ADALM2000实验：LED作为光传感器

目标

本次实验的目标是探索将发光二极管(LED)用作光电二极管光传感器，将NPN和达灵顿NPN晶体管用作光传感器的接口电路。

背景知识

光电二极管暴露在光线下时，会产生与光强度成正比的电流。此类光产生的电流与普通二极管或LED中的电流方向相反。随着更多光子击中光电二极管，电流增大，导致二极管两端产生电压。随着二极管两端的电压增大，线性度会降低。

除了发射光以外，LED还可用作光电二极管光传感器/检测器。这种功能可用于多种应用中，包括环境光水平传感器和双向通信。作为光电二极管时，LED对等于或短于其发射的主波长的波长非常敏感。绿色LED对蓝色光和一些绿色光敏感，但对黄色光或红色光不敏感。例如，红色LED可以检测到黄色LED发射的光，黄色LED可以检测到绿色LED发射的光，但绿色LED无法检测到红色或黄色LED发射的光。3个LED全都会检测到白光或蓝色LED发射的光。白光中包含绿色LED能够检测到的蓝光成分。回想一下，可见光波长可以按最长到最短的顺序列出，分别为红、橙、黄、绿、蓝、靛蓝、紫（记住有助记忆的首字母缩略词ROYGBIV）。紫光是所有各色可见光中波长最短、光子能量最高的光，红光是波长最长、光子能量最低的光。

对于广谱照明（例如一般的室内照明），采用透明塑封的LED比采用彩色塑封的LED（例如ADALP2000模拟套件中包含的LED）更为灵敏。

要将LED用作光检测器，切勿将LED正向偏置到电流电压(I-V)曲线的1象限（工作电压和电流都为正）中。允许LED在太阳能电池模式下运行，即象限4（工作电压为正，电流为负），或在光电二极管模式下运行，即象限3（工作电压为负，电流为负）。在太阳能电池模式下，不施加任何偏置电压。太阳能电池（在本例中为LED）自行产生电流和电压。

材料

ADALM2000主动学习模块
无焊试验板
跳线
两个2N3904 NPN晶体管（或SSM2212 NPN匹配对）
一个100 kΩ电阻
一个2.2 kΩ电阻
三个LED（红、黄和绿多种颜色）
一个红外光LED (QED-123)

说明

在无焊试验板上搭建图1所示的LED光传感器电路。注意，LED二极管D1是反向偏置的，也就是说，与作为光发射器的连接方式相反。光生成的电流作为基极电流流入Q1，在乘以晶体管的电流增益ß之后进入集电极中。

图1.LED和单个共发射极NPN光传感器。

硬件设置

使用ADALM2000模块中设置为5 V的可变正电源为电路供电。使用示波器通道1监测Q1集电极节点的电压。

程序步骤

如图所示，一次一个，依次将红光、黄光或绿光LED插入电路中。尝试让ADALP2000模拟套件中这三个不同颜色的LED接触不同的光源，例如与LED传感器间隔不同距离的标准白炽灯、荧光灯和LED灯。观察Q1集电极上显示的电压波形。尝试插入套件中的红外光LED，观察该LED在接触不同光源时的响应。尝试通过将RL值增大到200 kΩ或470 kΩ，以提高其灵敏度或增益。

图2.LED和单个共发射极NPN光传感器面包板电路。