如何使單個(gè)LED同時(shí)具備光發(fā)射和檢測(cè)功能

人們有時(shí)忘記了發(fā)光二極管也能夠很好地檢測(cè)光。發(fā)光二極管作為廉價(jià)而容易使用的光檢測(cè)器而得到廣泛的應(yīng)用。一般來說，LED檢測(cè)器檢測(cè)的光的波長(zhǎng)比其發(fā)射光的波長(zhǎng)稍短，使其可用作波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器。例如，發(fā)射峰值波長(zhǎng)約為555nm的綠-黃光的LED，檢測(cè)峰值波長(zhǎng)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(cè)相對(duì)窄的波長(zhǎng)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(jiǎn)單的基于微控制器的電路，可以僅使用微控制器的兩個(gè)I/O口和一個(gè)LED及電阻，交替發(fā)射和檢測(cè)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(cè)器、煙霧檢測(cè)器等。

因?yàn)長(zhǎng)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(cè)光電流很困難。一般地，需要一個(gè)皮可安培計(jì)和多個(gè)價(jià)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(gè)高阻輸入，通過一種簡(jiǎn)單的閾值技術(shù)和微控制器內(nèi)置計(jì)時(shí)器，可以非常準(zhǔn)確而且精確地測(cè)量光電流。

在檢測(cè)器模式下，LED很快(在100～200 ns的時(shí)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(jiǎn)單模型是一個(gè)電容與一個(gè)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(gè)軟件程序(為8位微控制器的16位計(jì)時(shí)器TCNT1所寫)用P1的邏輯態(tài)數(shù)字等效值連續(xù)檢測(cè)VP1(t)，直到達(dá)到邏輯0閾值VTR (約2.2 V)。微秒量級(jí)的衰減時(shí)間Td正比于檢測(cè)到的光量，因此，就測(cè)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(shí)間大于用戶設(shè)定的某個(gè)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(bào)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(cè)量，而無需放大，其信噪比特性極佳，因?yàn)樵谡麄€(gè)測(cè)量期間信號(hào)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(jià)格更貴)光電二極管更有魅力。常規(guī)光電二極管對(duì)電容的充電要快得多，進(jìn)行基于時(shí)間的測(cè)量更困難，并且費(fèi)用更高。