Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Fotowoltaika
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: dioda LED to także fotodioda

ghost666 07 Sie 2014 14:56 6816 6
  • Rzadko zadawane pytania: dioda LED to także fotodioda


    Pytanie: W jednym ze starszych odcinków cyklu rzadko zadawanych pytań http://www.analog.com/en/all-operational-ampl..._may_see_the_light_issue45/resources/faq.html przeczytać można o tym iż oświetlenie powodować może wprowadzanie zakłóceń do systemu gdyż szklane diody są do pewnego stopnia czułe na światło, np. pulsujące z częstotliwością 100/120 Hz oświetlenie. Potrzebny jest mi tani fotodetektor, jednakże dioda 1N4148 w szklanej obudowie zdaje się nie działać w tej aplikacji. Jak powinienem ją podłączyć do mojego układu?

    Odpowiedź: Diody w szklanych obudowach, takie jak 1N914 czy 1N4148 są na tyle czułe na oświetlenie, aby wprowadzać do systemu przydźwięk sieci z oświetlenia, jednakże nie są dostatecznie czułe aby wykorzystać je jako fotocele w układzie. Ich widmo czułości skupia się głównie w podczerwieni, a nie w pasmie widzialnym. Co więcej, nawet w silnym świetle słonecznym fotoprąd takiej diody wynosi około 10 nA. Diody tego typu niestety nie są praktycznym substytutem klasycznych paneli fotowoltaicznych. Co ciekawe klasyczna latarka z żarówką wzbudza w zwykłej diodzie w szklanej dwa albo trzy razy wyższy fotoprąd niż bezpośrednie oświetlenie słoneczne, a 60 W żarówka zasilana z sieci prądu przemiennego wprowadza do sygnału płynącego przez diodę modulację o częstotliwości 100 Hz i głębokości aż 7% (!). Łatwo w ten sposób zauważyć iż istotnie są one poważną przyczyną wprowadzania do układu przydźwięku sieci, jeśli oświetlimy układ żarówką lub innym źródłem światła zasilanym z sieci.

    Przy koszcie około 2¢ za sztukę (w hurcie) diody elektroluminescencyjne (LED) kosztują pięć razy więcej niż klasyczne diody, jednakże są one także o wiele czulsze na światło, co umożliwia stosowanie ich jako fotoceli. Przy bezpośrednio padającym świetle słonecznym, standardowa czerwona dioda LED (średnica 5 mm, 1000 mCd przy 20 mA) generuje ponad 20 µA fotoprądu. W słonecznych tropikach taki prąd pozwala naładować baterię w zegarku. Jakkolwiek diody LED nie są przystosowane do funkcjonowania jako ogniwa fotowoltaiczne, to są całkiem dobre w aplikacji fotodetektora i przy tym kosztują tylko 10% tego ile kosztują dedykowane elementy tego typu.

    Pamiętać musimy iż czułość spektralna diody LED zależy od jej koloru - wyczuwać one będą promieniowanie o długości fali równej i krótszej niż to które emitują. Dodatkowo ich działanie zależy od ich obudowy, gdyż światło może zostać po prostu zaabsorbowane przez plastik obudowy zanim dotrze do struktury półprzewodnikowej w diodzie. Białe diody ponadto często zawierają różnego rodzaju fosfory których zadaniem jest konwertowanie światłą monochromatycznego, generowanego przez diodę, na światło białe. Takie diody elektroluminescencyjne nie stanowią dobrych fotodetektorów.

    Producenci diod LED nie charakteryzują ich własności jako fotodetektorów, zatem podczas projektu należy bardzo uważać gdyż rzeczy które mają niewielki wpływ na ich działanie jako diod elektroluminescencyjnych mogą mieć krytyczny wpływ na ich działanie jako fotodiod. Gdy korzystać będziemy z diody LED jako fotoceli, koniecznie musimy sami zmierzyć jej własności optoelektryczne i zachować dużą dozę ostrożności podczas projektowania, tak aby układ działał bez wprowadzania dużych zmian. Czyni to masową produkcję układów wykorzystujących diody LED jako fotodetektory dosyć problematyczną, jednakże w niewielkich partiach czy dla pojedynczych układów jest to bardzo wygodne (i tanie) rozwiązanie,

