Измерение освещённости и передача данных с помощью двунаправленных свойств светодиодов (перевод)

2     Двунаправленное подключение светодиода

Светодиоды излучают свет в довольно узком диапазоне длин волн при протекании через них тока в прямом направлении. Экспоненциальная вольт-амперная характеристика светодиодов серьёзно затрудняет получение нужного тока, установкой напряжения непосредственно на их выводах, поэтому для ограничения тока нужен вспомогательный компонент. Обычно в таком качестве используется резистор, включённый последовательно, как показано на рисунке 1. Так как порты большинства микропроцессоров способны принимать тока больше, чем отдавать, показанная на рисунке схема является самым употребительным способом включения светодиодов.

Рисунок 1. Типичная схема включения светодиода

Светодиод чувствителен к свету с длиной волны равной и чуть большей, чем та, на которой он излучает (если не учитывать фильтрующие свойства окрашенного пластикового корпуса). В состоянии обратного смещения светодиод моделируется схемой, которая состоит из включённых параллельно конденсатора и источника фототока (см. рисунок 2 [3]). Это тот самый фототок, который требуется измерить.

Недорогой фотодетектор получается при подключении анода светодиода к земле, а катода к КМОП выводу в режиме выхода с высоким выходным уровнем.

Рисунок 2. Эквивалентная схема [свето]диода смещённого в обратном направлении

Такое включение смещает переход в обратном направлении и заряжает его ёмкость. Затем надо переключить вывод в режим входа, позволяя фототоку разряжать ёмкость перехода вплоть до достижения уровня переключения цифрового входа. Время разрядки ёмкости перехода пропорционально фототоку и, соответственно, уровню освещённости. Эта последовательность показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Использование светодиода в качестве фотодетектора

Объединив схемы с рисунков 1 и 3 можно получить универсальный двунаправленный интерфейс для подключения светодиода, как показано на рисунке 4. Схема идентична показанной на рисунке 1, за исключением того, что теперь комбинация светодиод-резистор подключена между двумя выводами процессора.

Рисунок 4. Схема двунаправленного включения светодиода

Рисунок 5 поясняет режимы работы выводов. На рисунке 5a показан "излучающий" (emitting) режим, в котором ток течёт в прямом направлении, зажигая светодиод. На рисунке 5b представлен режим "обратного смещения" (reverse bias), в котором ёмкость перехода подготавливается (заряжается) к измерению. Собственно измерение производится в режиме "разрядки" (discharge) на рисунке 5c. Так как ток, втекающий в КМОП элемента, очень мал, ограничительный резистор почти не меняет напряжение на входе процессора. Как и раньше, измеряется время, за которое фототок разрядит ёмкость перехода до уровня переключения цифрового КМОП входа. Получилась простая схема, способная переключаться между излучением и детектированием света.

Рисунок 5. Излучение и обнаружение света с помощью светодиода

По сравнению со стандартной схемой все изменения ограничиваются задействованием дополнительного вывода процессора и печатного проводника (которые вносятся во время проектирования и не требуют дополнительных затрат). Можно считать, что дополнительные аппаратные возможности устройства достаются даром. Программное обеспечение процессора, естественно, потребует модификации.

Можно сравнить предложенное решение со стоимостью IrDA [7] (около $7) или Bluetooth [8] (больше $10). Использование даже очень простого механического соединителя для проводной связи добавляет к стоимости несколько долларов, так как требует схемы сдвига уровней и защиты от электростатических разрядов (ESD). Использование для связи имеющихся светодиодов позволяет сэкономить деньги в процессе производства, потому что дорогостоящее оборудование для пластиковых корпусов не требует изменений под инфракрасный приёмник, антенну или соединитель.