Dioda LED jako czujnik światła

Dioda LED jako czujnik światła
Zazwyczaj jako czujniki światła do włączania lub wyłączania obwodów w zależności od
obecności lub braku światła stosowane są fotorezystory (LDR – Light Dependent Resistor)
lub fotodiody. Jednakże w miejsce fotorezystora (LDR) lub fotodiody można użyć diody LED
z tzw. transparentną (przezroczystą) obudową.
Poniżej prezentujemy prosty układ, który używa
przezroczystej czerwonej diody LED jako czujnika światła w obwodzie, który włącza białą diodę LED, gdy czerwona dioda LED znajdzie się
w ciemności.
Zwykłe przezroczyste diody LED działają
jako emitery (źródła emisji) światła i detektory
światła. Wykrywają one wąskie pasmo o długości fali światła i polaryzuje ich złącze p-n w kierunku przewodzenia do generowania napięcia
o wartości około 1V przy znikomym prądzie wynoszącym 0.030mA przy ekspozycji na działanie promieni słonecznych. Tak więc przezroczysta dioda LED może być również wykorzystywana jako czujnik światła podobnie jak fotodioda.
Diody LED wykrywają znacznie węższe pasmo światła posiadające największą czułość
przy długości fali nieco mniejszej niż długość fali
światła, którą same emitują. Na przykład przezroczysta czerwona dioda LED emituje światło
o długości fali około 660nm, a najlepiej reaguje
na pomarańczowe światło odpowiadające długości fali 610nm.
Opis układu i jego działania
Schemat elektryczny układu, w którym dioda LED spełnia funkcję czujnika światła przedstawiono na rysunku 1. Obwód ten bazuje na
wzmacniaczu operacyjnym CA3140 (IC1), tranzystorach BC547 (T1) i BC337 (T2).
Obwód wykorzystuje wysokie wzmocnienie
układu scalonego CA3140 do wzmocnienia znikomego prądu generowanego przez diodę LED
w obecności światła słonecznego. Układ scalony CA3140 to wysoko wydajny wzmacniacz operacyjny BIMOS o częstotliwości 4.5MHz, posiadający wejścia MOSFET i wyjście dwubiegunowe (bipolarne).
Tranzystory MOSFET z zabezpieczoną bramką w obwodzie wejściowym zapewniają bardzo
R4
1kΩ
7
8
3
LED1
2
IC1
CA3140
4
R1
1M
1
T1
BC547
6
5
R2
1M
R5
100
LED2
R3
1kΩ
C1
100µF
16V
BATT.1
9V
T2
BC337
GND
Rys. 1. Schemat układu wykorzystującego diodę LED jako czujnik światła
SERWIS ELEKTRONIKI
1
Dioda LED jako czujnik światła
wysoką impedancję wejściową, zazwyczaj około 1.5TΩ (1.5 teraomów = 1012 omów, czyli 1.5
biliona omów). Wymaga to bardzo małego prądu wejściowego (tak małego jak 10pA – pikoamperów), aby zmienić stan na wyjściu. Tak więc
nawet bez zewnętrznej polaryzacji układ scalony IC1 będzie działał. Tutaj przezroczysta dioda
LED1 i jej mały prąd będą generowały i zmieniały polaryzację układu IC1 (stany na wyjściu)
po wystawieniu jej na działanie światła.
W obwodzie przezroczysta czerwona dioda LED1 jest podłączona w trybie rewersyjnym
z rezystorem polaryzującym R1. Układ scalony IC1 jest zaaplikowany jako prosty konwerter prądowo-napięciowy. Jest to wzmacniacz
transimpedancyjny z rezystorem R2, który ustawia prądowe sprzężenie zwrotne. Kiedy światło
słoneczne pada na diodę LED1, generuje bardzo mały prąd wsteczny, który utrzymuje napięcie na odwracającym wejściu IC1 na nieco
wyższym poziomie. To utrzymuje wyjście układu scalonego IC1 na niskim poziomie. W rezultacie tranzystory T1 i T2 pozostają wyłączone,
a biała dioda LED2 jest wyłączona.
Gdy dioda LED1 znajdzie się w ciemności,
prąd wsteczny przestaje płynąć i układ scalony IC1 nagle zmienia na wyjściu stan na wysoki. To włącza najpierw tranzystor T1, a następnie T2. Biała dioda LED2 podłączona do kolektora T2 włącza się.
Budowa i testowanie
Rzeczywisty rozmiar jednostronnej płytki drukowanej opisywanego obwodu pokazano na rysunku 2. Na rysunku 2 pokazano płytkę od strony druku (ścieżek), a na rysunku 3 od strony elementów. Poszczególne elementy składowe należy zamontować na płytce drukowanej i umieścić ją w odpowiedniej obudowie.
2
Rys. 2. Rzeczywisty widok od strony ścieżek
płytki drukowanej układu wykorzystującego diodę LED jako czujnik światła
Rys. 3. Widok płytki drukowanej układu wykorzystującego diodę LED jako czujnik
światła od strony elementów
Czujnikiem światła LED1 powinna być przezroczysta czerwona dioda LED 5mm o wysokiej jasności. Przezroczyste zielone i białe diody LED również działają dobrze, ale czerwone
diody LED wykazują większą czułość na światło otoczenia. Światło białej diody LED2 nie powinno padać na czerwoną diodę LED1, pełniącą funkcje czujnika światła. W miejsce białej
diody LED pełniącej z kolei rolę sygnalizatora
może być zastosowany przekaźnik włączający
na przykład urządzenie zasilanie napięciem AC,
dzięki czemu obwód może pełnić funkcję automatycznie włączanego oświetlenia nocnego.
Obwód został zaprojektowany do pracy z zasilaczem 9V.
SERWIS ELEKTRONIKI
Autor: D. Mohan Kumar