel kleinere lichtempfindliche Fläche als die meisten Silizium-Photodioden, so dass sie eher Verstärkung benötigen. Inexpensive Operationsverstärker sind ideal. Abbildung D zeigt eine einfache Schaltung I verwenden, um häufig den Photostrom von einem in eine proportionale Spannung LED wandeln. Die Linear Technology LT1006 Einzelversorgung OPV (IC1) liefert eine Ausgangsspannung, die in Bezug auf die Intensität des einfallenden Lichts nahezu perfekt linear ist. Der Gewinn bzw. Verstärkung gleich den Widerstand des Rückkopplungswiderstandes (R1). Somit kann, wenn R1 1.000.000 Ohm beträgt, ist die Verstärkung der Schaltung 1.000.000. Der Kondensator C1 verhindert Schwingung.
Viele andere Operationsverstärker kann für die LT1006 substituiert sein können, aber die meisten von ihnen erfordern eine doppelte Polarität Stromversorgung. Wenn Sie eine dieser zu verwenden, schließt Pin 4 direkt mit den negativen Versorgungs. Verbindungsstift 3 und die Kathode der LED (der Übergang zwischen der Minus-Seite F der positiven Versorgung und der positiven Seite des w der Minus-Versorgung) zu erden.
Weitergehen
Der beste Weg für LEDs mit neuen Anwendungen zu kommen, wie Photodioden betrieben wird, mit den Anwendungen zu experimentieren, die ich hier beschrieben habe. Als ich in den 60er Jahren dieses wieder tun, ich hatte keine Ahnung, diese einfache Experimente zu Zwei-Wege-Kommunikation über eine einzige optische Faser und verschiedene Arten von Instrumenten führen würde die Atmosphäre zu messen, die ich schon seit mehr als 23 Jahren.
Für mehr von Forrest M. Mims III Artikel und Bücher über „LEDs als Photodioden“, besuchen Sie bitte forrestmims.org/publications.html.