學子專區—ADALM2000實驗：LED作為光感測器
前言：
作者：ADI 顧問研究員Doug Mercer 和 系統應用工程師Antoniu Miclaus
目標
本次實驗的目標是探索將發光二極體(LED)用於光電二極體光感測器，將NPN和達靈頓NPN晶體管用於光感測器的介面電路。
背景知識
光電二極體暴露在光線下時，會產生與光強度成正比的電流。此類光產生的電流與普通二極體或LED中的電流方向相反。隨著更多光子擊中光電二極體，電流增大，導致二極體兩端產生電壓。隨著二極體兩端的電壓增大，線性度會降低。
除了發射光以外，LED還可用於光電二極體光感測器/檢測器。此種功能可用於多種應用中，包括環境光水準感測器和雙向通訊。作為光電二極體時，LED對等於或短於其發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發射的光，黃色LED可以檢測到綠色LED發射的光，但綠色LED無法檢測到紅色或黃色LED發射的光。3個LED全都會檢測到白光或藍色LED發射的光。白光中包含綠色LED能夠檢測到的藍光成分。回想一下，可見光波長可以依照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。
對於廣譜照明（例如一般的室內照明），採用透明塑封的LED比採用彩色塑封的LED（例如 ADALP2000 類比套件中包含的LED）更為靈敏。
要將LED用於光檢測器，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作，即象限4（工作電壓為正，電流為負），或在光電二極體模式下運作，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）自行產生電流和電壓。
材料
• ADALM2000 主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 兩個2N3904 NPN電晶體（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光感測器電路。注意，LED二極體D1是反向偏置的，也就是說，與作為光發射器的連接方式相反。光產生的電流作為基極電流流入Q1，在乘以電晶體的電流增益ß之後進入集電極中。
圖1.LED和單個共發射極NPN光感測器。
硬體設定
使用ADALM2000模組中設定為5 V的可變正電源為電路供電。使用示波器通道1監測Q1集電極節點的電壓。
圖2. LED和單一共發射極NPN光感測器麵包板電路。
程式步驟
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類比套件中這三個不同顏色的LED接觸不同的光源，例如與LED感測器間隔不同距離的標準白熾燈、螢光燈和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回應。嘗試透過將RL值增大到200 kΩ或470 kΩ，以提高其靈敏度或增益。
圖3、圖4和圖5為Scopy波形圖示例。
圖3.紅光LED和單個共發射極NPN光感測器，LED燈處於最遠距離。
圖4.紅光LED和單個共發射極NPN光感測器，LED燈處於中等距離。
圖5.紅光LED和單個共發射極NPN光感測器，LED燈處於最近距離。
第2步指導
按照圖6所示的達靈頓配置，更改麵包板上的電路。在更改電路之前，確保先關閉電源。使用達靈頓電晶體之後，Q2的發射極電流變成Q1的基極電流，使得LED D1由光產生的電流乘以ß2，會出現在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光感測器。
第2步 硬體設定
麵包板連接如圖7所示。
圖7.LED和達靈頓光感測器麵包板電路。
第2步 流程
重複相同的流程：將不同的LED插入D1的電路，然後測量LED對不同光源的回應。
圖8、圖9和圖10為Scopy波形圖示例。
圖8.紅光LED和達靈頓光感測器，LED燈處於最遠距離。
圖9.紅光LED和達靈頓光感測器，LED燈處於中等距離。 圖10.紅光LED和達靈頓光感測器，LED燈處於最近距離。
問題：
要作為光檢測器，LED應在哪種模式下運作？您可以於學子專區部落格上找到答案。
