Светодиод и операционный усилитель: как услышать свет

Недавно на каком-то сайте (может даже на этом) я прочитал удивительную вещь: оказывается, светодиод можно использовать как фотодиод, если включить его в обратной полярности! Проверить было очень легко - мультиметр показывал, что сопротивление действительно падает, если на светодиод посветить. Что ж, прекрасно. С фотодиодами или фоторезисторами пока работать не доводилось - честно говоря, понятия не имею, какие покупать, но руки-то чешутся! Возникало море идей, от попытки "поймать" частоту мерцания ламп накаливания и проверить, заметно ли меньше мерцают галогенки, до передачи аудиосигнала, а то и цифровых данных, по лазерному каналу. Первое, кстати, я в тот же вечер реализовал на Ардуино, заодно попрактиковавшись строить графики сигналов в EasyPlot, а до последнего руки так и не дошли (пока). Зато есть нечто промежуточное: давно хотел попрактиковаться с операционными усилителями, и вообще с аналоговыми сигналами, и новый осциллограф потестить. Значит, будем "ловить" мерцание лампочек, и усиливать его.

После вечера-другого мучений, на свет родилась следующая схема:

Печатной платы, кстати, не будет - схема имеет исключительно образовательную ценность, до смешного проста, и так и просит о какой-нибудь доработке, полосовом фильтре, например. Поэтому собирать её рекомендую на макетной плате (которая по-английски называется breadboard). Экономит кучу времени, помимо прочего.

Выглядит это всё вот так:

Теперь о работе схемы. Напряжение с делителя 10МОм/светодиод (примерно 2В из 9) подаётся на операционный усилитель, включенный в качестве повторителя. При этом напряжение на выходе в точности равно напряжению на входе, но выходное сопротивление уже не десяток мегаом, а равно таковому у операционного усилителя (десятки - сотни Ом). Без этого номиналы всех остальных резисторов пришлось бы подбирать так, чтобы они не нарушали работу схемы, а теперь об этом можно не думать. Можно было бы и по-другому сделать, конечно, но речь не об этом.

Следующая стадия - уже усилитель, коэффициент усиления которого определяется величиной отрицательной обратной связи. R5 и R7 эту обратную связь и образуют. Только в отличие от классической схемы, рисуемой в учебниках,

Здесь R7 идёт не на землю, а на делитель напряжения на двух резисторах, выдающих примерно 4,5В. Таким образом выходной сигнал будет колебаться не около нуля (что приведёт к "обрезанию" всего, что ниже нуля. то есть примерно нижней половины колебаний - из-за того, что ОУ при однополярном включении не может выдавать отрицательного напряжения), а около половины напряжения питания. Такое же напряжение (постоянное) будет поддерживаться резистором R4 на неинвертирующем ("плюсовом") входе. В итоге постоянное напряжение на обоих входах ОУ равно - это важно! Но на неинвертирующий вход подаётся сигнал, который и будет усиливаться, при номиналах указанных на рисунке - примерно в 60 раз. Теперь это уже можно посмотреть на любом осциллографе, или померять мультиметром амплитуду переменного напряжения... Но гораздо интереснее подключить сюда наушники или колонки. Через разделяющий конденсатор, конечно.

У схемы есть одно приятное свойство - номиналы здесь совершенно несущественны! Можно брать практически любые, какие есть, но поддерживая хотя бы примерно их соотношение между собой. Кстати, самое сложное (если это слово вообще здесь уместно) - подобрать подходящий светодиод. Они, как оказалось, отличаются по параметрам: красный сильно шумел, а ультрафиолетовый вообще отказывался реагировать на свет. Можно поэспериментировать, и с номиналами тоже.

Как должно быть видно на видео, в итоге можно услышать свет настольной лампы - это гул частотой 100Гц. ЭСЛ-ка "шумит" сильнее, чем галогенка из-за встроенного генератора высокой частоты. Но сильнее всего шумел китайский светодиодный фонарик, включенный в половинную мощность (есть у него такой режим). Эта самая половинная мощность реализуется с помощью ШИМ, простыми словами - за счёт мерцания с частотой порядка килогерца. Вот так, после того, как узнаешь - совершенно очевидно, а до этого сам бы не догадался, как это реализовано...

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Освещение
• ОУ
• Светодиод