НЕОБЫЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ

Как правило, для определения уровня освещенности и формирования сигнала управления включением/выключением освещения используются фотодиоды (фототранзисторы) или специализированные датчики на их основе . Такие датчики могут иметь высокую чувствительность и широкий диапазон рабочих температур. Однако и стоимость таких датчиков достаточно высока.
В то же время известно, что воздействие оптического излучения на полупроводниковый кристалл приводит к изменению его электрического сопротивления. Такое явление называется внутренним фотоэлектрическим эффектом или фоторезистивным эффектом . Это явление дает возможность использовать недорогие светодиоды широкого применения в качестве датчиков освещенности.
Спектральная чувствительность светодиода в качестве датчика освещенности в значительной мере зависит от материала и технологии изготовления. Экспериментальная проверка нескольких типов светодиодов проводилась с калиброванным источником света, в качестве которого использовался светодиодный модуль LMH020-0850-27G9-00000TW компании CREE . Модуль обеспечивает максимальный световой поток 850 лм и цветовую температуру 2700 °K.
Для проверки чувствительности светодиодов они помещались в закрытый для света бокс соосно с модулем LMH020-0850. Освещенность светодиодов регулировалась изменением тока через светодиодный модуль, который был предварительно откалиброван. Зависимость освещенности от тока управления модулем приведена на рис. 1, а относительная спектральная мощность излучения модуля (фиолетовая кривая) – на рис. 2.

Рис. 1. Зависимость освещенности, создаваемой модулем LMH020-0850, от силы тока

Рис. 2. Относительная спектральная
мощность излучения модулей LMH020

Испытанию подверглись несколько светодиодов компании Foryard и CREE, имеющих бесцветные прозрачные светорассеивающие линзы. Результаты испытаний приведены в таблице. При исследовании чувствительности светодиодов к свету диод включался в обратном направлении последовательно с резистором сопротивлением 1 МОм, на котором измерялось падение напряжения (рис. 3).

Таблица 1. Параметры светодиодов серии СХА с высокой плотностью светового потока *

Рис. 3. Схема измерения чувствительности
светодиода к силе света

Как следует из таблицы, наибольшей чувствительностью к свету обладают светодиоды с красным и желтым цветом свечения. Белый, голубой и инфракрасный диоды практически не чувствительны к видимому свету. Более значительное изменение напряжения при испытаниях желтого светодиода объ-ясняются распределением энергии спектральной мощности излучения источника света. Как следует из рис. 2, относительная мощность излучения в области 590 нм на 20% выше чем при 660 нм. При изменении освещенности на 500 лк ток через желтый светодиод изменяется на 380 мкА, что вполне достаточно для практического применения.
Чтобы представить себе изменение освещенности на 500 лк можно воспользоваться информацией, приведенной на рис. 4 .
Так как у светодиодов наблюдается значительная зависимость обратного тока от температуры окружающей среды, то для уменьшения этой зависимости можно воспользоваться схемой, модель которой приведена на рис. 5.
Датчиком света является диод D1, а диод D2, заключенный в непрозрачный корпус, предназначен для температурной компенсации выходного напряжения датчика. Звездочка возле диода D2 обозначает, что его параметры первоначально заданы отличающимися от параметров D1, для имитации разброса параметров. Обратный ток D1 по умолчанию равен 5.15×10-7 А, а для D2 он был изменен на 5.25×10-7 А. Так как в библиотеках Multisim 13 используются упрощенные модели светодиодов, которые имеют только параметр вкл./выкл., то для моделирования и исследования работы такой схемы в широком диапазоне температур, были выбраны диоды GP20 (General Semiconductor) обратные токи которых близки к обратным токам светодиодов, перечисленных в таблице.

Рис. 4. Зависимость освещенности от характеристик источника света

Для того, чтобы на выходе дифференциального усилителя, включенного в диагональ моста D1, D2, R3, R4 и R7, при любых разбросах начальных значений параметров диодов формировалось напряжение положительной полярности, введен подстроечный резистор R7, который позволяет сбалансировать мост нужным образом. Контроль выходного напряжения осуществляется мультиметром XMM1.
Для проверки эффективности работы схемы температурной стабилизации был проведен температурный анализ (Simulate/Analyses/Temperature sweep…). Диапазон изменения температуры задан от –30 до 60 °С с шагом 30 °С. Результаты анализа приведены на рис. 6.
Как следует из полученных данных, напряжение на выходе усилителя U1A изменяется от 3 до 4.75 мВ во всем диапазоне тем-ператур. Такой же анализ, проведенный при замене диода D2 эквивалентным по сопротивлению резистором, показал, что разброс напряжений на выходе усилителя составил примерно 400 мВ. Это свидетельствует о достаточно эффективной термостабилизации выходного напряжения схемы.
Повысить чувствительность датчика и улучшить его термостабильность можно, использовав 4 светодиода, два из которых следует поместить в непрозрачный бокс. Схема модели такого датчика приведена на рис. 7. Повышение чувствительности в два раза достигается благодаря использованию двух светодиодов датчиков света, включенных в противоположные плечи моста (D1 и D3). Коэффициент усиления дифференциального усилителя также увеличен в три раза по сравнению со схемой, приведенной на рис. 5.

Рис. 5. Схема датчика света с температурной компенсацией

Рис. 6. Результаты температурного анализа работы датчика,
приведенного на рис. 5

Результаты температурных испытаний схемы, показанной на рис. 7, приведены на рис. 8. Как следует из рисунка, чувствительность схемы к изменению температуры уменьшилась примерно в 1.7 раза. Дрейф напряжения на выходе усилителя U1A составил примерно 1 мВ при изменении температуры от -30 до 60 °С. Для эффективной температурной компенсации желательно подобрать пары диодов D1, D4 и D2, D3 с максимально близкими обратными токами.

Рис. 7. Схема датчика света с температурной компенсацией

Рис. 8. Результаты температурного анализа работы датчика,
приведенного на рис. 7

Приведенные результаты показывают возможность использования светодиодов в качестве датчиков света. Наибольшей чувствительностью обладают желтые и красные светодиоды. Если учесть, что максимальная чувствительность человеческого глаза соответствует длине волны 550 нм, то наиболее подходящими для применения в качестве датчиков света являются светодиоды с желтым цветом свечения. Можно предположить, что использование светодиодов в SMD исполнении с большей площадью кристалла позволит повысить чувствительность таких датчиков. Хотя сделать окончательные выводы на основании такого ограниченного числа исследованных светодиодов невозможно.

В связи с интенсивным развитием системы «умный дом» можно выделить приложения, где используются или возможно использование недорогих датчиков освещенности: портативные переносные приборы для промышленного применения, видеокамеры систем видеонаблюдения, автоматы включения освещения в помещениях и на улице, адаптивные системы подсветки и другие.