具備傳感功能并顯示環境光強度的LED

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

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（參考文獻1和參考文獻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，就會產生大于1.4V的讀數（圖 1）。某個反向偏置LED的模型等效一個充電電容器，該電容器與一個依賴光的電流源并聯（參考文獻1）。如果增加入射光，就會增強電流源，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，就會把高阻抗負載連到LED。光照LED，就會產生光電流。LED的內部電容最初被充電至電源電壓，通過光電流源放電，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，3號引腳會檢測邏輯0。如果增加入射光強度，就會更快地使電容器放電，較低的光電平會使放電速率下降。微控制器是Atmel AVR ATtiny15，測量3號引腳的電壓到達邏輯0的時間，并計算入射到LED的環境光強度。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，它采用無色透明的密封劑，充當環境光傳感器。該電路只有4個元件，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產生一個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。內部定時環路測量被施加到PB₀的電壓從邏輯1降到邏輯0的時間間隔為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。時間間隔T與入射到LED上的環境光強度成反比。對于較弱光線，LED以較低頻率閃爍，隨著入射光強度的增加，LED閃爍更加頻繁，以便提供入射光強度的視覺指示。

　　對于較低的正向電流值，LED的光輸出強度呈良好的線性度（參考文獻2）。如需測試該電路，可把第二個相同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，由此確保外部光線不照射傳感器LED。把照明LED的正向電流從0.33 mA改變為2.8mA，就會產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部電流源和電容。如需估算反向光電流，可把一個1MΩ電阻器與傳感器LED并聯，并在施加一個來自外部光源的恒定照明度的同時，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境光的代表性LED，我們為所有三個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產生的頻率。

　　為計算LED的反向偏置電容，可把延時回路時間、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。該范圍可與參考文獻3和參考文獻4中的數據相比，不過參考文獻3只報告了電流源的值。可以從本設計實例下載AVR微控制器的匯編語言固件，表 1。

參考文獻
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