如何使單個LED同時具備光發(fā)射和檢測功能

人們有時忘記了發(fā)光二極管也能夠很好地檢測光。發(fā)光二極管作為廉價而容易使用的光檢測器而得到廣泛的應(yīng)用。一般來說，LED檢測器檢測的光的波長比其發(fā)射光的波長稍短，使其可用作波長選擇檢測器。例如，發(fā)射峰值波長約為555nm的綠-黃光的LED，檢測峰值波長約為525nm、譜寬約50nm的綠波。

幾乎所有LED都可以以不同的靈敏度檢測相對窄的波長帶。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)LED可以在同一電路中完成兩種功能，而不用改變物理或電氣連接。圖1示意了一種非常簡單的基于微控制器的電路，可以僅使用微控制器的兩個I/O口和一個LED及電阻，交替發(fā)射和檢測光線。電路可以用作智能光開關(guān)、高分辨率調(diào)光器、編碼檢測器、煙霧檢測器等。

因?yàn)長ED光電二極管比商用光電二極管的靈敏度要小的多(光電流小10到100倍)，如果不進(jìn)行放大，直接檢測光電流很困難。一般地，需要一個皮可安培計和多個價格昂貴的運(yùn)放。

然而，絕大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都具備可配置內(nèi)部提拉或三態(tài)(高阻)輸入的雙向I/O口。該電路利用一個高阻輸入，通過一種簡單的閾值技術(shù)和微控制器內(nèi)置計時器，可以非常準(zhǔn)確而且精確地測量光電流。

在檢測器模式下，LED很快(在100～200 ns的時間內(nèi)) “充電”到+5 V。該充電由大小一般為10～15 pF的二極管固有電容來維持(見圖2步驟1)。隨后，微控制器的P1引腳切換到高阻抗模式(電阻約1015 Ω)，此為步驟2。在反向偏置狀態(tài)下，一種LED簡單模型是一個電容與一個電流源iR(Φ)并聯(lián)，iR(Φ)表示由光強(qiáng)度感應(yīng)的電流。該模型包括流過P1的漏電流iL，iL一般為0.002 pA，與通常環(huán)境光水平下二極管流過的大小為50 pA的典型光電流iR(Φ)相比，漏電流iL可以忽略。圖3a給出了LED 在Φ1 和 Φ2下(Φ2> Φ 1)VP1(t)放電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一個軟件程序(為8位微控制器的16位計時器TCNT1所寫)用P1的邏輯態(tài)數(shù)字等效值連續(xù)檢測VP1(t)，直到達(dá)到邏輯0閾值VTR (約2.2 V)。微秒量級的衰減時間Td正比于檢測到的光量，因此，就測量到了二極管光電流iR(Φ)。隨著接收到的光量的增加，二極管放電加快，Td 減小，反之亦然(見圖3a)。

如果衰減時間大于用戶設(shè)定的某個光強(qiáng)度閾值，該閾值以Tdcr(臨界值)表示，微控制器則可導(dǎo)通LED，LED發(fā)光報警(見圖2，步驟3)。此外，微控制器其它引腳可以用作繼電器輸出或光控制、脈寬調(diào)制輸出。圖3b示意了各工作步驟下P2的電壓輸出。

采用這一成本低廉的方法，能實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度固有數(shù)字測量，而無需放大，其信噪比特性極佳，因?yàn)樵谡麄€測量期間信號是積分的。該技術(shù)提高了光電二極管的靈敏度，使其比常規(guī)(價格更貴)光電二極管更有魅力。常規(guī)光電二極管對電容的充電要快得多，進(jìn)行基于時間的測量更困難，并且費(fèi)用更高。