目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是探索將發(fā)光二極管(LED)用作光電二極管光傳感器，將NPN和達(dá)靈頓NPN晶體管用作光傳感器的接口電路。

背景知識(shí)

光電二極管暴露在光線下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)度成正比的電流。此類(lèi)光產(chǎn)生的電流與普通二極管或LED中的電流方向相反。隨著更多光子擊中光電二極管，電流增大，導(dǎo)致二極管兩端產(chǎn)生電壓。隨著二極管兩端的電壓增大，線性度會(huì)降低。

除了發(fā)射光以外，LED還可用作光電二極管光傳感器/檢測(cè)器。這種功能可用于多種應(yīng)用中，包括環(huán)境光水平傳感器和雙向通信。作為光電二極管時(shí)，LED對(duì)等于或短于其發(fā)射的主波長(zhǎng)的波長(zhǎng)非常敏感。綠色LED對(duì)藍(lán)色光和一些綠色光敏感，但對(duì)黃色光或紅色光不敏感。例如，紅色LED可以檢測(cè)到黃色LED發(fā)射的光，黃色LED可以檢測(cè)到綠色LED發(fā)射的光，但綠色LED無(wú)法檢測(cè)到紅色或黃色LED發(fā)射的光。3個(gè)LED全都會(huì)檢測(cè)到白光或藍(lán)色LED發(fā)射的光。白光中包含綠色LED能夠檢測(cè)到的藍(lán)光成分?；叵胍幌?，可見(jiàn)光波長(zhǎng)可以按最長(zhǎng)到最短的順序列出，分別為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛藍(lán)、紫（記住有助記憶的首字母縮略詞ROYGBIV）。紫光是所有各色可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最短、光子能量最高的光，紅光是波長(zhǎng)最長(zhǎng)、光子能量最低的光。

對(duì)于廣譜照明（例如一般的室內(nèi)照明），采用透明塑封的LED比采用彩色塑封的LED（例如 ADALP2000模擬套件中包含的LED）更為靈敏。

要將LED用作光檢測(cè)器，切勿將LED正向偏置到電流電壓(I-V)曲線的1象限（工作電壓和電流都為正）中。允許LED在太陽(yáng)能電池模式下運(yùn)行，即象限4（工作電壓為正，電流為負(fù)），或在光電二極管模式下運(yùn)行，即象限3（工作電壓為負(fù)，電流為負(fù)）。在太陽(yáng)能電池模式下，不施加任何偏置電壓。太陽(yáng)能電池（在本例中為L(zhǎng)ED）自行產(chǎn)生電流和電壓。

材料

ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無(wú)焊試驗(yàn)板

跳線

兩個(gè)2N3904 NPN晶體管（或SSM2212 NPN匹配對(duì)）

一個(gè)100 kΩ電阻

一個(gè)2.2 kΩ電阻

三個(gè)LED（紅、黃和綠多種顏色）

一個(gè)紅外光LED (QED-123)

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗(yàn)板上搭建圖1所示的LED光傳感器電路。注意，LED二極管D1是反向偏置的，也就是說(shuō)，與作為光發(fā)射器的連接方式相反。光生成的電流作為基極電流流入Q1，在乘以晶體管的電流增益?之后進(jìn)入集電極中。

圖1.LED和單個(gè)共發(fā)射極NPN光傳感器。

硬件設(shè)置

使用ADALM2000模塊中設(shè)置為5 V的可變正電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)測(cè)Q1集電極節(jié)點(diǎn)的電壓。

圖2. LED和單個(gè)共發(fā)射極NPN光傳感器面包板電路。

程序步驟

如圖所示，一次一個(gè)，依次將紅光、黃光或綠光LED插入電路中。嘗試讓ADALP2000模擬套件中這三個(gè)不同顏色的LED接觸不同的光源，例如與LED傳感器間隔不同距離的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈、熒光燈和LED燈。觀察Q1集電極上顯示的電壓波形。嘗試插入套件中的紅外光LED，觀察該LED在接觸不同光源時(shí)的響應(yīng)。嘗試通過(guò)將RL值增大到200 kΩ或470 kΩ，以提高其靈敏度或增益。

圖3、圖4和圖5為Scopy波形圖示例。

圖3.紅光LED和單個(gè)共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于最遠(yuǎn)距離。

圖4.紅光LED和單個(gè)共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于中等距離。

圖5.紅光LED和單個(gè)共發(fā)射極NPN光傳感器，LED燈處于最近距離。

第2步指導(dǎo)

按照?qǐng)D6所示的達(dá)靈頓配置，更改面包板上的電路。在更改電路之前，確保先關(guān)閉電源。使用達(dá)靈頓晶體管之后，Q2的發(fā)射極電流變成Q1的基極電流，使得LED D1由光生成的電流乘以?2，會(huì)出現(xiàn)在Q1和Q2集電極的負(fù)載電阻RL中。此電流增益更高，所以我們能使用電阻值更低的負(fù)載電阻。

圖6.LED和達(dá)靈頓NPN光傳感器。

第2步 硬件設(shè)置

面包板連接如圖7所示。

圖7.LED和達(dá)靈頓光傳感器面包板電路。

第2步 流程

重復(fù)相同的流程：將不同的LED插入D1的電路，然后測(cè)量LED對(duì)不同光源的響應(yīng)。

圖8、圖9和圖10為Scopy波形圖示例。

圖8.紅光LED和達(dá)靈頓光傳感器，LED燈處于最遠(yuǎn)距離。

圖9.紅光LED和達(dá)靈頓光傳感器，LED燈處于中等距離。

圖10.紅光LED和達(dá)靈頓光傳感器，LED燈處于最近距離。

審核編輯：郭婷