    Bardzo eleganckim wykorzystaniem diody LED, jest aplikacja w której jest ona kontrolowana przez mikrokontroler. Ta sama dioda może być jednocześnie wykorzystana jako fotodetektor, po tym jak odłączymy układ cyfrowy sterujący diodą i zmierzymy generowany przez nią fotoprąd. Jeśli mikrokontroler z którego korzystamy wyposażony jest w wyprowadzenia wielofunkcyjne, mogące działać jako wejście analogowe i pin cyfrowego wejścia/wyjścia - tak jak w przypadku układu ADuC7023 firmy Analog Devices czy rodziny mikrokontrolerów AVR ATMega firmy Atmel - zrealizować to można z pomocą jednej diody LED, dwóch oporników i jednego wyprowadzenia procesora.

    Dioda półprzewodnikowa może zostać wykorzystana jako fotodetektor w dwóch trybach. Są to tryb fotowoltaiczny i fotoprzewodzenia. Panele słoneczne działają w trybie fotowoltaicznym. Światło świeci na nie, przez co anoda diody staje się bardziej dodatnia niż katoda, a prąd proporcjonalny do nateżenia padającego światła płynie pomiędzy anodą i katodą. W tym trybie dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a jej pojemność jest kilka razy większa niż podczas polaryzacji zaporowej.

    W trybie fotoprzewodzenia światło świeci na spolaryzowaną zaporowo diodę, co powoduje iż płynie przez nią fotoprąd, oczywiście o natężeniu proporcjonalnym do natężenia padającego na nią światłą. Ten tryb najlepiej wykorzystywać do pracy z sygnałami zmiennymi, jako że odpowiedź częstotliwościowa jest o wiele lepsza niż w trybie fotowoltaicznym. Pomiar natężenia światła padającego w tym trybie jest bardzo prosty. Aplikację tą opisano szerzej w http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-08/Photodiodes.doc tym dokumencie.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-08/RAQ_108.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9436 postów o ocenie 7369, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Fotowoltaika
  • #2
    yetihehe
    Poziom 13  
    Ciekawy przykład jak wykonać fotodetektor bez potrzeby mierzenia prądu. Nawet nie trzeba dodatkowego rezystora, wystarczą dwa dowolne piny, ta metoda ma także większą czułość.
    An optical sensing approach based on light emitting diodes.
    Diody mają pojemność, więc to podejście ładuje najpierw diodę a potem przełącza wejścia w tryb input (wysoka impedancja) i mierzy jak długo zajmie rozładowanie diody napięciem powstałym ze świecenia światła.
  • Fotowoltaika
  • #3
    ety
    Poziom 14  
    Fajny temat. Wziąłem z ciekawości multimetr, małą lampkę (żarówka 40W) i diody LED. Sygnał "świetlny" był stały (tzn. nie jakieś migotanie z dużą częstotliwością, po prostu żarówka zasilana z sieci 230V/50Hz). Rzeczywiście coś tam widać, pytanie czy rzeczywiście to prąd czy jakieś zakłócenia z żarówki (przez którą też płynie prąd) powodują jakieś wskazania. Wziąłem 4 diody LED (czerwona, żółta, zielona i niebieska), ustawiłem na multimetrze zakres µA, prąd stały. Poniżej napisałem cóż mi wyszło.

    1. Dla czerwonej LED w odległości ok. 6 cm ("czubek żarówki" do "czubek diody") przy wyłączonej lampce multimetr wskazuje 0µA. Po włączeniu mamy 0.04µA. Zbliżając stopniowo diodę do żarówki prąd rośnie, co wydaje się być logiczne. W mniej więcej połowie odległości (3 cm) jest to 0.13µA, natomiast w odległości pojedynczych milimetrów wartość dochodzi do 0.25µA.

    2. Dla żółtej LED wyniki były podobne, z tą różnicą, że dla odległości LED-żarówka rzędu milimetrów prąd osiągnął wartość ok. 0.30µA.

