Dioda elektroluminescencyjna czy fotodioda? A może jedno i drugie...?

Wszyscy elektronicy znają różne rodzaje diod półprzewodnikowych. W zasilaczach korzystamy z diod prostowniczych, diod Schottky'ego, czasami także innych, takich jak transile. W systemach pomiarowych często, jako detektor lub miernik światła, znaleźć możemy fotodiodę. Oczywiście każdy zna też diody elektroluminescencyjne - popularne LED-y; często używane są one jako kontrolki w urządzeniach elektronicznych, a od kilku lat także jako źródła światła w naszych domach, gdzie wyparły żarówki. Z uwagi na tak ogromną różnorodność tych elementów często zapomina się, że tak naprawdę każda z nich to niemalże taka sama struktura półprzewodnikowa. Drobne detale powodują, że różnią się parametrami czy wykazują unikatowe własności, jednakże u podstaw ich działania stoją te same fizyczne zasady.

Każda dioda półprzewodnikowa, jak każdy element półprzewodnikowy, jest czuła na światło. Jest to dosyć nieoczywiste zjawisko, jednakże - jak czytamy w RAQ numer 45 [1] może ono sporo napsuć w czułych układach analogowych. Przekonamy się, że zjawisko to może również zostać wykorzystane w ciekawych aplikacjach diod elektroluminescencyjnych.

Zadziwiające źródło przydźwięku sieciowego

Do Jamesa Bryanta, inżyniera aplikacyjnego pracującego w Analog Devices, zwrócił się projektant z problemem przydźwięku sieciowego w swoim układzie. Jest to typowy problem, pojawiający się w układach analogowych, gdy do sygnału przenika składowa sieci, bądź jej harmoniczne po wyprostowaniu (w Europie będzie to, odpowiednio, 50 Hz i 100 Hz; w Ameryce z kolei 60 Hz i 120 Hz).

W sytuacji gdy liniowy zasilacz sieciowy nie filtruje częstotliwości sieci od napięcia wyjściowego, składowa ta przenika do sygnału (z jaką amplitudą, to zależne jest od parametru PSRR - odrzucenie wpływu zasilania - poszczególnych elementów aktywnych w torze sygnału). Zazwyczaj problemy te da się rozwiązać, zwiększając pojemność filtrującą na wyjściu prostownika lub dodając stopień stabilizacji napięcia przed czułymi układami. Zjawisko to w zasadzie nie występuje w zasilaczach impulsowych - tam problemem są zakłócenia o wyższej częstotliwości, jednakże to zjawisko nie ma nic wspólnego z diodami i jest poza zakresem tego artykułu.

Innym niż zasilacz liniowy źródłem przydźwięku sieciowego jest sprzęganie się częstotliwości sieci z liniami sygnałowymi urządzenia lub poprzez masę (mitologizowane "pętle masy", których obawiają się elektronicy). W obu tych sytuacjach zakłócenia o niskiej częstotliwości przenikać mogą do układu, gdzie najczęściej są wzmacniane wraz z sygnałem użytecznym i dostają się na jego wyjście. Tego problemu można uniknąć, dodając do wejść urządzenia filtry dolnozaporowe, które odcinają zakłócenia o niskiej częstotliwości od użytecznego sygnału.

W opisywanej w RAQ #45 [1] sytuacji ani filtrowanie zasilania, ani nawet zasilanie z baterii ze stabilizatorem liniowym nie pomogło w eliminacji przydźwięku sieciowego. Dodatkowo wspomniany projektant przetestował swój zasilacz - zamiast układu dołączony zostaje opornik obciążający go, tak aby pobór prądu był podobny do tego, jaki pobiera urządzenie. W takim układzie można bezproblemowo przeanalizować napięcie zasilające np. oscyloskopem, aby spróbować znaleźć źródło zakłóceń, przenikających do układu. Jeśli powyższe sposoby zawiodły, trzeba nad problemem pochylić się bardziej i zlokalizować miejsce w układzie, przez które zakłócenia sieciowe przenikają do sygnału analogowego. Jak wskazuje James Bryant w swoim artykule, zadziwiająco częstym miejscem przenikania zakłóceń są diody krzemowe w szklanych obudowach. Elementy takie często stosuje się np. jako zabezpieczenie wejść układu.

