Trocha teorie

Přístup světla zvnějšku na přechod PN umožňuje konstrukce pouzdra diody. Pouzdro samo ovšem působí jako barevný filtr, který redukuje dopadající světlo pouze na část spektra. To snižuje účinnost fotovoltaického jevu.

Dále je důležitá energetická šířka zakázaného pásu polovodičového materiálu použitého ke konstrukci přechodu pn. Energetická šířka zakázaného pásu stanovuje spodní hranici spektra diodou zpracovávaného světla. To znamená, že energie fotonů světla vyvolávajícího fotovoltaický jev na přechodu pn diody nesmí být menší než energetická šířka zakázaného pásu polovodiče.

Dnes již klasické diody LED s nízkou a střední svítivostí vyráběné z polovodičových materiálů GaP (zelená) a GaAsP (žlutá, oranžová, červená) patří k nejlevnějším a má je ve svém programu každý výrobce (GaAsP je sloučenina vzorce GaAs_1-xP_x a platí 0<x<1). Tyto LED mají energetickou šířku zakázaného pásu rovnu energii fotonů barvy světla emitovaného LED při provozu.

U diod z uvedených materiálů jsem měřila fotoelektrické napětí U_F diody LED v závislosti na intenzitě osvětlení E_o diody bílým denním světlem, které mi připadalo vhodnější vzhledem k možnosti případného praktického využití. Je nutné si však uvědomit, že z celého spektra denního světla, které zahrnuje oblast vlnových délek od červené až po modrou barvu, dioda LED zpracuje pouze tu část, která odpovídá barvě diody. Hranice intervalu zpracovávaného spektra tvoří vlnová délka uvedená v katalogu výrobce a barevná propustnost materiálu pouzdra.

Výsledky měření

Výsledky měření diod LED o průměru 5 mm jsou zpracovány do dvou grafů. Graf na obr. 1 znázorňuje křivky fotoelektrického napětí diod LED zelené (G), žluté (Y) a červené (R) barvy, měřeno bez zátěže (naprázdno) multimetrem se vstupním odporem 10 MW. Graf na obr. 2 ukazuje průběh fotoelektrického napětí diod LED zatížených odporem 2 MW.
 

Obr. 1

Obr. 2

Diody LED poskytují poměrně veliké fotoelektrické napětí. U grafu na obr. 1 jsou závěrečné velikosti U_F při 24 000 Lx (luxů) 1520mV u zelené, 1423 mV u žluté a 1202 mV u červené LED. Strmost napěťové křivky je závislá na odebíraném proudu. Při určité intenzitě osvětlení dosáhne proud hranice, kdy se dále nezvětšuje. napěťová křivka se ohýbá a je ustálena na maximálním U_F. Na grafu (obr. 2) vidíme, že zařazením zátěže a tím zvětšením odběru proudu se posune ohyb napěťové křivky směrem k větší intenzitě osvětlení Eo a sníží se maximálně dosažitelné U_F. Fotoelektrický proud je velmi malý a při zátěži 2 MW (uvedené v obr.2) se maximum pohybuje řádově v oblasti µA.

Velikost proudu, kterou je dioda schopna při dané intenzitě osvětlení dosáhnout, je dána plochou přechodu pn. Diody s větším čipem (větší aktivní plocha přechodu PN), například typ JUMBO, budou poskytovat proud větší. Budeme-li diody hodnotit po stránce poskytovaného proudu, je nejlepší žlutá LED (největší strmost křivky) a nejhorší červená LED (nejmenší strmost křivky). Pro využití LED jako fotodiody je důležitá počáteční strmá část napěťové křivky, která je lineární a lze ji výše uvedeným způsobem linearizovat směrem k větším intenzitám osvětlení.

Uvedené grafy se vztahují k diodám LED firmy Kingbright řady L_53, avšak mají obecnou platnost i pro obdobné diody LED jiných výrobců, pokud jsou vyrobeny na bázi stejných polovodičových materiálů. Tvar křivek zůstává stejný, pouze napětí U_Fmax se u diod LED různých výrobců mění v rozpětí 10%, což je zřejmě způsobeno technologií výroby diodových čipů.

