Obvody LDR a pracovní princip

Jak název napovídá, LDR nebo Light Dependent Resistor je druh rezistoru, který vykazuje širokou škálu hodnot odporu v závislosti na intenzitě světla dopadajícího na jeho povrch. Variace rozsahu odporu může být kdekoli od několika set ohmů po mnoho megaohmů.

Jsou také známé jako fotorezistory. Hodnota odporu v LDR je nepřímo úměrná intenzitě světla dopadajícího na něj. To znamená, když je světlo méně, odpor je více a naopak.

LDR vnitřní konstrukce

Následující obrázek ukazuje vnitřní členitý pohled na zařízení LDR, kde vidíme fotovodivou látku nanesenou v klikatém nebo svinutém vzoru, vloženou přes keramickou izolační základnu a s koncovými body zakončenými jako vodiče zařízení.

Vzor zajišťuje maximální kontakt a interakci mezi krystalickým fotovodivým materiálem a elektrodami, které je oddělují.

Fotovodivý materiál obvykle sestává ze sulfidu kademnatého (CdS) nebo selenidu kademnatého (CdSe).

Typ a tloušťka materiálu a šířka jeho nanesené vrstvy určují rozsah hodnoty odporu LDR a také množství wattů, které dokáže zpracovat.

Dva vodiče zařízení jsou zapuštěny do neprůhledného nevodivého základu s izolovaným průhledným povlakem přes fotovodivou vrstvu.

Schematický symbol LDR je uveden níže:

Velikosti LDR

Průměr fotobuněk nebo LDR se může pohybovat od 1/8 palce (3 mm) do více než jednoho palce (25 mm). Běžně jsou k dispozici s průměrem 3/8 palce (10 mm).

LDR menší než toto se obvykle používají tam, kde může být problémem, nebo na deskách založených na SMD. Menší varianty vykazují nižší rozptyl. Můžete také najít několik variant, které jsou hermeticky uzavřeny, aby byla zajištěna spolehlivá práce i v drsných a nežádoucích podmínkách.

Porovnání charakteristik LDR s lidským okem

Výše uvedený graf poskytuje srovnání mezi charakteristikami fotocitlivých zařízení a naším okem. Graf ukazuje vykreslení relativní spektrální odezvy proti vlnové délce od 300 do 1200 nanometrů (nm).

Charakteristická křivka lidského oka indikovaná tečkovanou křivkou zvonu odhaluje skutečnost, že naše oko zvýšilo citlivost na relativně užší pásmo elektromagnetického spektra, přibližně mezi 400 a 750 nm.

Vrchol křivky má maximální hodnotu ve spektru zeleného světla v rozmezí 550 nm. To se táhne dolů do fialového spektra, které má na jedné straně rozmezí 400 až 450 nm. Na druhé straně to zasahuje do oblasti tmavě červeného světla s rozsahem mezi 700 až 780 nm.

Výše uvedený obrázek také přesně odhaluje, proč jsou fotobuňky sulfidu kademnatého (CdS) oblíbené v aplikacích s obvodem řízeným světlem: vrcholy spektrální křivky odezvy pro Cds jsou blízké 600 nm a tato specifikace je zcela identická s rozsahem lidského oka.

Ve skutečnosti mohou vrcholy křivky odezvy selenidu kademnatého (CdSe) dokonce přesahovat 720 nm.

Světelný graf odporu LDR vs.

To znamená, že CdSe může vykazovat vyšší citlivost na téměř celý rozsah spektra viditelného světla. Obecně může být charakteristická křivka fotobuňky CdS uvedena na následujícím obrázku.

Jeho odpor při absenci světla může být kolem 5 megohmů, což může klesnout na přibližně 400 ohmů za přítomnosti intenzity světla 100 luxů nebo úrovně světla ekvivalentní optimálně osvětlené místnosti a kolem 50 ohmů při intenzitě světla je až 8 000 luxů. obvykle se získává z přímého jasného slunečního světla.

Lux je jednotka SI pro osvětlení generované světelným tokem 1 lumen rovnoměrně rozloženým na plochu 1 metr čtvereční. Moderní fotobuňky nebo LDR jsou adekvátně dimenzovány na výkon a napětí, na stejné úrovni jako běžné pevné rezistory.

