【導讀】本次實(shí)驗的目標是探索將發(fā)光二極管(LED)用作光電二極管光傳感器，將NPN和達靈頓NPN晶體管用作光傳感器的接口電路。
背景知識
光電二極管暴露在光線(xiàn)下時(shí)，會(huì )產(chǎn)生與光強度成正比的電流。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(zhù)更多光子擊中光電二極管，電流增大，導致二極管兩端產(chǎn)生電壓。隨著(zhù)二極管兩端的電壓增大，線(xiàn)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/檢測器。這種功能可用于多種應用中，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對等于或短于其發(fā)射的主波長(cháng)的波長(cháng)非常敏感。綠色LED對藍色光和一些綠色光敏感，但對黃色光或紅色光不敏感。例如，紅色LED可以檢測到黃色LED發(fā)射的光，黃色LED可以檢測到綠色LED發(fā)射的光，但綠色LED無(wú)法檢測到紅色或黃色LED發(fā)射的光。3個(gè)LED全都會(huì )檢測到白光或藍色LED發(fā)射的光。白光中包含綠色LED能夠檢測到的藍光成分?；叵胍幌?，可見(jiàn)光波長(cháng)可以按最長(cháng)到最短的順序列出，分別為紅、橙、黃、綠、藍、靛藍、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(cháng)最短、光子能量最高的光，紅光是波長(cháng)最長(cháng)、光子能量最低的光。
對于廣譜照明（例如一般的室內照明），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用作光檢測器，切勿將LED正向偏置到電流電壓(I-V)曲線(xiàn)的1象限（工作電壓和電流都為正）中。允許LED在太陽(yáng)能電池模式下運行，即象限4（工作電壓為正，電流為負），或在光電二極管模式下運行，即象限3（工作電壓為負，電流為負）。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(cháng)ED）自行產(chǎn)生電流和電壓。
材料
● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習模塊
● 無(wú)焊試驗板
● 跳線(xiàn)
● 兩個(gè)2N3904 NPN晶體管（或SSM2212 NPN匹配對）
● 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。
硬件設置
使用ADALM2000模塊中設置為5 V的可變正電源為電路供電。使用示波器通道1監測Q1集電極節點(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準白熾燈、熒光燈和LED燈。觀(guān)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(guān)察該LED在接觸不同光源時(shí)的響應。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
按照圖6所示的達靈頓配置，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 )出現在Q1和Q2集電極的負載電阻RL中。此電流增益更高，所以我們能使用電阻值更低的負載電阻。
圖6.LED和達靈頓NPN光傳感器。
第2步 硬件設置
面包板連接如圖7所示。
圖7.LED和達靈頓光傳感器面包板電路。
第2步 流程
重復相同的流程：將不同的LED插入D1的電路，然后測量LED對不同光源的響應。
圖8、圖9和圖10為Scopy波形圖示例。
圖8.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于最遠距離。
圖9.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于中等距離。
圖10.紅光LED和達靈頓光傳感器，LED燈處于最近距離。
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