Mechanizm przenikania zakłóceń przez diody

Każda dioda półprzewodnikowa będzie się zachowywała jak fotodioda, jeśli zostanie wystawiona na światło. Taka (foto)dioda działa najczęściej w trybie fotoprzewodzenia. Efekt ujawnia się w momencie, gdy dioda spolaryzowana jest zaporowo - światło zmienia prąd wsteczny (prąd upływu) diody. Fotony o odpowiedniej energii, padające na strukturę półprzewodnikową, powodują wzbudzenie w niej nośników. Od ich koncentracji zależy m.in. prąd wsteczny. W przypadku krzemu energia ta musi być wyższa niż 1,14 eV (co odpowiada światłu o długości fali równej lub mniejszej niż 1087 nm). Co oznacza, że całe spektrum światła widzialnego może oddziaływać na taki element. Gdy dioda znajduje się w ciemności, przez diodę spolaryzowaną zaporowo płynie tylko tzw. prąd ciemny, gdy zostaje ona oświetlona, prąd ten wzrasta proporcjonalnie do natężenia padającego światła. Jeżeli światło, które oświetla strukturę półprzewodnikową, jest modulowane to i prąd wsteczny diody zostanie zmodulowany. W większości warsztatów elektronicznych o źródło modulowanego światła nie jest trudno - często znajduje się ono nad głowami elektroników; są to świetlówki - mrugają one z podwojoną częstotliwością sieci - 100 Hz. W ten sposób modulacja sieciowa przenika do układu.

Dioda LED to też fotodioda

W RAQ numer 108 [2] ten sam James Bryant wskazuje na bardzo ciekawe wykorzystanie diod elektroluminescencyjnych - jako detektory. Pozwala to wykorzystać opisane powyżej zjawisko w korzystny dla nas sposób. Typowe diody półprzewodnikowe, takie jak klasyczna 1N4184, są dostatecznie czułe na światło, by wprowadzić przydźwięk sieciowy do naszego sygnału, ale nie na tyle, by pracować jako fotokomórka. Dodatkowo najczulsze są w podczerwieni, dlatego też najwięcej przydźwięku w systemy elektroniczne w takim przypadku wprowadzają klasyczne żarówki a następnie świetlówki. Diody LED niemalże nie, z uwagi na fakt, że mają dosyć ograniczone pasmo. Jak czytamy w RAQ #108 [2], bezpośrednie światło słoneczne generuje w tych diodach fotoprąd na poziomie 10 nA. Latarka z klasyczną żarówką około 20...30 nA. Z kolei 60 W żarówka, świecąca, powoduje modulację fotoprądu na poziomie około 7% przy 100 Hz.

