具备传感功能并能显示环境光强度的LED

现代LED除了起到指示器和照明这些传统功用以外，还能充当光伏探测器。简单地把红色LED连到万用表，用类似的红色LED等明亮光源照射它，就会产生大于1.4V的读数(图1)。某个反向偏置LED的模型等效一个充电电容器，该电容器与一个依赖光的电流源并联(参考文献1)。如果增加入射光，就会增强电流源，并能使等效电容器快速放电至电源电压。 　　图2表示了一种把LED当作光伏探测器的方法。如果把微控制器的输出2号引脚连到LED的阴极，就会反向偏置，把LED的内部电容充电至电源电压。如果把LED的阴极连到3号输入引脚，就会把高阻抗负载连到LED。光照LED，就会产生光电流。LED的内部电容最初被充电至电源电压，通过光电流源放电，当电容器上的电压降到微控制器的较低逻辑阈值电压以下时，3号引脚会检测逻辑0。如果增加入射光强度，就会更快地使电容器放电，较低的光电平会使放电速率下降。微控制器是AtmelAVRATtiny15，测量3号引脚的电压到达逻辑0的时间，并计算入射到LED的环境光强度。另外，微控制器按照与入射光的强度成比例的频率使该LED闪烁。 　　图3显示了EverlightElectronics有限公司的3mm超亮红色LED，即D1，它采用无色透明的密封剂，充当环境光传感器。该电路只有4个元件，依靠3V~5.5V的任何直流电源工作。该电路只使用AVRATtiny15的6根I/O引脚中的3根，其余引脚可用于控制外部设备或与之通信。传感器LED连到AVR微控制器的端口引脚PB0和PB3。另一根端口引脚PB3产生一个频率与入射光强度成比例的方波。该电路的工作原理是首先把正向偏压施加到LED上，持续一段固定时间，然后改变被施加到PB0和PB1的比特序列，由此把反向偏压施加到LED上。接下来，微控制器把PB0重新配置成输入引脚。内部定时环路测量被施加到PB0的电压从逻辑1降到逻辑0的时间间隔为T。 　　把引脚PB0和PB1重新配置用来把正向偏压施加到LED，就完成了循环。时间间隔T与入射到LED上的环境光强度成反比。对于较弱光线，LED以较低频率闪烁，随着入射光强度的增加，LED闪烁更加频繁，以便提供入射光强度的视觉指示。 　　对于较低的正向电流值，LED的光输出强度呈良好的线性度。如需测试该电路，可把第二个相同LED的光输出耦合到传感器LED，即图3中的D1。应该把这些LED装在用不透明黑胶带遮盖的密封管中，由此确保外部光线不照射传感器LED。把照明LED的正向电流从0.33mA改变为2.8mA，就会产生线性程度较高的传感器闪烁频率图(图4)。 　　作为传感器的LED的效率取决于它的反向偏压内部电流源和电容。如需估算反向光电流，可把一个1MΩ电阻器与传感器LED并联，并在施加一个来自外部光源的恒定照明度的同时，测量电阻器两端的电压。用500kΩ和100kΩ电阻器代替1MΩ电阻器，重复测量。 　　对于处于恒定照明下并屏蔽了杂散环境光的代表性LED，我们为所有三个电阻器阻值测量到了大约25nA的光电流。对于施加到传感器LED的相同照明度，可测量在引脚PB3产生的频率。 　　为计算LED的反向偏置电容，可把延时回路时间、LED的光伏电流、微控制器的逻辑1和逻辑0阈值电压代入公式并求解C，即LED的有效反向偏置结电容：(dV/dt)=(I/C)，其中dV是测得的逻辑1电压减去逻辑0电压，dt是测得的LED内部电容放电时间，I是LED的光电流源的计算值。选定的LED的计算值范围是25pF~60pF。