LEDs sind auch Fotodioden

Antwort: Dioden des Typs 1N914/1N4148 weisen eine ausreichend hohe Fotoempfindlichkeit auf, um „Brummen“ zu verursachen. Die Empfindlichkeit reicht aber nicht aus, um sie als Fotozellen einzusetzen. Ihre Empfindlichkeit liegt mehr im Infrarot- als im sichtbaren Spektrum. Selbst bei hellem Sonnenlicht beträgt ihr Fotostrom lediglich etwa 10 nA. Glasdioden sind kein praktikabler Ersatz für Photovoltaik-Panels!

Interessanterweise regt ein altes Blitzgerät mit einer herkömmlichen Glühlampe in diesen Dioden zwei oder drei Mal mehr Fotostrom an als direktes Sonnenlicht. Eine an die Netzspannung angeschlossene Glühlampe mit 60 W produziert etwa 7% Fotostrommodulation bei 100 Hz. Dies legt die Vermutung nahe, dass die mögliche Quelle des Brummens im Vorbericht von der Glühlampe und von Leuchtstofflampen stammt.

Bei Preisen von etwa 2 Cent pro Stück (Abnahme von hohen Stückzahlen) kosten LEDs etwa fünf Mal so viel wie Dioden, sind aber wesentlich empfindlicher als Fotozellen. Bei direkter Sonneneinstrahlung beträgt der Fotostrom einer roten 5-mm-LED (1000 mCd bei 20 mA) über 20 A. In den sonnigen Tropen kann dies den Ladezustand einer Uhrenbatterie aufrechterhalten. LEDs eignen sich nicht gut zur Energieerzeugung. Allerdings sind sie komfortable Fotodetektoren zu etwa 10% des Preises von echten Detektoren.

Die spektrale Empfindlichkeit einer LED hängt von ihrer Farbe ab. LEDs erfassen Licht mit Wellenlängen, die kürzer oder gleich groß sind wie ihre eigenen emittierten Wellenlängen. Dies hängt von den Eigenschaften des Gehäuses ab. Licht aus Farben, die es absorbiert, erreicht die LED nicht. Weiße LEDs enthalten Phosphor, um monochromes Licht in weißes Licht zu wandeln, und sind keine guten Fotozellen.

Hersteller charakterisieren LEDs nicht als Fotozellen. So können kleine Design-Änderungen, die einen minimalen Effekt auf ihr Verhalten als LEDs haben, große Änderungen in ihrer Eigenschaft als Fotozellen haben. Beim Einsatz von LEDs als Fotozellen sollte man sie selbst charakterisieren und konservative Auslegungen verwenden, damit die betreffende Schaltung auch mit Änderungen gut arbeitet. Dies erhöht die Nachfrage nach Schaltkreisen aus der Massenproduktion, die LEDs als Fotozellen nutzen. Sind sie doch sehr nützlich in kleinen Einheiten oder einzelnen System-Designs.

Eine elegante Anwendung ist, wenn eine LED durch einen Analog-Mikrocontroller getrieben wird. Die gleiche LED kann als Fotodetektor verwendet werden, indem man den treibenden Digitalausgang abschaltet und den Fotostrom am Ausgang erfasst. Falls der Mikrocontroller über Dual-Purpose Analog-Eingangs/Digital I/O-Pins verfügt, wie etwa der ADuC7023, kann dies mit einer LED und zwei Widerständen und lediglich einem Prozessoranschluss gemacht werden.

Eine Halbleiterdiode kann auf zwei Arten als Fotozelle angeschlossen werden: PV-Mode (Photovoltaik) und fotoleitende Betriebsart (Photoconductive). Solarpanels arbeiten im PV-Modus. Licht scheint auf sie, die Anode wird positiver als die Kathode und ein zum einfallenden Licht proportionaler Strom fließt in jeden Stromkreis, der sich zwischen Anode und Kathode befindet. Die Diode ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ihre Kapazität ist um ein Mehrfaches größer als ihre in Rückwärtsrichtung vorgespannte Kapazität.

Im Photoconductive Mode bewirkt Licht, das auf eine in Rückwärtsrichtung vorgespannte Fotodiode auftrifft, dass ein zum einfallenden Licht proportionaler Fotostrom fließt. Am besten nutzt man die fotoleitende Betriebsart für AC-Signale, da der Frequenzverlauf besser ist. Lichtmessungen in der fotoleitenden Betriebsart sind sehr einfach.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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