StudentZone—Activité ADALM2000 : Une LED comme capteur de lumière

L'objectif de cette activité de laboratoire est d'explorer l'utilisation de la diode électroluminescente (DEL) comme capteur de lumière à photodiode et l'utilisation de transistors NPN et NPN à connexion Darlington comme circuits d'interface pour le capteur de lumière.

Lorsqu'elles sont exposées à la lumière, les photodiodes produisent un courant directement proportionnel à l'intensité de la lumière. Ce courant généré par la lumière circule dans le sens opposé au courant dans une diode normale ou une LED. Au fur et à mesure que de plus en plus de photons frappent la photodiode, le courant augmente, provoquant une tension aux bornes de la diode. Lorsque la tension aux bornes de la diode augmente, la linéarité diminue.

En plus d'émettre de la lumière, une LED peut être utilisée comme capteur/détecteur de lumière à photodiode. Cette capacité peut être utilisée dans une variété d'applications, y compris le capteur de niveau de lumière ambiante et les communications bidirectionnelles. En tant que photodiode, une LED est sensible aux longueurs d'onde égales ou inférieures à la longueur d'onde prédominante qu'elle émet. Une LED verte serait sensible à la lumière bleue et à une certaine lumière verte, mais pas à la lumière jaune ou rouge. Par exemple, une LED rouge détectera la lumière émise par une LED jaune et une LED jaune détectera la lumière émise par une LED verte, mais une LED verte ne détectera pas la lumière émise par une LED rouge ou jaune. Les trois LED détecteront la lumière blanche ou la lumière d'une LED bleue. La lumière blanche contient une composante de lumière bleue qui peut être détectée par la LED verte. Rappelez-vous que les longueurs d'onde de la lumière visible peuvent être répertoriées de la longueur d'onde la plus longue à la plus courte comme rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet (rappelez-vous le mnémonique ROYGBIV). Le violet est la lumière de longueur d'onde la plus courte avec les photons les plus énergétiques et le rouge a la lumière de longueur d'onde la plus longue avec les photons les moins énergétiques de toutes les couleurs visibles de la lumière.

Les LED avec encapsulation en plastique transparent seront plus sensibles à l'éclairage à large spectre (comme l'éclairage général de la pièce) que les LED avec encapsulation colorée (telles que celles incluses dans le kit de pièces analogiques ADALP2000).

Pour utiliser la LED comme détecteur optique, ne polarisez pas la LED dans le quadrant 1 de la courbe courant-tension (IV) (le quadrant 1 est lorsque la tension de fonctionnement et le courant sont tous deux positifs). Laissez la LED fonctionner en mode cellule solaire, Quadrant 4 (la tension de fonctionnement est positive, le courant est négatif), ou en mode photodiode, Quadrant 3 (la tension de fonctionnement est négative, le courant est négatif). En mode cellule solaire, aucune tension de polarisation appliquée n'est utilisée. La cellule solaire (ou LED dans ce cas) génère son propre courant et tension.

Sur votre planche à pain sans soudure, construisez le circuit du capteur de lumière LED comme illustré à la figure 1. Notez que la diode LED, D1, est polarisée en inverse, c'est-à-dire à l'opposé de la façon dont elle serait connectée en tant qu'émetteur de lumière. Le courant photo-généré circulera dans Q1 en tant que courant de base et apparaîtra dans le collecteur multiplié par le gain de courant, ß, du transistor.

Utilisez l'alimentation positive variable du module ADALM2000 réglée sur 5 V pour alimenter votre circuit. Utilisez le canal d'oscilloscope 1 pour surveiller la tension au nœud collecteur de Q1.

Insérez une LED rouge, jaune ou verte dans le circuit comme indiqué une à la fois. Essayez d'exposer les trois LED de couleurs différentes de votre kit de pièces analogiques ADALP2000 à différentes sources lumineuses telles que des lampes à incandescence, fluorescentes et LED standard maintenues à différentes distances du capteur LED. Observez la forme d'onde de tension vue au niveau du collecteur de Q1. Essayez d'insérer la LED infrarouge de votre kit et observez comment elle réagit à la lumière des différentes sources. Essayez d'augmenter la sensibilité ou le gain en augmentant la valeur de RL à 200 kΩ ou 470 kΩ.

Des exemples de tracés Scopy sont présentés dans les figures 3, 4 et 5.

Remplacez le circuit de votre planche à pain par la configuration Darlington illustrée à la figure 6. Assurez-vous de couper l'alimentation avant d'apporter des modifications au circuit. Avec les transistors connectés à Darlington, le courant d'émetteur de Q2 devient le courant de base de Q1 de sorte que le courant photo-généré de la LED D1 est maintenant multiplié par ß2 et apparaîtra dans la résistance de charge RL à partir des collecteurs de Q1 et Q2. En raison de ce gain de courant beaucoup plus élevé, nous pouvons utiliser une résistance de charge de valeur beaucoup plus faible.

Les connexions de la planche à pain sont présentées à la figure 7.

Répétez la même procédure d'insertion des différentes LED dans le circuit pour D1 et de mesure de la réponse aux différentes sources lumineuses.

Des exemples de tracés Scopy sont présentés dans les figures 8, 9 et 10.

Pour agir comme un détecteur optique, dans quels modes une LED doit-elle fonctionner ? Vous pouvez trouver la réponse sur le blog StudentZone.

Doug Mercer a obtenu son diplôme BSEE du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) en 1977. Depuis qu'il a rejoint Analog Devices en 1977, il a contribué directement ou indirectement à plus de 30 convertisseurs de données et détient 13 brevets. Il a été nommé au poste de Fellow ADI en 1995. En 2009, il a quitté le travail à temps plein et a continué de consulter à ADI en tant que Fellow émérite contribuant au programme d'apprentissage actif. En 2016, il est nommé ingénieur en résidence au sein du département ECSE de RPI.

Antoniu Miclaus est ingénieur d'applications système chez Analog Devices, où il travaille sur les programmes académiques ADI, ainsi que sur les logiciels embarqués pour les circuits du laboratoire, l'automatisation de l'assurance qualité et la gestion des processus. Il a commencé à travailler chez ADI en février 2017 à Cluj-Napoca, en Roumanie. Il est actuellement titulaire d'un M.Sc. étudiant dans le programme de maîtrise en génie logiciel à l'Université Babes-Bolyai et il a un B.Eng. en électronique et télécommunications de l'Université technique de Cluj-Napoca.