LED光敏电压与电流信号

　　▌01 LED反向光敏电流1.实验背景
　　在  可否使用串联LED（或者光敏LED）来制作光电检测板？ [1]  探讨了基于普通的LED用作光电传感器，以此来降低 全国大学生智能车竞赛 [2]  中用于计时系统中的 电磁感应线圈 [3]  。在同期发布的 TSINGHUAZHUOQING公众号对应的推文 [4]  之后的留言中，佟超也给出了之前他们所做实验测定的结果：LED用作光敏器件，频率响应低（只有几百Hz） ，可能无法满足车模通过时的监测精度要求。
　　为了方便制作，在TB上订购了  LED长条型灯带 [5]  ，本身可以降低制作的成本。但作为感应光的性能又该如何呢？
　　▲ 普通的LED灯管电流
　　对于以上问题，后面将通过一些测试来测定。  2.测试LED
　　手边有多种表贴和直插的LED，颜色也包括有红色、绿色、蓝色、白色等。
　　▲ 用于测试的LED
　　测试的指标包括：  LED的光伏电压；  LED的反向光敏电流（这是主要的测试之别）；
　　测试相应的信号的幅值与频率响应。  ▌02 LED光伏信号
　　测量过程，都是在内部涂黑的纸质盒子中进行。
　　▲ 测量所使用的隔光黑色盒子  1.测量响应时间
　　普通得到数字电压表具有很高的输入阻抗（大约为10MΩ），直接测量LED的光伏电压信号，基于LED的PN结具有一定的电容，所以变化相对比较缓慢。
　　▲ 测量LED的光伏信号
　　 ◎  测量条件：
　　   光源： 使用高强度白色LED作为光源；
　　   测量电压：使用FLUKE45直流电压档测量
　　   测量时间间隔：1秒钟
　　手动打开光源与关断光源，重复两次，读出对应的电压并记录。
　　下面是测量电压变化曲线。
　　▲ LED光伏信号的变化
　　可以看到光伏电压的变化是在3秒的时间左右，电压上升到63%左右。  2.电压与光强之间的关系
　　根据  LED的电流与光强之间的关系 [6]  的实验结果，可以知道，对于白色的LED发射的光强与工作电流之间近似为线性。所以测量发光的白色LED的电流可以反映光强大小。
　　 ◎  测量方式：
　　   照明光 ：使用大功率的白色LED产生，采集
　　   测量光伏电压：使用FLUKE45直接测量；
　　▲ 流过照明LED的电流与红色LED的光放电压之间的关系
　　从上面测量结果可以看到，光伏电压与光强之间大致呈现线性关系。  3.不同颜色LED对应的光伏电压
　　在相同的环境下，测量几种不同颜色的LED的光伏电压。
　　【表2-3 不同颜色LED的光伏电压】
　　颜色   LED直径（mm）   光伏电压（V）   红色  5  0.0683  红色（透明封装）    5    0.347    绿色（透明封装）  5  0.065  黄色    5    1.43    蓝色  3  0.0993  红外LED（透明封装）    5    0.236
　　这些LED的颜色，封装，直径各不相同。它们包括有红色、绿色、红色，蓝色以及红外灯。从上面测试结果来看，对应的光伏电压与颜色之间的关系并不明显。比如红色的输出电压居然有1.43V。而红色对于不同的封装（透明，红色）对应的光伏电压也不同。
　　▲ 几种不同颜色的LED  ▌03 LED的反向电流
　　由于LED的反向电流很小，所以使用达林顿管来放大LED的方向电流。
　　手边有两款达林顿三极管，KSP13，以及BC517。
　　▲ 两款达林顿三极管：BC517,KSP13
　　1.达林顿管放大反向电流  （1） KSP13  KSP13 [7]  的基本参数： 类型：NPN VCEO：30V VCBO： 30V Icmax：500mA fT : 125MHz
　　▲ hFE of KSP13 vs Ic(mA)
　　▲ KSP13 Darlington Transistor Parameters  （2）BC517
　　BC517达林顿 [8]
　　▲ BC517达林顿三极管
　　下面对比BC517与KSP13直流电流增益的大小，在的时候，都大体在40,000左右。
　　▲ BC517直流电流增益与Ic之间的关系  2.对于达林顿管测量
　　手边有BC517以及KSP13达林顿管，使用  测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块 [9]  测量它们基本参数。 （1）测量BC517参数
　　▲ 测量BC517的管脚分布与基本参数
　　（2）测量KSP13参数
　　▲ 测量KSP13达林顿管的基本参数
　　从上面测量的结果来看，KSP13在Ie=5.4mA的情况下，直流电流增益比BC517大。  3.利用KSP13放大LED反向电流
　　按照下图，将LED反相电流经过达林顿放大之后，通过它的集电极电阻R1上的压降来进行测量。
　　▲ 使用达林顿管放大LED反向电流测量方案
　　 ◎  测量参数：
　　   VCC:+5V
　　   R1:995Ω （1）在桌面灯光下测量
　　【表3-3-1 桌面下测量LED反向电流】
　　LED型号   Vr1(V)   Ic   红色(红色封装  0.156V  0.156mA  黄色（透明封装）    4.22V    4.22mA    红色（透明封装）  1.72V  1.72mA  绿色（透明封装）    0.366V    0.366mA    红外（透明封装）  0.616V  0.616mA  蓝色（透明封装）    0.909V    0.909mA
