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

Wykorzystanie LED jako czujnika światła.

ghost666 25 Sie 2017 14:59 2715 1
  • Wykorzystanie LED jako czujnika światła.
    Nieznaną szeroką techniką jest wykorzystanie diod elekotroluminescencyjncyh nie jako emiterów, a detektorów światła. System taki jest trochę jak pies idący ma tylnych nogach - nie robi tego dobrze, ale zadziwia dlatego, że w ogóle działa.

    Zasada działania - teoria

    Nie każdy wie jak dokładnie działa dioda LED, a co za tym idzie relatywnie mało ludzi zdaje sobie sprawę z możliwości wykorzystania takiego elementu jako fotodetektora. Z punktu widzenia fizyki ciała stałego taka dioda to nic innego jak proste złącze PN. Takie same jak w diodzie prostowniczej, fotodiodzie etc. Wszystkie te diody to w gruncie rzeczy takie samo urządzenie półprzewodnikowe.

    Dowolny półprzewodnik może zostać zmodyfikowany poprzez dodanie domieszek, które zmieniają jego przewodnictwo na jeden z dwóch sposobów. Półprzewodniki typu N domieszkowane są tak, że mają nadmiar elektronów, a półprzewodniki typu P mają niedomiar elektronów. W tym drugim przypadku niedomiar elektronów potraktować można jako nadmiar "dziur po elektronach". Taka dziura to kwazicząstka, pozwalająca nam prościej opisać fizykę tego zjawiska. Jest ona dodatnio naładowana i - w dużym uproszczeniu - zachowuje się analogicznie jak elektron w materiale półprzewodzącym. Prąd elektryczny w takim materiale to albo przepływ elektronów, w przypadku materiału typu N oraz dziur w przypadku materiału typu P.

    W momencie gdy zetkniemy ze sobą dwa fragmenty półprzewodnika - jeden typu P i jeden typu N - powstaje złącze w którym dziury i elektrony mieszają się i neutralizują, przez co sama dioda jest zupełnie neutralna elektrycznie. Dzięki temu na samym złączu powstaje warstwa neutralna, która izoluje od siebie obie części złącza, ponieważ prąd nie może płynąć bez nośników w diodzie.

    Aby wymusić przepływ nośników przez złączę konieczne trzeba przyłożyć do złącza zewnętrzne napięcie, które spolaryzuje diodę dodając więcej elektronów do strony N i więcej dziur do strony P złącza. Sprawia to, że w diodzie wzrasta różnica potencjałów pomiędzy elementami złącza, aż będzie ona na tyle duża, że możliwy będzie przepływ prądu przez neutralną część na złączu PN. Poniżej tego napięcia jedyne co robimy, to dodajemy więcej nośników po stronie N i P lub elektrostatycznie oddalamy od siebie nośniki w warstwie (zależnie od polaryzacji przyłożonego napięcia).

    Teraz, jeżeli na warstwę neutralną, padnie foton (kwant promieniowania elektromagnetycznego - cząstka światła) to jeśli ma dostateczną energię może dostarczyć ją do jednego z elektronów znajdujących się w materiale, co spowoduje kreację pary elektron-dziura w warstwie neutralnej. Zazwyczaj para taka rekombinuje i zmienia się znowu w foton (mówimy wtedy o luminescencji), ale nie w diodzie, ponieważ tutaj oprócz warstwy neutralnej mamy dwie warstwy spolaryzowane nośnikami. Przyciągną one elektrostatycznie nośniki wygenerowane przez foton w warstwie neutralnej, co spowoduje efektywnie popłynięcie prądu. Im więcej światła padnie na ten obszar tym większy prąd będzie płynął. Jest to tak zwany fotoprąd, który jest proporcjonalny do natężenia padające światła.

    Wykorzystanie LED jako czujnika światła.


    Praktyka

    Jak możemy wykorzystać opisany powyżej efekt? W diodach LED fotoprąd jest bardzo mały z uwagi na to, że złącze nie zostało zaprojektowane pod tym kątem, jak w fotodiodzie. W takiej sytuacji najlepiej jest integrować płynący prąd przez dłuższy czas; jeśli tak zrobimy, to nasza dioda będzie zachowywała się w pewnym sensie jak kondensator, który gromadzi fotoprąd, a następnie w zadanym momencie go uwalnia. Dzięki temu, że gromadzimy prąd przez dłuższy czas, w momencie uwolnienia go jest większy, dzięki czemu łatwiej jest go zmierzyć z wykorzystaniem prostego układu. Schematycznie zaprezentowano to na poniższym rysunku.

    Wykorzystanie LED jako czujnika światła.


    Aby zrealizować taki układ trzeba się odrobinę nagimnastykować, aby zmieniać polaryzację diody LED, jednakże wykorzystując do tego np. Arduino łatwi jest zmieniać programowo stan pinów.

    Zamiast mierzyć czas rozładowywania się diody LED do momentu, gdy da nam ona napięcie, które mikrokontroler zrozumie jako logiczne zero (czas ten będzie proporcjonalny do prądu), możemy mierzyć napięcie na naładowanej diodzie LED. Najpierw przez jakiś czas, nazywany czasem integracji, ładuje się ona fotoprądem swojego złącza, a następnie, gdy odwrócimy polaryzację, mierzymy napięcie do jakiego naładowała się dioda.