Diody elektroluminescencyjne (LED), jakkolwiek kosztujące więcej - ok. pięć razy tyle, co zwykłe diody krzemowe w szklanych obudowach - charakteryzują się o wiele większą czułością. Na przykład czerwona dioda LED 5 mm (1000 mCd przy 20 mA) generuje w pełnym świetle słonecznym fotoprąd na poziomie 20 μA - w słonecznych warunkach, np. w tropikach, to wystarczająca czułość, by utrzymać przy życiu na przykład zegar czasu rzeczywistego. Być może nie sprawdzają się one jako zamienniki systemów fotowoltaicznych, ale LED-y są nawet do dziesięciu razy tańsze niż fotodiody, zaprojektowane dokładnie do pracy jako detektory światła.
Czułość spektralna diod LED, używanych jako fotodetektory, zależy od ich koloru emisji. Barwa, a ściślej mówiąc, długość emitowanej przez diodę fali elektromagnetycznej, zależna jest od przerwy energetycznej półprzewodnika, z jakiego wykonano strukturę. Zasadniczo, tak jak w przypadku diody krzemowej, tak w przypadku innych diod, elementy te absorbują światło o energii fotonu równej lub większej, od energii przerwy energetycznej w danym materiale. Emisja z kolei przypada dokładnie w energii przerwy energetycznej. Oznacza to, że dana dioda LED reaguje na światło o długości fali nie dłuższej niż emitowana. Czerwone i podczerwone diody LED reagować będą na cały zakres światła białego, diody zielone na kolor niebieski i zielony, ale już nie żółty i czerwony etc. Dodatkowo, pod uwagę wziąć trzeba kolor i sposób wykonania obudowy diody LED. Diody białe często mają powierzchnię pokrytą tzw. fosforem, który konwertuje światło (najczęściej ultrafioletowe) na światło białe. Takie diody są kiepskimi fotodetektorami. Podobnie jest w przypadku kolorowych diod z obudowami z kolorowego plastiku, ograniczają one pasmo światła docierającego do struktury i mogą redukować czułość elementu. Dobierając LED jako fotodetektor w naszym urządzeniu, trzeba mieć to na uwadze.

Diody LED nie są przez producenta charakteryzowane do pracy w tym trybie. Oznacza to, że jeżeli chcemy zastosować je w naszym projekcie, trzeba samodzielnie zmierzyć ich podstawowe parametry jako fotodetektora i zastosować je w projekcie z dosyć dużym zapasem. Niewielkie zmiany w procesie produkcji, o których dostawca elementów nawet nie musi informować w karcie katalogowej, jako że nie mają przełożenia na parametry LED mogą mieć istotny wpływ na pracę tego elementu jako fotodiody. Z uwagi na to stosowanie LED-ów jako elementów światłoczułych w urządzeniach produkowanych masowo może być problematyczne, ale doskonale sprawdzi się w krótkich, jednorazowych seriach czy pojedynczych urządzeniach.

Eleganckie aplikacje diod LED jako fotodetektorów

Diodę półprzewodnikową można podłączyć jako detektor światła do układu na dwa sposoby. Możliwe jest podłączenie w tzw. trybie fotowoltaicznym i w trybie fotoprzewodzącym. Panele słoneczne działają w trybie fotowoltaicznym; światło na nie świeci, anoda staje się bardziej dodatnia niż katoda, a prąd (proporcjonalny do natężenia padającego światła) płynie w dowolnym obwodzie połączonym między anodą i katodą. Dioda jest spolaryzowana w takim układzie w kierunku przewodnictwa, a jej pojemność jest kilkukrotnie wyższa niż w diodzie spolaryzowanej w kierunku zaporowym.

Z kolei w trybie fotoprzewodzącym światło pada na fotodiodę spolaryzowaną zaporowo. Powoduje to również przepływ prądu proporcjonalnego do natężenia padającego światła, zmianę koncentracji nośników mniejszościowych i w konsekwencji prądu upływu diody. Trybu fotoprzewodzącego najlepiej jest używać dla sygnałów zmiennych, ponieważ odpowiedź częstotliwościowa jest w tym trybie lepsza, kosztem tego, że pomiar światła w tym trybie jest trudniejszy niż w trybie fotowoltaicznym.

