Світлодіод і операційний підсилювач: як почути світло

Нещодавно на якому-то сайті (можливо навіть на цьому) я прочитав дивовижну річ: виявляється, світлодіод можна використовувати як фотодіод, якщо включити його в зворотній полярності! Перевірити було дуже легко - мультиметр показував, що опір дійсно падає, якщо на світлодіод посвітити. Що ж, прекрасно. З фотодіодами або фоторезисторами поки працювати не доводилося - чесно кажучи, поняття не маю, які купувати, але руки-то чешуться! Виникало море ідей, від спроби "піймати" частоту мерцання ламп накалювання і перевірити, помітно чи менше мерцають галогенки, до передачі аудіосигналу, а то й цифрових даних, по лазерному каналу. Перше, до речі, я в той же вечір реалізував на Ардуіно, заодно попрактикувавшись будувати графіки сигналів в EasyPlot, а до останнього руки так і не дійшли (поки). Зате є нещо проміжне: давно хотів попрактикуватися з операційними підсилювачами, і взагалі з аналоговими сигналами, і новий осцилограф протестувати. Значить, будемо "ловити" мерцання лампочок, і посилювати його.

Після вечора-другого мук, на світ народилася наступна схема:

Друкованої плати, до речі, не буде - схема має виключно освітню цінність, до смішного проста, і так і просить про якусь доопрацювання, смуговому фільтрі, наприклад. Тому збирати її рекомендую на макетній платі (яка англійською називається breadboard). Економить купу часу, крім іншого.

Виглядає це все ось так:

Тепер про роботу схеми. Напруга з дільника 10МОм/світлодіод (приблизно 2В з 9) подається на операційний підсилювач, включений в якості повторювача. При цьому напруга на виході в точності дорівнює напрузі на вході, але вихідний опір вже не десяток мегаом, а рівне таковому у операційного підсилювача (десятки - сотні Ом). Без цього номінали всіх інших резисторів довелося б підбирати так, щоб вони не порушували роботу схеми, а тепер про це можна не думати. Можна було б і по-іншому зробити, звичайно, але мова не про це.

Наступна стадія - вже підсилювач, коефіцієнт підсилення якого визначається величиною негативного зворотного зв'язку. R5 і R7 цю зворотний зв'язок і утворюють. Тільки на відміну від класичної схеми, що малюється в підручниках,

Тут R7 йде не на землю, а на дільник напруги на двох резисторах, що видають приблизно 4,5В. Таким чином вихідний сигнал буде коливатися не близько нуля (що призведе до "обрізання" всього, що нижче нуля, тобто приблизно нижньої половини коливань - через те, що ОУ при однополярному включенні не може видавати негативного напруги), а близько половини напруги живлення. Таке ж напруга (постійне) буде підтримуватися резистором R4 на неінвертуючому ("плюсовому") вході. В результаті постійне напруга на обох входах ОУ дорівнює - це важливо! Але на неінвертуючий вхід подається сигнал, який і буде підсилюватися, при номіналах зазначених на малюнку - приблизно в 60 разів. Тепер це вже можна подивитися на будь-якому осцилографі, або поміряти мультиметром амплітуду змінного напруги... Але набагато цікавіше підключити сюди навушники або колонки. Через розділяючий конденсатор, звичайно.

У схеми є одна приємна властивість - номінали тут абсолютно несуттєві! Можна брати практично будь-які, які є, але підтримуючи хоча б приблизно їх співвідношення між собою. До речі, найскладніше (якщо це слово взагалі тут уместно) - підібрати підходящий світлодіод. Вони, як виявилося, відрізняються по параметрах: червоний сильно шумів, а ультрафіолетовий взагалі відмовлявся реагувати на світло. Можна поекспериментувати, і з номіналами теж.

Як повинно бути видно на відео, в результаті можна почути світ настільної лампи - це гул частотою 100Гц. ЕСЛ-ка "шумить" сильніше, ніж галогенка через вбудований генератор високої частоти. Але сильніше всього шумів китайський світлодіодний ліхтарик, включений в половинну потужність (є у нього такий режим). Ця сама половинна потужність реалізується за допомогою ШІМ, простими словами - за рахунок мерцання з частотою порядку кілогерца. Ось так, після того, як дізнаєшся - абсолютно очевидно, а до цього сам би не здогадався, як це реалізовано...

Список радіоелементів