    Dioda LED nie jest oczywiście układem idealnym. Ładować się będzie nie tylko fotoprądem złącza, ale także prądem - szumem cieplnym. Dodatkowo ładunek zgromadzony w diodzie będzie z niej w pewnym tempie wyciekał z uwagi na upływność elementu. Pamiętać też trzeba, że dioda LED nie została zaprojektowana jako fotodetektor, więc jej parametry w tej aplikacji zależeć będą mocno od konkretnego układu czy nawet konkretnej sztuki. Na przykład czerwone diody LED będą miały najszersze pasmo detekcji, a diody niebieskie czułe będą tylko na światło niebieskie i ultrafiolet. Ważna jest też wielkość złącza, więc im mniejsza jest dioda, tym lepiej będzie działać, bo pojemność złącza będzie niższa, przez co potrzebny będzie niższy fotoprąd do jej naładowania. Finalnie, nie bez znaczenia jest też kolor obudowy układu, jako że przeźroczysta obudowa wpuszcza o wiele więcej światła niż zabarwiona.

    Hardware

    Diody LED podłączamy tak, że anoda podpięta jest do pinu z wyjściem cyfrowym w Arduino, a katoda do pinu będącego wejściem analogowym (do przetwornika ADC). Nie zapomnijmy o dodaniu opornika celem ograniczenia prądu płynącego przed diodę w kierunku przewodzenia. Schematycznie połączenia takie zaprezentowano na poniższym schemacie.

    Wykorzystanie LED jako czujnika światła.


    Konstrukcja

    Do zmontowania systemu autor wykorzystał prosty kawałek płytki uniwersalnej, na której zamontował diody LED SMD, jak pokazano na poniższych zdjęciach:

    Wykorzystanie LED jako czujnika światła. Wykorzystanie LED jako czujnika światła. Wykorzystanie LED jako czujnika światła.


    Software

    Po pierwsze, w bloku setup() w Arduino trzeba globalnie wyłączyć oporniki podciągające w systemie, zapisując odpowiedni rejestr:

    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Jeśli tego nie zrobimy, to układ w ogóle nie będzie działał. Następnie nasz program musi zrealizować następujące kroki:

    1. Zapalić diodę LED, wystawiając na anodzie stan wysoki (logiczne 1) i na katodzie stan niski (logiczne 0). W ten sposób dioda LED zostanie w pełni rozładowana.
    2. Naładować kondensator, wystawiając na anodzie stan niski, a na katodzie stan wysoki. Jako że jest to bardzo mały kondensator naładowanie go nie zajmie zbyt wiele czasu, więc taki stan ustawiamy na bardzo krótką chwilę.
    3. Konfigurujemy diodę do trybu pomiarowego. Anoda musi być w stanie niskim (jest już od poprzedniego kroku), katodę przełączamy do wejścia analogowego.
    4. Mierzymy napięcie po bardzo krótkim ładowaniu diody - to napięcie później będzie dla nas poziomem odniesienia.
    5. Ładujemy diodę przez czas integracji - im dłuższy on będzie, tym dokładniejszy i precyzyjniejszy będzie pomiar fotoprądu, ponieważ będzie on bardziej dominował nad innymi efektami ładującymi/rozładowującymi pojemność diody LED.
    6. Mierzymy napięcie na diodzie po czasie integracji. Wartość ta jest naszym pomiarem.

    Można to zrealizować na pojedynczej diodzie LED, można też od razu, tak jak pokazano na schemacie, podłączyć kilka diod LED, aby stworzyć wielokanałowy detektor. W takim wypadku jednakże, jak zauważył autor, diody te mogą na siebie nawzajem wpływać. Wynika to z faktu, że Arduino posiada jeden przetwornik ADC, który łączony jest z różnymi wejściami poprzez multiplekser. Oznacza to, że podczas pomiaru ładunku z diody w systemie jest pewna pozostałość ładunku poprzedniej diody. Aby tego uniknąć autor zastosował bardziej złożony algorytm przełączania diod w systemie.

    Finalnie, autor wykorzystał ten system do stworzenia prostego urządzenia pokazowego - jako, że diody w czasie pomiaru są przez pewien czas zapalane, to system może w ten sposób pokazywać wynik pomiaru. Diody miały dwa poziomy jasności; wysoki włączany był, kiedy dioda była zakrywana, a niski gdy była odkryta. Działa to bardzo dobrze i pozwala w wygodny sposób prezentować wyniki.

    Podsumowanie

    Jak zaprezentowano, można wykorzystać diody LED jako sensory światła. Nie jest to rozwiązanie optymalne, wydajne ani eleganckie, ale w wielu systemach może być pomocne, na przykład do detekcji czy układ wystawiony jest na światło słoneczne, czy schowany w kieszeni.

    Źródło: http://www.thebox.myzen.co.uk/Workshop/LED_Sensing.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 9467 postów o ocenie 7222, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO
  • #2
    submariner
    Poziom 32  
    Takie diody LED doskonale pracują jako detektory światła, akurat w moich rozwiązaniach od dawna i bardzo często je używam. Są niestety bardzo wolne max 1kHz .
    Fajnie że ten temat został poruszony na forum.