Bardzo ciekawym zastosowaniem diody LED w urządzeniu jest wysterowanie jej za pomocą analogowego pinu mikrokontrolera. Dzięki temu dioda LED może pracować w dwóch trybach - jako zwykły wskaźnik - kontrolka oraz jako fotodetektor. Wystarczy zastosować mikrokontroler wyposażony w wielofunkcyjny pin, który może pracować jako wyjście cyfrowe oraz jako wejście analogowe. W tego rodzaju piny wyposażone są układy takie jak mikrokontrolery ADUC7023, wiele układów z rodziny STM32 czy też stosowane w modułach Arduino układy ATmega firmy Microchip. Możliwe jest wtedy używanie diody zarówno jako sygnalizatora - wystarczy spolaryzować ją w kierunku przewodzenia, jak i pomiar jej fotoprądu w trybie fotowoltaicznym. Schemat takiego układu pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu z diodą LED podłączoną do układu jako sygnalizator
i jako sensor z użyciem portu analogowego mikrokontrolera

Gdy pin mikrokontrolera skonfigurowany jest do pracy w trybie cyfrowym, tak aby dioda LED1 funkcjonowała jako sygnalizator, opornik R1 ustala prąd płynący przez diodę w momencie, gdy pin mikrokontrolera przyjmuje wartość zerową (wyjście znajduje się wtedy na potencjale masy). Prąd płynący przez opornik R2 jest pomijalny, gdyż ten opór powinien być znacznie większy niż R1. W momencie, gdy pin mikrokontrolera przyjmie stan wysoki, potencjał VCC na jego wyjściu sprawi, że różnica potencjałów na LED1 będzie zerowa, a co za tym idzie, prąd przez diodę nie popłynie. W momencie, gdy pin mikrokontrolera zostanie skonfigurowany jako wejście analogowe (do wbudowanego ADC), będzie miał wysoką impedancję wejściową. Teraz, gdy na diodę LED1 padnie światło, wygeneruje ono pewien fotoprąd, który następnie popłynie przez oporniki R1 i R2. Zakładając, że impedancja wejściowa mikrokontrolera jest dużo większa od R2 (dla układów z rodziny Microchip ATmega impedancja wejściowa pinów analogowych wynosi około 100 MΩ), napięcie mierzone przez ten pin wynosić będzie:

I_foto × R2

gdzie: I_foto to wygenerowany na LED1 fotoprąd, który dla typowej diody LED wynosić będzie kilkanaście…kilkadziesiąt mikroamperów.

Jeśli zatem jako R2 zastosujemy opornik o rezystancji kilkuset kiloomów, to na wejściu ADC zobaczymy kilka woltów (na przykład dla wspominanego wyżej prądu 20 μA i opornika 220 kΩ na wejściu ADC uzyskamy 4,4 wolta, czyli niemalże maksymalne napięcie wejściowe dla zasilanych 5 V układów AVR). Oczywiście realnie napięcie jest ograniczone spadkiem napięcia na diodzie LED1 i na oporniku R1. O ile spadek napięcia na oporniku R2 będzie bardzo mały i można go pominąć, o tyle spadek napięcia na typowej czerwonej diodzie LED wynosi typowo 2,2 V, a np. na diodzie niebieskiej aż 3,2 V. Pozostawia to jednak dostatecznie dużo napięcia do 5 V (czy nawet 3,3 V w przypadku diody czerwonej), aby wykorzystać LED jako prosty sensor natężenia światła.

Dodatkowo, jeśli nie chcemy lub nie możemy wykorzystać pinu analogowego w naszym mikrokontrolerze, to za pomocą dwóch cyfrowych pinów możemy zestawić układ o podobnym działaniu co powyżej, opierający się jednak na zupełnie innej zasadzie działania [3]. Na rysunku 2 zaprezentowano schemat ideowy podłączenia diody LED w takim układzie. Aby zapalić diodę LED1, wystarczy pin 1 (mikrokontroler_1) ustawić w stanie wysokim, a pin 2 (mikrokontroler_2) w stanie niskim.

