Kichocheo cha IoT Kama Phototransistor Kilichounganishwa kwa Mfululizo na LED za RGB

1. Utangulizi na Muhtasari

Makala haya yanawasilisha muundo mpya wa kichocheo cha mwanga cha Internet of Things (IoT) unaotegemea LED za Rangi Nyekundu, Kijani na Bluu (RGB) zilizounganishwa kwa mfululizo. Uvumbuzi wa msingi upo katika tabia yake inayofanana na phototransistor, ambapo majibu ya optoelektroniki ya kichocheo yanaweza kudhibitiwa au "kuprogramuwa" na mwanga unaoingia wa rangi tofauti. Kifaa hiki kinatumika kwa njia mbili, kama kisambazaji na kipokeaji katika mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC), ikipunguza ukomplike na gharama za mitandao ya IoT.

2. Muundo wa Kichocheo cha RGB na Usanidi wa Majaribio

Kichocheo hiki kimetengenezwa kwa kuunganisha LED nyekundu ya AlInGaP, LED ya kijani ya InGaN na LED ya bluu ya GaN kwa mfululizo (mfululizo wa LumiLEDs rebel). LED zote zimeangaziwa kwa usawa wakati wa majaribio.

2.1 Usanidi wa Majaribio

Matokeo ya kichocheo cha RGB yameunganishwa kwenye oscilloscope ya Keysight MSOX6004A yenye mzigo wa pembejeo wa 1 MΩ. Usanidi huu unaruhusu kupima kwa usahihi majibu ya kichocheo kwa pembejeo mbalimbali za mwanga wa rangi (nyekundu, kijani, bluu na mchanganyiko).

2.2 Tabia za LED na Wigo

Kielelezo 1(b) katika makala kinaonyesha wigo uliopimwa wa utoaji na usambazaji wa wigo wa majibu ya optoelektroniki ya jamaa kwa kila LED ya RGB kwenye bias ya sifuri. Data hii ni muhimu kwa kuelewa tabia ya kila sehemu ndani ya sakiti ya mfululizo inayotegemea urefu wa wimbi.

3. Kanuni ya Kiteknolojia ya Msingi na Muundo

Uendeshaji wa kichocheo hufasiriwa kupitia muundo wa impedance inayotegemea mwanga. Mwanga unaoingia hubadilisha impedance bora ya LED binafsi katika mnyororo wa mfululizo, na hivyo kurekebisha mtiririko wa jumla wa sasa na matokeo ya voltage ya kichocheo.

3.1 Muundo wa Impedance Inayotegemea Mwanga

Majibu ya optoelektroniki ni magumu, yanajumuisha hali ya photoconductive na photovoltaic, pamoja na uzalishaji wa photocurrent kutokana na mgawanyiko wa exciton. Muundo huu hutibu kipokeaji cha LED kama chanzo cha sasa wakati impedance ya mzigo ni ndogo vya kutosha.

3.2 Hali ya Photovoltaic dhidi ya Photoconductive

Kichocheo kinaweza kutumia hali zote mbili: athari ya photovoltaic huzalisha voltage/sasa kutoka kwa fotoni zilizofyonzwa, wakati athari ya photoconductive hubadilisha conductivity ya semikondukta. Muunganisho wa mfululizo huunda utegemezi kati ya athari hizi katika njia tofauti za rangi.

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

4.1 Vipimo vya Uthibiti wa AC/DC

Kichocheo kinaonyesha uthibiti wa juu zaidi wa AC na DC kwa mwanga wa violeti, uliotengenezwa kwa kuchanganya mwanga wa bluu na nyekundu. Hii inaonyesha athari ya ushirikiano wakati makutano mengi yanawashwa kwa wakati mmoja.

4.2 Majibu Yanayoweza Kuprogramuwa kwa Rangi

Hiki ndicho kipengele cha alama:

• Uthibiti wa kichocheo kwa mwanga wa AC wa bluu unaweza kuimarishwa na mwanga wa DC wa nyekundu au kijani unaoingia.
• Majibu kwa ishara ya AC ya nyekundu yanaweza kuzuiwa na mwanga wa DC wa kijani.
• Majibu kwa ishara ya AC ya kijani yanaweza kuzuiwa na mwanga wa DC wa nyekundu.

4.3 Vipimo Muhimu vya Utendaji

Makala yanasisitiza ufaafu kwa VLC ya LED nyeupe iliyopakwa phosphor. Utoaji wa phosphor wa manjano polepole hausababishi usumbufu mkubwa lakini unaweza kuimarisha majibu kwa ishara ya mwanga wa bluu wa kasi wa pampu, ikitoa faida ya kichujio iliyojengwa ndani.

5. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa wa Msingi na Ukosoaji

Uelewa wa Msingi: Hii sio tu hila ya sakiti; ni mawazo upya ya msingi ya LED kama kitengo cha optoelektroniki chenye kazi nyingi. Waandishi wameunda kwa ufanisi "transistor ya optoelektroniki iliyokodishwa rangi" kwa kutumia mali ya asili ya photovoltaic na usikivu wa wigo wa LED za RGB za kibiashara zilizounganishwa kwa mfululizo. Ujanja halisi upo katika kutumia rangi ya mwanga yenyewe kama kigezo cha udhibiti, kukwenda zaidi ya bias ya kawaida ya umeme. Hii inalingana na mwelekeo mpana katika kompyuta za neuromorphic na katika-kichocheo, ambapo vifaa hufanya usindikaji wa analogi mahali pa kuchochea, kama inavyoonekana katika utafiti kutoka taasisi kama MIT's Microsystems Technology Laboratories kwenye vichocheo vya maono.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni nadhifu: 1) Muunganisho wa mfululizo unalazimisha mwendelezo wa sasa, 2) Impedance ya kila LED ni kazi ya mtiririko wa fotoni unaoingia kwenye bandgap yake maalum, 3) Kwa hivyo, matokeo ya jumla ya voltage/sasa huwa kazi isiyo ya mstari ya muundo wa wigo wa mwanga wa pembejeo. Hii huunda kitendakazi cha uhamishaji kinachoweza kuprogramuwa. Ni utekelezaji wa vifaa vya kitendakazi ambacho kwa kawaida kingehitaji vichocheo tofauti, vichujio na microprocessor.

Nguvu na Kasoro: Nguvu ni unyenyekevu mkubwa na ufanisi wa gharama, kwa kutumia sehemu zilizopo kabisa kufikia utendaji mpya. Uwezo wa kisambazaji-kipokeaji mara mbili ni ushindi mkubwa kwa kupunguzwa kwa saizi ya nodi ya IoT na bajeti ya nguvu. Hata hivyo, kasoro dhahiri ni ukimya wa makala kuhusu kasi na upana wa bendi. Phototransistors, kama zile zinazotegemea InGaAs (kama ilivyorejelewa kutoka kwa kazi katika IEEE Journal of Quantum Electronics), hubadilishana faida na upana wa bendi. Upana wa bendi wa urekebishaji wa -3dB wa kichocheo hiki cha RGB chini ya hali tofauti za mwanga wa udhibiti ni upi? Kwa VLC, hii ni muhimu zaidi. Zaidi ya hayo, mstari na anuwai ya nguvu ya udhibiti wa "faida" kupitia mwanga wa DC haijachunguzwa lakini ni muhimu kwa mifumo ya mawasiliano ya vitendo.

Uelewa Unaotendeka: Kwa watafiti: Chunguza majibu ya muda mfupi na sifa za kelele mara moja. Muundo wa impedance unahitaji uboreshaji ili kutabiri tabia ya AC. Kwa watengenezaji wa bidhaa: Hii ni tikiti ya dhahabu kwa vichocheo vya mwanga wa mazingira rafiki vinavyoweza kutambua sio tu ukubwa lakini muktadha wa wigo (mfano, je huu mwanga wa bluu unatoka kwenye skrini au angani?). Shirikiana na vikundi vya kiwango cha VLC (kama IEEE 802.15.7) kufafanua itifaki za njia za udhibiti kwa kutumia kipengele hiki cha kufungua rangi. Siku zijazi sio tu katika kutengeneza kichocheo, bali katika kufafanua "lugha ya rangi" anayoitumia kuwasiliana na kuhesabu.

6. Maelezo ya Kiteknolojia na Uundaji wa Kihisabati

Makala yanakuza muundo wa kinadharia unaotegemea impedance inayotegemea mwanga. Impedance bora ya LED chini ya mwangaza inaweza kuwakilishwa kama kazi ya sasa inayozalishwa na mwanga. Kwa muundo uliorahisishwa, sasa kupitia sakiti ya mfululizo inaweza kuonyeshwa kama: $$I = \frac{V_{bias} + \sum_{i=R,G,B} V_{ph,i}}{R_{load} + \sum_{i=R,G,B} Z_i(I_{ph,i})}$$ ambapo:

• $V_{bias}$ ni voltage yoyote ya bias iliyotumika (labda sifuri katika hali ya photovoltaic).
• $V_{ph,i}$ ni photovoltage inayozalishwa na LED ya i-th (Nyekundu, Kijani, Bluu).
• $R_{load}$ ni upinzani wa mzigo (1 MΩ).
• $Z_i(I_{ph,i})$ ni impedance changamano ya LED ya i-th, ambayo ni kazi ya sasa yake inayozalishwa na mwanga $I_{ph,i}$. $I_{ph,i}$ yenyewe inategemea nguvu ya mwanga inayoingia kwenye urefu wa wimbi ndani ya bendi ya kunyonya ya LED hiyo.

