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» 2016年02月19日 11時30分 UPDATE

Design Ideas 計測とテスト:LEDを光センサーとして使い、照明強度を計測 (1/3)

LEDは表示用や照明用といった一般的な用途だけでなく、光起電力型の検知器(光センサー)としても使用可能である。今回は、LEDを光センサーとして使用する回路図を紹介する。

[Dhananjay V Gadre/Sheetal Vashist(インドNetaji Subhas 技術研究所),EDN Japan]

 LEDは表示用や照明用といった一般的な用途だけでなく、光起電力型の検知器(光センサー)としても使用可能である脚注1,2。赤色LEDを電圧計に接続し、そのLEDに、同じく赤色LEDのような高輝度光源からの光を照射すると、電圧計は1.4V以上の電圧を検出する(図1)。

脚注1:Dietz,Paul, William Yerazunis,and Darren Leigh, "Very LowCost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs," Mitsubishi Research Laboratories, July 2003.
脚注2:Petrie, Garry, "The Perfect LED Light," Resurgent Software, 2001.

 この動作は、LEDの等価回路によって説明できる。逆バイアスされたLEDの等価回路は、充電されたコンデンサーと、入射光の強度に依存する電流源の並列回路によって表現できる。入射光の強度が強くなると電流が増大し、コンデンサーの放電が急速になる。

ts160218_DI01.jpg 図1:LEDは光センサーとしても使用できる (クリックで拡大)
同じ種類のLEDを2個、暗い箱の中に近接させて配置する。一方のLED(光源用)を発光させると、電圧計に接続されたほうのLED(センサー用)には光強度に応じた電圧が発生する。抵抗Rの値は、光源用LEDの順方向電流が適切な値になるよう設定する。

LEDを光センサーとして使用する方法

 図2に示したのは、LEDを光センサーとして使用する方法の概念図である。マイクロコントローラ出力の1つ(2番端子)をLEDのカソードに接続するとLEDは逆バイアスされ、その内部容量がマイクロコントローラの電源電圧レベルで充電される。次に、スイッチの切り替えによってLEDのカソードをマイクロコントローラの入力(3番端子)に接続すると、LEDはハイインピーダンス負荷に接続されることになる。

 ここでLEDに光を照射すると、光電流が発生する。すると、電源電圧レベルで充電されていたLEDの内部容量が放電して光電流が流れ、内部容量の両端の電圧が低下する。この電圧がさらに低下してマイクロコントローラの入力閾(しきい)値以下になると、3番端子には論理値の「0」が入力されることになる。

 入射光の強度が高くなるほど内部容量の放電が急速になり、入射光の強度が低くなると放電速度は遅くなる。マイクロコントローラの内部では、3番端子の入力電圧が論理値の「0」になるまでの時間が計測され、その結果を入射光の強度に換算する。

ts160218_DI02.jpg 図2:光センサー回路の概念図 (クリックで拡大)

 なお、マイクロコントローラにより、光センサーとして使用されるLEDそのものを入射光の強度に比例する周波数で発光させることも可能である。

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