Hlavní navigace

Multispektrální světelný senzor pro Arduino: vlastnosti použitých LED

6. 1. 2021
Doba čtení: 5 minut

Sdílet

 Autor: Depositphotos
Pokusím se navrhnout levný senzor barvy a jasu světla s vysokým dynamickým rozsahem pro Arduino na základě upcyklace součástek z odpadu. Na své si přijdou i milovníci matematických exponenciál a logaritmů.

Mám zkušenost s optoelektronikou z Ronji. Jsem fanda konstrukce elektroniky z odpadu, pro kterou jsem vymyslel jméno trashtronics, retro konstrukce diskrétními metodami, a konstrukce která je dostupná co nejširšímu sektoru veřejnosti (vyhýbání se drahým nebo složitě dostupným nástrojům nebo materiálům).

Z vyhořelých zářivek z odpadu jsem v roce 2020 vyletoval vynález, který v roce 1947 změnil svět – tranzistor. Vynález, který pochází od stejné firmy AT&T, co nám přinesla UNIXC.

Mám doma další součástky, většinou z elektronického odpadu:

  • Odešlé klávesnice (zelená LED)
  • Odešlých a nalezených zářivek (diody, kondenzátory, odpory)
  • Odešlých zdrojů (modrá LED, Schottky diody, optočleny)
  • Nalezeného dálkového ovládání (infračervená LED)
  • Nalezené vadné elektrické plácačky na komáry (červená LED)
  • Fialové vysokojasové LED z kterých jsem dělal detektor UV filtru pro koupi brýlí

Různobarevné LED jsou schopné fungovat jako neúčinné fotodiody. Napadlo mě využít LED, diody a tranzistory k vytvoření barevného a jasového senzoru pro Arduino, který by měl vestavěný výpočetní preprocessing signálu ve formě logaritmu. Je zde určitá biomimetika: i biologické senzory jako buňky na sítnici logaritmují data jako 1. nebo 2. krok ještě dříve, než se pošle do optického nervu. Je to tak lepší pro kvalitu zpracování dat.

Místo obtížně dostupných externích spektrálních filtrů použijeme vestavěné spektrálně filtrační schopnosti citlivosti LED polovodiče. To nám dává možnost analyzovat spektrum světla. Naměříme světlo několika diodami, a různé barvy se budou do různých diod promítat různě silně a lineárně, čili se matematicky násobí maticí. Tu můžeme softwarově invertovat.

Charakteristiky použitých komponent

Během návrhu multispektrálního senzoru využijeme nebo budeme muset vzít v potaz několik charakteristik použitých komponentů:

Charakteristiky ADC vstupu Arduina

Při návrhu využijeme vysoké vstupní impedance Arduina 100 MΩ. Při čtení ADC hodnota 0 odpovídá 0 V. O čtené hodnotě odpovídající referenčnímu napětí si výrobce protiřečí: buď 1023 nebo 1024.

Charakteristiky diod

Jak signálová 1N4148 tak usměrňovací 1N4007 měly svodový proud 5,4 nA a 5 nA. To je příliš mnoho, tak diody nepoužijeme. Místo toho zapojíme tranzistory tak, že se využije jen jeden přechod a budou se chovat jako kvalitní diody.

Charakteristiky LED

Fotodioda je v principu něco jako kuličková dráha, do které padají různobarevné kuličky jménem fotony. Každý foton s určitou pravděpodobností ze zásobníku uvolní jednu kuličku jménem elektron, která propadne skrz detektor. Tato pravděpodobnost závisí na barvě vstupní kuličky. Kuličky elektrony jsou všechny identické a žádnou barvu nemají. Pravděpodobnosti, že příchod fotonu na detektor povede k průchodu jednoho elektronu detektorem se říká vnější kvantová účinnost.

Přemýšlím, zda nazvat svoje dílo konceptuální kinetickou skulpturou „fotony a elektrony“ s použitím uměleckého přístupu objet trouvé.

LED krystal má menší povrch než oficiálně optimalizovaná fotodioda. To vede k menšímu proudu ze senzoru.


V rámci výzkumného záměru „podívat se co je uvnitř“ jsem fotodiodu SFH203 upevnil do díry v ocelovém profilu a uřízl mikroelektronickým analytickým nástrojem „pilka na železo“.