Kapacita rozptylu energie pro standardní LDR by mohla být kolem 50 a 500 milliwattů, což může záviset na kvalitě materiálu použitého pro detektor.

Snad jediná věc, která není tak dobrá na LDR nebo fotorezistorech, je jejich pomalá specifikace odezvy na změny světla. Fotočlánky vyrobené se selenidem kademnatým obvykle vykazují kratší časové konstanty než fotobuňky sulfidu kademnatého (přibližně 10 milisekund na rozdíl od 100 milisekund).

Můžete také najít tato zařízení, která mají nižší odpory, zvýšenou citlivost a zvýšený koeficient teplotní odolnosti.

Hlavní aplikace, ve kterých jsou fotobuňky obvykle implementovány, jsou fotografické expozimetry, světelné a tmavé spínače pro ovládání pouliční osvětlení a poplašná zařízení proti vloupání. V některých aplikacích aktivovaných světlem se systém spouští přerušením světelného paprsku.

Můžete také narazit na kouřové poplachy založené na odrazu pomocí fotobuněk.

LDR aplikační obvody

Následující obrázky ukazují několik zajímavých praktických obvodů aplikace fotobuněk.

Světlo aktivované relé

TRANSISTOR MŮŽE BÝT JAKÝKOLI MALÝ TYP SIGNÁLU, JAKO BC547

Přímý obvod LDR uvedený na výše uvedeném obrázku je zkonstruován tak, aby reagoval vždy, když světlo dopadne na LDR instalovaný do normálně tmavé dutiny, například do skříně nebo krytu.

Fotobuňka R1 a rezistor R2 vytvářejí dělič potenciálu, který opravuje základní zkreslení Q1. Když je tma, fotobuňka vykazuje zvýšený odpor, což vede k nulovému zkreslení na základně Q1, díky čemuž Q1 a relé RY1 zůstávají vypnuté.

V případě, že je na fotobuňce LDR detekována adekvátní úroveň světla, její úroveň odporu rychle klesne na některé nižší hodnoty. a je možné, aby předpínací potenciál dosáhl základny Q1. Tím se sepne relé RY1, jehož kontakty slouží k ovládání externího obvodu nebo zátěže.

Darkness Activated Relay

Následující obrázek ukazuje, jak lze první obvod přeměnit na reléový obvod aktivovaný tmou.

V tomto příkladu se relé aktivuje při nepřítomnosti světla na LDR. R1 se používá k úpravě nastavení citlivosti obvodu. Rezistor R2 a fotobuňka R3 fungují jako dělič napětí.

Napětí na křižovatce R2 a R3 stoupá, když světlo dopadá na R3, který je vyrovnáván sledovač emitorů Q1. Výstup emitoru jednotek Q1 společný emitorový zesilovač Q2 přes R4 a odpovídajícím způsobem ovládá relé.

Přesný detektor světla LDR

I když jsou jednoduché, výše uvedené obvody LDR jsou citlivé na změny napájecího napětí a také na změny okolní teploty.

Následující diagram ukazuje, jak by bylo možné tuto nevýhodu řešit citlivým přesným světelně aktivovaným obvodem, který by fungoval, aniž by byl ovlivněn změnami napětí nebo teploty.

V tomto obvodu jsou LDR R5, pot R6 a odpory R1 a R2 navzájem konfigurovány ve formě Wheatstoneovy můstkové sítě.

Operační zesilovač ICI spolu s tranzistorem Q1 a relé RY1 práce jako velmi citlivý spínač detekce rovnováhy.

Vyvažovací bod můstku není ovlivněn, bez ohledu na kolísání napájecího napětí nebo atmosférické teploty.

Je to ovlivněno pouze změnami relativních hodnot komponent přidružených k mostní síti.

V tomto příkladu tvoří LDR R5 a pot R6 jedno rameno Wheatstoneova můstku. R1 a R2 tvoří druhé rameno mostu. Tato dvě ramena fungují jako děliče napětí. Rameno R1 / R2 vytváří konstantní 50% napájecí napětí na neinvertující vstup operačního zesilovače.

