Один светодиод выполняет функции излучателя света и фотодетектора

При добавлении всего двух портов ввода-вывода микроконтроллера стандартный светодиод может работать как светочувствительный фотодиод

Иногда люди забывают, что светоизлучающие диоды также могут довольно хорошо улавливать свет. Их можно использовать в широком спектре приложений в качестве недорогих и легкодоступных оптических детекторов. Как правило, светодиод воспринимает свет с длиной волны, несколько меньшей, чем у излучаемого им света, что делает его детектором, избирательным по длине волны. Например, светодиод, излучающий зеленовато-желтый свет с пиковой длиной волны около 555 нм, чувствителен к зеленому свету с пиковой длиной волны около 525 нм в спектральной полосе примерно 50 нм.

Почти все светодиоды могут воспринимать свет в относительно узком диапазоне длин волн с различной чувствительностью. Фактически, стандартный светодиод может выполнять двойную функцию в одной и той же схеме без изменения его физических или электрических соединений. На Рисунке 1 показана очень простая схема на основе микроконтроллера, которая может попеременно излучать и детектировать свет, используя всего два порта ввода-вывода микроконтроллера, светодиод и резистор. Схема может применяться в качестве интеллектуального выключателя света, диммера высокого разрешения, детектора кода, датчика дыма и т. д.

Рисунок 1.	Стандартный светодиод, подключенный к паре двунаправленных портов ввода-вывода микроконтроллера, имеющих высокоимпедансные состояния, может выступать в качестве фотодиода для определения интенсивности светового потока.

Поскольку светодиодные фотодиоды значительно менее чувствительны, чем коммерческие фотодиоды (их фототок примерно в 10-100 раз меньше), прямое измерение фототока без его усиления затруднено. Обычно для этого требуются пикоамперметр и дорогие операционные усилители.

Однако большинство микроконтроллеров имеют двунаправленные порты ввода-вывода с конфигурируемыми внутренними подтягивающими резисторами или входами с тремя состояниями (высокоимпедансными). При использовании высокоимпедансного входа схема может производить очень точное измерение фототока, основываясь на простой пороговой методике и внутреннем таймере-счетчике микроконтроллера.

В режиме детектора светодиод очень быстро «заряжается» до +5 В (за время от 100 до 200 нс). Этот заряд определяется собственной емкостью диода, типичное значение которой составляет от 10 до 15 пФ (Рисунок 2, Шаг 1). Затем порт P1 микроконтроллера переключается в высокоимпедансное состояние с сопротивлением порядка 10¹⁵ Ом (Шаг 2). При обратном смещении простая модель светодиода представляет собой конденсатор, подключенный параллельно к источнику тока i_R(Φ), который отображает ток, индуцируемый световым потоком. Модель включает ток утечки I_L через вывод порта P1, который обычно составляет около 0.002 пА, что незначительно по сравнению с типичным фототоком диода i_R(Φ), при нормальном окружающем освещении, равном 50 пА. На Рисунке 3а представлена экспериментальная зависимость напряжения V_P1(t) на разряжающемся светодиоде для световых потоков Φ1 и Φ2, где Φ2 > Φ1.

Рисунок 2.	Работа схемы светодиодного фотодиода происходит за три шага; управление осуществляется с помощью микроконтроллера и программной процедуры.

Подпрограмма, написанная для 16-разрядного таймера 8-разрядного микроконтроллера, постоянно опрашивает напряжение V_P1(t) через его цифровой эквивалент – логическое состояние вывода P1 – до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение «лог. 0» V_TR, равное примерно 2.2 В. Время спада T_D пропорционально количеству падающего света и, следовательно, может служить мерой измерения фототока диода i_R(Φ). По мере увеличения количества падающего света диод разряжается быстрее, а T_D уменьшается, и наоборот (Рисунок 3а).

Рисунок 3.	При большей интенсивности света на светодиоде время спада напряжения TD, в течение которого разряжается емкость диода на входе порта P1, меньше (а). Напряжение на выводе P2 становится высоким, если TD превышает TDCR (б). Эти экспериментальные результаты получены при использовании 5-миллиметрового красного светодиода высокой яркости.

Если время спада превышает заданный пользователем порог интенсивности света, представленный критическим значением T_DCR, микроконтроллер может включить светодиод, который теперь будет выполнять функцию аварийного сигнала (Рисунок 2, Шаг 3). Кроме того, остальные выводы микроконтроллера могут использоваться как релейные выходы или управляемые светом выходы ШИМ. На Рисунке 3б показано выходное напряжение порта P2 во время рабочих шагов.

Этот очень недорогой подход позволяет реализовать чисто цифровое измерение интенсивности света без усиления сигнала. Его характеристики сигнал/шум превосходны благодаря интегрированию сигнала при измерении. Этот метод повышает чувствительность фотодиода, делая его более привлекательным, чем обычный (и более дорогой) фотодиод. Емкость обычного светодиода разряжается намного быстрее, что делает измерения, основанные на времени, более сложными и дорогими.