7. Mfumo wa Uchambuzi na Utafiti wa Kisa wa Dhana

Mfumo wa Kutathmini Utendaji Mwingi wa Optoelektroniki:

1. Ushirikishaji wa Kazi: Je, kifaa kinachanganya kuchochea, urekebishaji na udhibiti katika huluki moja ya kimwili? (Kichocheo hiki kina alama kubwa).
2. Kipimo cha Udhibiti: Kigezo huru cha kudhibiti majibu ni kipi? (Bias ya umeme, urefu wa wimbi, ukubwa, ubaguzi wa mwelekeo). Hapa, ni urefu wa wimbi/rangi.
3. Kutokuwa na Mstari na Faida: Je, uhusiano wa pembejeo-matokeo ni wa mstari? Faida bora ni ipi? (Kifaa hiki kinaonyesha faida wazi isiyo ya mstari, inayoweza kurekebishwa).
4. Athari ya Kiwango cha Mfumo: Inapunguza vipi sehemu za nje (vichujio, viimarishaji, visambazaji- vipokeaji tofauti)?

• Jukumu la 1 (Kipokeaji): Inapokea data ya bluu ya kasi kutoka kwa taa ya LED ya dari (VLC ya chini). Mwanga wa mazingira thabiti wa nyekundu (kutoka kwa beacon ya usalama) upo wakati huo huo, ambao makala yanaonyesha unaweza kuimarisha upokeaji wa ishara ya bluu.
• Jukumu la 2 (Kisambazaji): Nodi ile ile inarekebisha LED yake nyekundu kutuma data ya hali nyuma (juu). Mwanga wa kijani uliopokelewa (kutoka kwa ishara ya kutoka) unaweza kutumika kuzuia msogeo kutoka kwa ishara za nyekundu za nodi zingine.
• Jukumu la 3 (Kichocheo): Viwango vya DC vya mwanga wa RGB uliopokelewa hutoa data ya joto la rangi la mazingira kwa ufuatiliaji wa mazingira.

8. Matarajio ya Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Matumizi ya Haraka:

• Nodi za IoT za VLC Zilizorahisishwa: Huwezesha visambazaji- vipokeaji vidogo sana, vya gharama nafuu kwa mitandao ya vichocheo katika majengo akili, IoT ya viwanda na mawasiliano chini ya maji.
• Vichocheo vya Mwanga Vinavyotofautisha Rangi: Zaidi ya ukubwa rahisi, kwa mifumo ya taa inayojikokotoa, usawa wa onyesho, au ufuatiliaji wa kilimo.

• Uboreshaji wa Upana wa Bendi: Bainisha na tengeneza majibu ya muda mfupi. Chunguza nyenzo tofauti za semikondukta (mfano, perovskites) kwa nyakati za majibu za kasi zaidi.
• Muundo Ulioshirikishwa: Hamia kutoka kwa LED tofauti za RGB hadi chip ya makutano mengi ya monolithic yenye vichujio vya wigo vilivyoboreshwa na viunganishi.
• Kuchochea kwa Neuromorphic: Tabia ya kufungua rangi inakumbusha uzito wa synaptic. Je, safu za vichocheo kama hivi zinaweza kufanya usindikaji wa awali wa wigo au utambuzi wa muundo kwenye ukingo?
• Uwekaji wa Kawaida: Tengeneza miradi ya urekebishaji na usimbaji inayotumia kwa wazi udhibiti wa faida unaotegemea rangi kwa mawasiliano salama au ya njia nyingi, kama ilipendekezwa na kazi ya hivi karibuni katika upatikanaji mwingi wa kikoa cha mwanga.
• Ushirikishaji wa Uvunaji wa Nishati: Changanya uwezo wa kuvuna nishati ya photovoltaic na kazi ya mawasiliano kwa nodi za IoT zenye nguvu zenyewe, kufuata njia ya utafiti uliowasilishwa katika mikutano kama ISSCC kwenye vichocheo vya kuvuna nishati vya CMOS.

9. Marejeo

1. Li, S., Liang, S., & Xu, Z. (2018). Phototransistor-like Light Controllable IoT Sensor based on Series-connected RGB LEDs. arXiv:1810.08789.
2. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2018.
3. Ismail, T., et al. (2021). CMOS Image Sensors as Multi-Functional Devices for IoT: A Review. IEEE Transactions on Circuits and Systems I.
4. Zhu, J., et al. (2017). InGaAs/InP Phototransistors for High-Speed Lightwave Communication. IEEE Journal of Quantum Electronics.
5. MIT Microsystems Technology Laboratories. (2023). Research on Neuromorphic Vision Sensors. [Online]. Available: https://www.mtl.mit.edu
6. International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). (2022). Advances in Energy-Harvesting Sensor Interfaces.