▌01 LED反向光敏電流
1.實驗背景
在 可否使用串聯LED（或者光敏LED）來製作光電檢測板？[1] 探討了基於普通的LED用作光電傳感器，以此來降低 全國大學生智能車競賽[2] 中用於計時系統中的 電磁感應線圈[3] 。在同期發佈的 TSINGHUAZHUOQING公眾號對應的推文[4] 之後的留言中，佟超也給出了之前他們所做實驗測定的結果：LED用作光敏器件，頻率響應低（只有幾百Hz），可能無法滿足車模通過時的監測精度要求。
為了方便製作，在TB上訂購了 LED長條型燈帶[5] ，本身可以降低製作的成本。但作為感應光的性能又該如何呢？
▲ 普通的LED燈管電流
對於以上問題，後面將通過一些測試來測定。
2.測試LED
手邊有多種表貼和直插的LED，顏色也包括有紅色、綠色、藍色、白色等。
▲ 用於測試的LED
測試的指標包括：
- LED的光伏電壓；
- LED的反向光敏電流（這是主要的測試之別）；
測試相應的信號的幅值與頻率響應。
▌02 LED光伏信號
測量過程，都是在內部塗黑的紙質盒子中進行。
▲ 測量所使用的隔光黑色盒子
1.測量響應時間
普通得到數字電壓表具有很高的輸入阻抗（大約為10MΩ），直接測量LED的光伏電壓信號，基於LED的PN結具有一定的電容，所以變化相對比較緩慢。
▲ 測量LED的光伏信號
◎ 測量條件：
光源： 使用高強度白色LED作為光源；
測量電壓：使用FLUKE45直流電壓檔測量
測量時間間隔：1秒鐘
手動打開光源與關斷光源，重複兩次，讀出對應的電壓並記錄。
下面是測量電壓變化曲線。
▲ LED光伏信號的變化
可以看到光伏電壓的變化是在3秒的時間左右，電壓上升到63%左右。
2.電壓與光強之間的關係
根據 LED的電流與光強之間的關係[6] 的實驗結果，可以知道，對於白色的LED發射的光強與工作電流之間近似為線性。所以測量發光的白色LED的電流可以反映光強大小。
◎ 測量方式：
照明光：使用大功率的白色LED產生，採集
測量光伏電壓：使用FLUKE45直接測量；
▲ 流過照明LED的電流與紅色LED的光放電壓之間的關係
從上面測量結果可以看到，光伏電壓與光強之間大致呈現線性關係。
3.不同顏色LED對應的光伏電壓
在相同的環境下，測量幾種不同顏色的LED的光伏電壓。
【表2-3 不同顏色LED的光伏電壓】
顏色 LED直徑（mm） 光伏電壓（V） 紅色 5 0.0683 紅色（透明封裝） 5 0.347 綠色（透明封裝） 5 0.065 黃色 5 1.43 藍色 3 0.0993 紅外LED（透明封裝） 5 0.236
這些LED的顏色，封裝，直徑各不相同。它們包括有紅色、綠色、紅色，藍色以及紅外燈。從上面測試結果來看，對應的光伏電壓與顏色之間的關係並不明顯。比如紅色的輸出電壓居然有1.43V。而紅色對於不同的封裝（透明，紅色）對應的光伏電壓也不同。
▲ 幾種不同顏色的LED
▌03 LED的反向電流
由於LED的反向電流很小，所以使用達林頓管來放大LED的方向電流。
手邊有兩款達林頓三極管，KSP13，以及BC517。
▲ 兩款達林頓三極管：BC517,KSP13
1.達林頓管放大反向電流 （1） KSP13 KSP13[7] 的基本參數： 類型：NPN VCEO：30V VCBO： 30V Icmax：500mA fT : 125MHz
▲ hFE of KSP13 vs Ic(mA)
▲ KSP13 Darlington Transistor Parameters
（2）BC517
BC517達林頓[8]
▲ BC517達林頓三極管
下面對比BC517與KSP13直流電流增益的大小，在的時候，都大體在40,000左右。
▲ BC517直流電流增益與Ic之間的關係
2.對於達林頓管測量
手邊有BC517以及KSP13達林頓管，使用 測試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測試顯示模塊[9] 測量它們基本參數。
（1）測量BC517參數
▲ 測量BC517的管腳分佈與基本參數
（2）測量KSP13參數
▲ 測量KSP13達林頓管的基本參數
從上面測量的結果來看，KSP13在Ie=5.4mA的情況下，直流電流增益比BC517大。
3.利用KSP13放大LED反向電流
按照下圖，將LED反相電流經過達林頓放大之後，通過它的集電極電阻R1上的壓降來進行測量。
▲ 使用達林頓管放大LED反向電流測量方案
◎ 測量參數：
VCC:+5V
R1:995Ω
（1）在桌面燈光下測量
【表3-3-1 桌面下測量LED反向電流】