    3. Dla zielonej LED wyniki były nieco wyższe. Dla najwyższej odległości było to ok. 0.06-0.07µA, i tak sukcesywnie im bliżej, tym wyższa wartość, również w porównaniu z czerwoną LED. Przy odległości rzędu milimetrów było to ok. 0.35µA.

    4. Ciekawostką jest, że dla niebieskiej LED wskazania były zerowe, nawet w odległości rzędu pojedynczych milimetrów.

    Oczywiście nie są to jakieś pomiary laboratoryjne i są z pewnością obarczone wieloma błędami. Z drugiej strony można chyba z tego wywnioskować, że jakiś prąd rzeczywiście tam płynie :D
  • #4
    maciej_333
    Poziom 34  
    Kolego ety wykorzystywałeś diodę LED jako fotoogniwo, zatem należało dołączyć woltomierz. Ty jednak zwyczajnie zwarłeś źródło napięcia o dużej rezystancji wewnętrznej za pomocą mikroamperomierza.

    Dla czerwonej diody LED 5mm (matowej) uzyskałem (fotoogniwo):
    • ok. 0,84mV dla światła dziennego
    • ok. 0,2138V po zbliżeniu do żarówki 100W

    Natomiast w przypadku fotodetektora z diodą spolaryzowaną zatem wstecznie napięciem -7,779V uzyskałem:
    • dla światłą dziennego prąd był niemierzalny
    • ok. 0,02µA po zbliżeniu do żarówki 100W
  • #5
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    To dziwne że uzyskałeś wyższy sygnał dla żarówki, wydawać by się mogło że światło słoneczne jest mocniejsze, nie?
  • #6
    ety
    Poziom 14  
    maciej_333 jak wyznaczyłeś wartość prądu? Podłączałeś diodę bezpośrednio do miernika czy jakoś inaczej? Wiem o tym, że mierząc przepływ prądu włączamy amperomierz szeregowo, natomiast przy pomiarze napięcia - woltomierz, równolegle. Rozumiem to. Wydawało mi się, że taki sposób pomiaru prądu był właściwy (dioda bezpośrednio do miernika). Jak widać chyba się pomyliłem?

    Co do pomiarów napięcia. Podłączyłem teraz czerwoną diodę LED. Dla światła dziennego w pomieszczeniu wyszło ok. 1.2mV, natomiast dla żarówki 40W w odległości ok. 6 cm było to ok. 260mV. Zbliżając diodę do żarówki na odległość rzędu milimetrów uzyskałem już ok. 1.2V.
  • #7
    maciej_333
    Poziom 34  
    ghost666 napisał:
    To dziwne że uzyskałeś wyższy sygnał dla żarówki, wydawać by się mogło że światło słoneczne jest mocniejsze, nie?

    Nie bardzo to dziwne. Trzeba jeszcze brać pod uwagę kwestie widma światła. Różne długości fal mogą być mniej, lub bardziej pochłaniane przez tworzywo sztuczne otaczające złącze diody. Inna sprawa, że żarówka zmienia natężenie swojego światła zgodnie z sinusoidą 50Hz z sieci energetycznej. Jasne, że bezwładność żarówki jest bardzo duża i nie gaśnie ona zatem całkowicie przy przejściu przez zero. Stąd składowa stała, jaką zmierzył mój multimetr. Sygnał 50Hz został wewnątrz niego z oczywistego powodu wytłumiony.

    ety napisał:
    maciej_333 jak wyznaczyłeś wartość prądu? Podłączałeś diodę bezpośrednio do miernika czy jakoś inaczej? Wiem o tym, że mierząc przepływ prądu włączamy amperomierz szeregowo, natomiast przy pomiarze napięcia - woltomierz, równolegle. Rozumiem to. Wydawało mi się, że taki sposób pomiaru prądu był właściwy (dioda bezpośrednio do miernika). Jak widać chyba się pomyliłem?

    Napięcie wsteczne podałem jako ujemne, ponieważ zwyczajowo charakterystyka wsteczna diody rysowana jest w III ćwiartce układu współrzędnych. Zatem napięcia wsteczne podawane są jako ujemne. Wystarczy dołączyć np. +5V do katody, zaś anodę poprzez mikroamperomierz do masy zasilacza. Jak widać prądy są wyjątkowo małe, więc trudno je mierzyć.