　　可以看到，黄色LED的反向电流最大，而原来的普通的红色封装的LED的反相电流最小。  （2）测量光强与方向电流之间的关系
　　利用在【2-2：电压与光强之间的关系】中相同的方式，使用大功率白色LED作为光源，在暗盒里测量LED光源的光强（使用它的工作电流来表示）与LED反相电流之间的关系。
　　▲ 测量反向电流与光强所使用的暗盒
　　【Ⅰ.黄色LED反相电流与光强】
　　▲ 黄色LED的反相电流与光强电流之间的关系
　　【Ⅱ.红色LED反相电流与光强】
　　▲ 红色LED的反向电流与光强（使用补光LED的工作电流表示）之间的关系
　　从上面测量的结果来看，反向电流与光强之间存在着一定的线性关系。  4.LED反向电流动态特性
　　LED反向电流反映了反向电流与外部输入光强之间的动态关系。
　　测试方式：使用DG1062生成方波信号，通过NPN（8050）三极管带动发光白色LED闪烁。使用示波器测量达林顿集电极电压波形。
　　▲ 测量LED反向电流动态特性
　　根据 KSP13 [4]数据手册可以知道，KSP13的频率特性在125MHz，因此在下面测量中，如果测量动态频谱在1MHz之内的特性应该是反映了LED本身的电气动态特性。 （1）红色LED反向电流波形
　　▲ 在10Hz闪烁情况下测量达林顿集电极电压波形
　　▲ 在500Hz闪烁情况下测量达林顿集电极电压波形
　　（2）黄色LED反向电流波形
　　▲ 500Hz下黄色LED反向电流波形
　　从上面测量结果来看，LED的动态特性应该在1kHz左右。  ▌实验总结
　　通过前面实验，可以看到LED光敏特性反映在它的 光伏特性 与反向电流 与检测光强之间的关系。
　　光伏特性与反向电流与检测光强在一定范围都呈现线性特性。
　　光伏特性基本上在几十毫伏到1千毫伏之间。黄色LED的光伏特性最大。
　　反向电流则通常情况下只有几个微安。使用达林顿晶体管可以将反向电流放大到几个毫安。同样，是黄色的LED相应最大。
　　在动态特性上，在空载情况下的光伏特性非常缓慢。这主要是由于LED的PN结在没有反偏置情况下，寄生电容比较大，造成变化缓慢。
　　但反向电流，在反偏为5V的情况下，动态频率在会在1kHz左右。
　　▲ 黄色LED反向电流对于2kHz光脉冲的响应
　　本文的实验研究给出了通过达林顿管对于LED反向电流放大检测的手段。这个方法同样适合将来对于购买到的 LED灯带 反向电流的放大过程中。 参考资料
　　[1]
　　可否使用串联LED（或者光敏LED）来制作光电检测板？ :  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115817993
　　[2]
　　全国大学生智能车竞赛 :  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008
　　[3]
　　电磁感应线圈 :  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104120744
　　[4]
　　TSINGHUAZHUOQING公众号对应的推文 :  https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ  &mid=2452239485&idx=1&sn=139d3c5e9bb534042c807e7173af754e&chksm=876eda1fb0195309d1d01df98d5d14a2602db8cb4dc4307965e39d6885baba05fb83a011b70c&token=24919686&lang=zh_CN#rd*
　　[5]
　　LED长条型灯带 :  https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.75532e8dn7LvEi&id=579631384200&_u=knvskcdc4e3
　　[6]
　　LED的电流与光强之间的关系 :  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107700459
　　[7]
　　KSP13 :  https://www.mouser.cn/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/Darlington-Transistors/KSP13-Series/Datasheets/_/N-ax1sb?P=1yxk8xs
　　[8]
　　BC517达林顿 :  https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/ON%20Semiconductor%20PDFs/BC517%20Rev3.pdf
　　[9]
　　测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块 :  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109223139