LED型號 Vr1(V) Ic 紅色(紅色封裝 0.156V 0.156mA 黃色（透明封裝） 4.22V 4.22mA 紅色（透明封裝） 1.72V 1.72mA 綠色（透明封裝） 0.366V 0.366mA 紅外（透明封裝） 0.616V 0.616mA 藍色（透明封裝） 0.909V 0.909mA
可以看到，黃色LED的反向電流最大，而原來的普通的紅色封裝的LED的反相電流最小。
（2）測量光強與方向電流之間的關係
利用在【2-2：電壓與光強之間的關係】中相同的方式，使用大功率白色LED作為光源，在暗盒裡測量LED光源的光強（使用它的工作電流來表示）與LED反相電流之間的關係。
▲ 測量反向電流與光強所使用的暗盒
【Ⅰ.黃色LED反相電流與光強】
▲ 黃色LED的反相電流與光強電流之間的關係
【Ⅱ.紅色LED反相電流與光強】
▲ 紅色LED的反向電流與光強（使用補光LED的工作電流表示）之間的關係
從上面測量的結果來看，反向電流與光強之間存在着一定的線性關係。
4.LED反向電流動態特性
LED反向電流反映了反向電流與外部輸入光強之間的動態關係。
測試方式：使用DG1062生成方波信號，通過NPN（8050）三極管帶動發光白色LED閃爍。使用示波器測量達林頓集電極電壓波形。
▲ 測量LED反向電流動態特性
根據KSP13[4]數據手冊可以知道，KSP13的頻率特性在125MHz，因此在下面測量中，如果測量動態頻譜在1MHz之內的特性應該是反映了LED本身的電氣動態特性。
（1）紅色LED反向電流波形
▲ 在10Hz閃爍情況下測量達林頓集電極電壓波形
▲ 在500Hz閃爍情況下測量達林頓集電極電壓波形
（2）黃色LED反向電流波形
▲ 500Hz下黃色LED反向電流波形
從上面測量結果來看，LED的動態特性應該在1kHz左右。
▌實驗總結
通過前面實驗，可以看到LED光敏特性反映在它的光伏特性與反向電流與檢測光強之間的關係。
光伏特性與反向電流與檢測光強在一定範圍都呈現線性特性。
光伏特性基本上在幾十毫伏到1千毫伏之間。黃色LED的光伏特性最大。
反向電流則通常情況下只有幾個微安。使用達林頓晶體管可以將反向電流放大到幾個毫安。同樣，是黃色的LED相應最大。
在動態特性上，在空載情況下的光伏特性非常緩慢。這主要是由於LED的PN結在沒有反偏置情況下，寄生電容比較大，造成變化緩慢。
但反向電流，在反偏為5V的情況下，動態頻率在會在1kHz左右。
▲ 黃色LED反向電流對於2kHz光脈衝的響應
本文的實驗研究給出了通過達林頓管對於LED反向電流放大檢測的手段。這個方法同樣適合將來對於購買到的LED燈帶反向電流的放大過程中。
參考資料
[1]
可否使用串聯LED（或者光敏LED）來製作光電檢測板？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115817993
[2]
全國大學生智能車競賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008
[3]
電磁感應線圈: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104120744
[4]
TSINGHUAZHUOQING公眾號對應的推文: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ&mid=2452239485&idx=1&sn=139d3c5e9bb534042c807e7173af754e&chksm=876eda1fb0195309d1d01df98d5d14a2602db8cb4dc4307965e39d6885baba05fb83a011b70c&token=24919686&lang=zh_CN#rd*
[5]
LED長條型燈帶: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.75532e8dn7LvEi&id=579631384200&_u=knvskcdc4e3
[6]
LED的電流與光強之間的關係: 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達林頓: https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/ON%20Semiconductor%20PDFs/BC517%20Rev3.pdf
[9]
測試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測試顯示模塊: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109223139
