El LED como sensor de luz no funciona correctamente en el circuito

Question

He leído algunos artículos sobre el uso de un LED como sensor de luz. Elegí un LED IR y comprobé los niveles de voltaje producidos en diferentes situaciones de luz, resultando en unos 200-300mV en plena luz artificial y alrededor de 30 mV en la oscuridad, lo que parecía estar suficientemente bien para un pin analógico de Arduino/AtTiny. El LED del sensor de infrarrojos también funcionó lo suficiente en la protoboard, pero por desgracia los valores parecen confundirse en mi configuración soldada que es un AtTiny atenuando un LED de 10W cuando un PIR se activa y el valor del sensor de luz es bajo. En esta configuración obtengo lecturas analógicas mucho menos sensibles del LED del sensor. La principal diferencia son los cables de conexión más largos ya que quiero colocar el LED sensor a cierta distancia del resto del circuito.

• ¿Puede ser que la corriente del LED sea demasiado baja y, por tanto, la lectura se vea alterada por el circuito de alguna manera?

• ¿Es posible que necesite una resistencia pull-down muy alta para el sensor porque sin ella el pin del sensor flota en la oscuridad?

• Se supone que el IR es el más sensible pero en realidad quiero medir la luz del día que tiene una parte IR más baja que la luz eléctrica cálida. Así que tal vez otro LED tendría más sentido?

Sé que también debería haber una resistencia entre el PWM y el MOSFET, pero parecía funcionar bien en la protoboard sin ella.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 1

La corriente fotoeléctrica disponible en los LEDs es ínfima. Cuando se utiliza en modo fotovoltaico, como se hace aquí, se requiere una carga de muy alta impedancia, de lo contrario las tensiones medidas se reducen. Cuando se miden 300 mV a través del LED con un voltímetro de 10 megaohmios, la corriente del LED es de sólo 30 nA.

Sus pruebas iniciales en el LED IR desnudo, utilizando un voltímetro de alta impedancia (10Megohm) son típicas, y sugieren que el LED está funcionando correctamente.
El camino desde un LED remoto hasta el pin de entrada del microcontrolador puede probarse en dos etapas para determinar por dónde fluyen esas diminutas fotocorrientes:

• LED + cables al microcontrolador

• Fuga del pin de entrada del microcontrolador.

Prueba a desconectar el pin de entrada del microcontrolador. Su corriente de fuga podría representar una resistencia de carga que absorbe la corriente del LED. Mide la tensión del LED con una fuente de luz conocida, con el pin de entrada del microcontrolador desconectado.

La resistencia del ADC de la entrada analógica del microcontrolador se especifica como "típica" de 100 Meg ohmios (10X más alta que muchos multímetros digitales). La corriente de fuga en un pin de E/S es "típico" 50 nA a temperatura ambiente pero a alta temperatura la corriente de fuga puede llegar a ser de 1000 nA. Su LED está generando corrientes de magnitud similar - la fuga del microcontrolador podría ser fácilmente la causa de la reducción del voltaje del LED.

Ten en cuenta que se debe evitar un camino largo entre el LED y el pin de entrada del microcontrolador que tenga una alta impedancia - la capacitancia extra hará que el tiempo de respuesta sea lento. Y esas líneas de alta impedancia permiten que el ruido se abra paso. Todos y cada uno de los puntos de conexión son una vía de fuga potencial. Una etapa de búfer de alta impedancia junto al LED ayudaría a evitar estos problemas. Un JFET seguidor de fuente sería apropiado. En su lugar, un amplificador óptico CMOS de carril a carril podría realizar la función de amortiguador. Si se utiliza un amplificador óptico, un circuito de transimpedancia (que sólo requiere una resistencia adicional) puede proporcionar ganancia y también una baja impedancia de salida. Sin embargo, estas soluciones de amortiguación requieren un tercer cable para alimentar el amortiguador.

Answer 2

Un fotodiodo sin búfer (o un LED utilizado como fotodiodo) no es un buen sensor autónomo, sobre todo para colocarlo lejos de un pin ADC del microcontrolador. Es un dispositivo de muy alta impedancia por lo que su línea bien podría estar flotando.

Debes poner algún circuito adicional que amplifique y amortigüe su señal para que sea fiable. Esto se hace comúnmente con un op-amp en una configuración de trans-conductancia, sin embargo esto requeriría proporcionar energía al nodo remoto. Podrías diseñar un circuito simple con un transistor para amplificar la corriente del fotodiodo que sólo está conectado a través de un bucle de corriente de dos hilos.

No he pensado demasiado en esto, pero el siguiente circuito podría servir:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Sin embargo, en tu caso, dado que se trata básicamente de una señal de CC, podrías salirte con la tuya añadiendo un condensador relativamente grande (>1µF de baja fuga) en paralelo con tu fotodiodo y un pull-up de alta impedancia (por ejemplo, 5MΩ) para proporcionar polarización al nodo.