▌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