Optočleny

Ze dvou diod LED stejné barvy lze sestavit optočlen. Dvě kulaté diody LED stejné barvy (stejného typu) o průměru 5mm vložené do neprůsvitné plastové trubičky stejného průměru tak, aby se dotýkaly čelem, tvořily optočlen použitý k měření. Svítivost LED je závislá na procházejícím proudu. U vysílací diody optočlenu byl regulován procházející proud I_Z. U druhé přijímací diody optočlenu bylo měřeno dosažené fotoelektrické napětí naprázdno (bez zátěže) U_F. Tato závislost U_F na I_Z je pro optočleny sestavené ze zelených (G), žlutých (Y) a červených(R) LED znázorněna na grafu na obr. 3.
   

Obr. 3

Optická vazba v optočlenu závisí na účinnosti obou jeho prvků. V případě optočlenu složeného z LED je dominantním činitelem svítivost vysílací diody. je známo, že nejvyšší účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou dosahují červené LED ( největší svítivost) a nejmenší účinnost mají zelené LED. To potvrzuje obr. 3, na kterém optočlen složený z červených LED dosahuje nejlepších výsledků. Průběh grafu je kromě počátečního náběhu lineární. U proudu vysílací diody I_Z existuje maximální hranice, nad kterou se ohřívá čip procházejícím proudem. Se zvyšující se teplotou čipu se mění šířka zakázaného pásu polovodiče a tím i vlnová délka vysílaného světla. Závislost U_F na I_Z přestává být lineární. Důležitý je také materiál pouzdra LED. Pouzdro by mělo být z materiálu, který je čirý (barvivo je rozpuštěno v plastu pouzdra).Existují typy pouzdra pro tzv. difúzní šíření světla (rozptyl světla v objemu pouzdra), u kterých materiál pouzdra vypadá na pohled, jako by byl kalný. Tento typ pouzdra je nevhodný, protože zmenšuje účinnost fotovoltaického jevu.

Optočleny složené z LED vyžadují značné zesílení výstupního signálu, proto nemohou konkurovat běžně vyráběným optočlenům. Přesto mají dvě výhody, které mohou v určitých případech být důvodem k jejich použití. Za prvé mají vzhledem k materiálu pouzdra LED výborné izolační vlastnosti. A za druhé je optočlen složený z LED obousměrný. Umožňuje střídavě přenášet signál oběma směry.

Závěr

Nakonec uvádím dva obvody, na kterých jsem si fotovoltaický jev diod LED prakticky ověřila. Zapojení obvodů jsou velmi jednoduchá a měla by být spíše inspirací pro další práci s diodami LED.

Na obr. 4 je snímač intenzity denního světla, který může být zdrojem signálu pro spínací obvod ovládající například osvětlení v místnosti atd. Snímač je osazen zelenou LED o průměru 5 mm. Lidské oko je na zelenou a žlutou barvu obsaženou v denním světle nejcitlivější. Signál zelené diody LED je zesílen tranzistory T1, T2. pak je invertován pomocí T3 tak, aby na výstupu byl signál jen tehdy, když není snímací LED dostatečně osvětlena.

Obr. 4 - Snímač intenzity denního osvětlení

Citlivost snímače lze nastavit potenciometrem P1. Kontrolní LED je možné vynechat. Snímač by měl být chráněn proti rušivým signálům umístěním v kovovém pouzdru. Na tranzistory NPN T1, T2 a PNP T3 nejsou žádné zvláštní nároky. Je možné použít ty nejlevnější typy. Snímač pouze zesiluje a upravuje fotosignál pro další zpracování.

Obr. 5 - NF generátor 3 Hz

Na obr. 5 je nf generátor impulzů asi 3 Hz s vazbou zprostředkovanou optočlenem složeným ze žlutých LED o průměru 5 mm. Kmitočet je dán článkem R1, C1 a nastavením optovazby rezistorem R2. rezistor R3 určuje maximální proud diody D2. Pokud není optočlen zakryt, je kmitočet ovlivňován přístupem vnějšího světla na přijímací diodu D1. Kmitočet je přibližně dán vztahem:

f=k/R1C1, přičemž k=0,03.

Konstanta k zahrnuje optickou vazbu, nastavení T3, rezistory R2, R3 a zesilovač T1, T2. Změna typu tranzistorů T1, T2 nebo T3 a odporu rezistorů R2, R3 změní velikost konstanty.

Existuje jistě více obvodů, kde by se dalo využít fotovoltaických vlastností diod LED, avšak to již ponechávám fantazii a nápaditosti čtenářů.