Fotodiodu jsem dal pod mikroskop a je vidět černý povrch křemíku a sběrná elektroda, která sbírá proud z celého povrchu tohoto miniaturního fotovoltaického panelu. Strana černého čtverce je 1 milimetr (strana 1, Radiant sensitive area).


Krystalek LED zvětšený vestavěnou čočkou infračervené LED. Ohrádka kolem je ve skutečnosti miniaturní kalíšek v kterém je LED krystal. LED mají špatnou kvantovou účinnost, možná 10× až 100× horší (záleží na barvě) než oficiální fotodioda, která má téměř 100 %.

Nejvhodnější jsou LED v nezabarveném plastu. Všechny bílé a některé „falešné“ barevné LED používají luminofor, ty jsou na světlo necitlivé. LED jsou citlivé na světlo o něco vyšší frekvence než je jejich emisní frekvence. Zde a zde jsou křivky spektrální citlivosti LED v režimu fotodiod.

Charakteristiky bipolárních (NPN, PNP) tranzistorů

PN Přechody tranzistorů, které se chovají jako diody, mají logaritmující funkci vestavěnou už z principu podle Shockleyho diodové rovnice. Shockley je jedním z vynálezců tranzistoru. Napětí je úměrné logaritmu proudu diodou plus závěrného (temného) proudu, pokud si rovnici vyřešíte pro VD.

To se nám hodí, protože osvětlení v reálném světě se mění v rozsahu mnoha řádů, od 0,1 lux (úplněk) do 100 000 lux (přímé slunce). Logaritmus nám rozloží přesnost po této škále tak, že se na silné osvětlení neplýtvá přesností.


Shockleyho diodová rovnice. I je proud diodou, + v dopředném směru, – v závěrném. IS je prakticky svodový proud diody když jí zapojíme v závěrném směru na 5 V. VD je napětí na diodě, VT pro praktické potřeby 26 mV a n je konstanta ideality mezi 1–2 která závisí na chemii přechodu, ale nezávisí kus od kusu.


Shockleyho diodová rovnice vyřešená pro VD a n=1. Příklad: proud zvýšíme 10 krát, napětí se zvýší o 60 mV. Proud zvýšíme na dvojnásobek, napětí se zvýší o 18 mV.

Proč se ke vstupnímu proudu přidává svodový? Protože kdyby se nepřidal a dioda byla odpojená, žádný proud by jí netekl a argument logaritmu by byl 0. Výsledný logaritmus i napětí VD by byly -∞. Což by odporovalo tomu, že na pasivní vodivé součástce musí být při nulovém proudu nulové napětí. Proto příroda nepatrně posunula graf rovnice o IS doleva. Takto je argument logaritmu 1 a výsledné napětí 0.

B-E přechod tranzistoru je dobrá nízkosvodová dioda, ještě lepší než specializované nízkosvodové diody.

Bipolární tranzistor násobí vstupní proud fixním číslem, kterému se říká zesílení. Proces zesilování se tak snadno matematicky modeluje. Toto číslo se liší kus od kusu a typ od typu, např. v rozsahu 50–150. Toto lze kompenzovat prostým vynásobením optického toku fotonů konstantou v softwaru při kalibraci konkrétního senzoru na bílé světlo.

Některé tranzistory (MJE 13001 400/600 V 200 mA), které jsem vyletoval, měly velký svodový proud ICB (E zůstane nezapojený) 380 nA, 237 nA, a ICE 4600 nA, 2140 nA, zatímco ostatní neměly problém pracovat s extrémně nízkými proudy z LED senzoru při nízkém osvětlení. Domnívám se, že se jedná o tranzistory, které byly poškozeny při selhání zářivky. Takové snadno identifikujeme naším DIY nanoampérmetrem a vyřadíme.

Root tip

Ač také obsahují PN křemíkové přechody, tranzistory které jsem měřil (BAT 102H, MJE 13002), měly neměřitelně nízké (< 1 nA) svodové proudy ICB, ICE. ICB nepřímo odhadnutý na pouze asi 3 fA (!).

Příště budeme měřit nízké proudy a vysvětlíme princip zapojení.

Autor článku

Karel Kulhavý vystudoval operační systémy, sítě a překladače na MFF UK a je autorem optického pojítka Twibright Ronja a spoluautorem textového a grafického webového prohlížeče Twibright Links.