Rysunek 2. Schemat ideowy układu z diodą LED podłączoną do układu jako sygnalizator
i jako sensor z użyciem dwóch linii cyfrowych mikrokontrolera

Spowoduje to przepływ prądu przez diodę. Wartość prądu będzie ograniczona poprzez opornik R1, należy go dobrać do wymaganego prądu naszej diody. Jednocześnie spowoduje to rozładowanie się wewnętrznej pojemności diody (w kierunku zaporowym). Jeśli teraz chcemy wykorzystać diodę LED1 z rysunku 2 jako sensor światła, należy zamienić wartości na pinach 1 i 2 - na pinie 1 ustawiamy wartość niską, a na pinie 2 wysoką. Spowoduje to naładowanie wewnętrznej pojemności diody. Zajmuje to nie więcej niż kilka milisekund. Następnie pin 2 przełączany jest z wyjścia na wejście. Wejście mikrokontrolera ma wtedy wysoką, ale skończoną impedancję i powoli rozładowuje naładowaną diodę. Czas rozładowania diody jest proporcjonalny do natężenia oświetlenia, padającego na strukturę diody i wynosi, w zależności od natężenia oświetlenia, od poniżej kilkuset mikrosekund do kilku milisekund. Możliwe jest wykorzystanie tego mechanizmu nie tylko do statycznego mierzenia natężenia oświetlenia, ale również jako sposób komunikacji pomiędzy dwoma urządzeniami, znajdującymi się blisko siebie i świecącymi nawzajem w swoje diody LED [3]. Tego rodzaju rozwiązanie jest niezwykle praktyczne i tanie - funkcja komunikacji z wykorzystaniem diod LED dodawana jest tylko i wyłącznie w oprogramowaniu i nie wymaga wzbogacenia układu o interfejsy bezprzewodowe - optyczne (np. IrDA lub RC-5) lub radiowe (np. 433 MHz czy Wi-Fi), które zwiększają koszt systemu.

Podsumowanie

Niepozorna dioda LED może być również zadziwiająco czułą fotodiodą, która umożliwia nie tylko pomiar natężenia oświetlenia otoczenia (np. projektowane przez nas urządzenie może wykrywać, czy jest dzień, czy noc lub czy włączone jest w pomieszczeniu światło), ale także zestawienie prostego systemu komunikacji half-duplex bez zwiększania kosztów projektowanego systemu.

Jednak trzeba pamiętać, że nie tylko dioda LED może być fotodiodą - tak zachować się może także każda inna dioda, w tym diody zabezpieczające wejścia czy diody prostownicze, a to oznacza, że jeżeli wykorzystujemy elementy w szklanych lub innych przezroczystych obudowach, światło padające na nie jest bez znaczenia i może wprowadzać do naszego układu zakłócenia, chociażby takie, jak przydźwięk sieciowy, pochodzący z modulowanego 100 Hz światła żarówek czy świetlówek.

Warto może na koniec zauważyć, że o ile dioda LED może działać jako fotodioda, o tyle nie ma efektu odwrotnego, tj. fotodioda (zwykła krzemowa) nie może emitować światła. Wynika to z właściwości struktury energetycznej krzemu, a dokładniej z faktu, że ekstrema wykresów energia-pęd W(k) dla pasma przewodnictwa i walencyjnego są przesunięte, a więc rekombinacja skośna nośników zamienia energię elektronu w kwant ciepła (fonon), a nie w kwant światła (foton). W tych materiałach energia tracona przez elektron przy przejściu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego zamienia się w drgania sieci krystalicznej - ciepło, a nie w emitowane światło.

Nikodem Czechowski, EP

Źródła:
[1] J. Bryant, "Glass Diodes May See the Light - and Hum", Rarely Asked Questions 45, Design News, maj 2009, http://bit.ly/2MmkpPp
[2] J. Bryant, "LEDs are Photodiodes Too", Rarely Asked Questions 108, Analog Dialogue, sierpień 2014, http://bit.ly/2ITg3Nm
[3] P. H. Dietz, W.S. Yerazunis, D.L. Leigh, "Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs", ACM International Conference on Ubiquitous Computing (UbiComp), październik 2003.