Использование светодиода как оптического сенсора (фотоприемника). Мой самодельный радиометр для измерения излучения Солнца

Светодиод как источник излучения

Светодиод (англ. LED) чаще всего используется в качестве излучателя света (при прямом смещении pn-перехода, англ. forward biased).
Кристалл светодиода излучает свет под определенными углами, так как из-за явления полного внутреннего отражения световые частицы могут покидать кристалл только в пределах конусов вывода излучения (англ. escape cones) - верхнего и боковых (для прямоугольного кристалла):

Можно рассмотреть диаграмму его излучения под различными углами, расположив светодиод параллельно экрану:

Как видно, присутствует сильный верхний луч от верхнего конуса, усиленный фокусирующим эффект корпуса, и более слабые боковые лучи, обусловленные боковыми конусами.
Можно рассмотреть центральный луч подробнее, расположив светодиод перпендикулярно экрану:

Светодиод как приемник излучения

Светодиод может использоваться и в качестве фотоприемника (при обратном смещении pn-перехода, англ. reverse biased). Впервые этот эффект исследовал в 1970-е годы Forrest M. Mims III (forrestmims.org), он описывается в многочисленных публикациях. С помощью этого эффекта можно, например, подстраивать яркость свечения индикаторного светодиода в зависимости от уровня освещения.

Forrest M. Mims III

К преимуществам светодиода как оптического сенсора можно отнести его низкую стоимость и достаточо узкую полосу пропускания, не требующую применения дополнительных оптических фильтров. К недостаткам можно отнести влияние температуры на результаты измерения.

Для применения светодиода в качестве датчика света на него необходимо подать обратное напряжение смещения (анод - "минус", катод - "плюс"). Напомню, что у светодиода длинный вывод - анод, короткий - катод.

Фотоны, падающие на pn-переход светодиода, вызывают генерацию фототока (англ. photocurrent)), который весьма невелик (светодиод не предназначен для генерации большого фототока):

Имеются данные, что при прямом падении солнечного света на 5-мм красный светодиод (1000 мКд при 20 мА) фототок составляет 20 мкА.

Работающий как фотоприемника светодиод можно представить в виде параллельного соединения источника фототока I_F и емкости C (10...15 пФ):

Следует отметить, что в таком режиме светодиод будет реагировать на световое излучение с длиной волны, равной или меньшей, чем длина волны излучения светодиода (например, у желто-зеленого светодиода она составляет 555 нм, а максимум чувствительности такого светодиода как фотоприемника приходится на 525 нм с шириной диапазона чувствительности около 50 нм, а красный светодиод является хорошим детектором оранжевого света):

Красные, оранжевые и желтые светодиоды основаны на AlGaInP, синие, зеленые - на InGaN. При этом необходимо учесть, что влияние оказывают и фильтрующие свойства корпуса светодиода.

Я провел ряд опытов, которые показали, что красный светодиод не реагирует на излучение инфракрасного светодиода, зеленый - на излучение инфракрасного и красного сетодиодов и красного лазера, белый - на излучение инфракрасного, красного и зеленого сетодиодов и красного и зеленого лазеров.

Оценить световой поток, падающий на светодиод, можно двумя способам:

1 - измерение фототока
2 - использование светодиода как конденсатора в режиме заряда/разряда (фактически выполняется интеграция фототока по времени)

Измерение фототока

Измерять фототок можно непосредственно или с помощью измерения напряжения на резисторе R.

Использование заряда/разряда емкости светодиода

В этом варианте светодиод через токограничивающий резистор подключается к выводу микроконтроллера через токоограничивающий резистор. Вывод переключается в режим "выхода" для заряда емкости светодиода, а затем в режим "входа" для измерения напряжения светодиода в процессе разряда. При этом оппределяется длительность разряда T до порогового напряжения:

Ультрафиолетовое излучение Солнца

УФ-излучение Солнца делится на три области:
UVA - 315...400 нм - на земной поверхности в 15...20 раз превышает UVB
UVB - 280...315 нм - 90 % поглощается атмосферой, изменения уровня UVB сильно ощущаются людьми, причем сам уровень зависит от высоты, расположения Солнца в небе, объема озона в атмосфере и облачного покрова
UVC - 100...280 нм - почти всё поглощается атмосферой

Оценка интенсивности солнечного излучения, проходящего через атмосферу

Для измерения передачи солнечного света через земную атмосферу применяются два вида инструментов:

• инструменты для измерения излучения всего неба (англ. full-sky instruments) - радиометры (широкополосные радиометры - пиранометры или солариметры);
  для радиометров реакция детектора на прямое облучение источником света должна быть пропорциональна косинусу зенитного угла источника света (англ. cosine response).
• инструменты для измерения прямого солнечного излучения (англ. direct sunlight instruments) - солнечные фотометры (широкополосные фотометры - пирогелиометры).

В обоих этих категориях применяются инструменты для измерения излучения в широком диапазоне длин волн или только для заданной длины волны.

Forrest M. Mims III построил солнечный фотометр (англ. Sun photometer) на основе светодиодов для измерения оптической плотности атмосферы. Это позволяет оценить содержание аэрозолей, озона и водяного пара в атмосфере.
Сейчас подобные детекторы широко применяются для измерений в близком инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах.

Мой самодельный радиометр

Я сделал свой простейший зенитный узкополосный радиометр (англ. zenith-looking narrow-band radiometer), подключив батарею "Крона" через интегральный стабилизатор 78L05 (выходное напряжение составило около 5 В) и резистор сопротивлением 4,7 МОм к "белому" светодиоду (5 мм):

Светодиод белого свечения на самом деле содержит "синий" светодиод (на основе InGaN или GaN с длиной волны излучения 465 нм), что делает его восприимчивым к лучам синего, фиолетового и ультрафиолетового света. Это позволяет оценить интенсивность УФ-излучения Солнца.
Сам светодиод я поместил в непрозрачную трубку, оставив открытой только верхнюю полусферу корпуса.
Я измеряю напряжение на резисторе R, пропорциональное фототоку светодиода, цифровым мультиметром на пределе 2 В.

Мой радиометр измеряет излучение неба в зените (англ. zenith sky radiance (ZSR)).

Общая интенсивность излучения (англ. irradiance) складывается из двух составляющих:
$T = S + D$ , где $S$ - прямое излучение Солнца, $D$ - рассеянное излучение (от неба).
Чем меньше высота Солнца (больше его зенитный угол $z$), тем длинее путь, проходимый солнечными лучами в атмосфере и тем меньше $S$.
При закрытом облаками Солнце $S$ уменьшается (при плотной облачности - весьма заметно), но при этом возрастает $D$, причем уровень этой составляющей при облачности может превышать уровень для ясного неба.

Я расположил светодиод вертикально на открытом месте в июльский день:

Я получил такие результаты:

При закате 4 августа 2017 года при практически безоблачном небе напряжение на резисторе составило 3 мВ.

При поднесении датчика моего фотометра практически вплотную к светящейся КЛЛ мощностью 23 Вт показания напряжения на составляют 0,20...0,25 В, что соответствует фототоку 43...53 нА.

Продолжение следует