Dělič potenciálu tvořený bankou a LDR generuje proměnné napětí závislé na světle na invertující vstup operačního zesilovače.

Nastavení obvodu, potenciometr R6 je upraven tak, aby potenciál na křižovatce R5 a R6 šel vyšší než potenciál na pin3, když požadované množství okolního světla dopadá na LDR.

Když k tomu dojde, výstup operačního zesilovače okamžitě změní stav z kladného na 0 V, sepnutím Q1 a připojeného relé. Relé aktivuje a vypíná zátěž, kterou by mohla být lampa.

Tento obvod LDR založený na operačním zesilovači je velmi přesný a bude reagovat i na drobné změny intenzity světla, které lidské oko nedokáže detekovat.

Výše uvedený design operačního zesilovače lze snadno transformovat na relé aktivované tmou buď záměnou připojení pin2 a pin3, nebo záměnou pozic R5 a R6, jak je ukázáno níže:

Přidání funkce hystereze

V případě potřeby lze tento obvod LDR upgradovat pomocí a funkce hystereze jak ukazuje následující diagram. Toho se dosáhne zavedením zpětnovazebního rezistoru R5 přes výstupní pin a pin3 IC.

V tomto provedení relé pracuje normálně, když intenzita světla překročí nastavenou úroveň. Pokud však světlo na LDR poklesne a sníží se, než je přednastavená hodnota, nevypne relé kvůli hysterezní efekt .

Relé se vypne pouze tehdy, když světlo kleslo na výrazně nižší úroveň, která je určena hodnotou R5. Nižší hodnoty způsobí více zpoždění zpoždění (hystereze) a naopak.

Kombinace aktivačních funkcí světla a tmy v jednom

Tento design je přesným relé světlo / tma je navržen kombinací dříve vysvětlených obvodů spínače tma / světlo. V zásadě je to komparátor oken obvod.

Relé RY1 se sepne, když buď úroveň světla na LDR překročí jedno z nastavení hrnce, nebo poklesne pod jinou hodnotu nastavení hrnce.

Pot R1 určuje úroveň aktivace tmy, zatímco pot R3 nastavuje prahovou hodnotu pro aktivaci úrovně světla relé. Hrnec R2 se používá k nastavení napájecího napětí do obvodu.

Procedura nastavení zahrnuje nastavení prvního přednastaveného potenciometru R2 tak, aby přibližně polovina napájecího napětí byla zavedena na křižovatku LDR R6 a potenciometru R2, když LDR přijímá světlo na určité normální intenzitě.

Potenciometr R1 je následně nastaven tak, že relé RY1 sepne, jakmile LDR detekuje světlo pod preferovanou úrovní tmy.

Podobně lze nastavit potenciometr R3 tak, aby relé RY1 bylo sepnuto na zamýšlené úrovni jasu.

Obvod alarmu spuštěný světlem

Nyní se podívejme, jak lze LDR použít jako světelný poplachový obvod.

Zvonek alarmu nebo bzučák by měl být přerušovaný, což znamená znějící s nepřetržitým opakováním ZAPNUTO / VYPNUTO, a dimenzován tak, aby fungoval s proudem menším než 2 ampéry. LDR R3 a rezistor R2 tvoří síť děliče napětí.

Za špatných světelných podmínek je fotobuňka nebo odpor LDR vysoký, což způsobuje, že napětí na křižovatce R3 a R2 není dostatečné pro spuštění připojené brány SCR1.

Když je dopadající světlo jasnější, odpor LDR poklesne na úroveň dostatečnou pro spuštění SCR, který se zapne a aktivuje alarm.

Naopak, když se setmí, vzroste odpor LDR a vypne se SCR a alarm.

Je důležité si uvědomit, že SCR se zde vypne pouze proto, že alarm je přerušovaný typ, který pomáhá rozbít západku SCR při nepřítomnosti hradlového proudu a vypnout SCR.

Přidání ovládacího prvku citlivosti

Výše uvedený alarmový obvod SCR LDR je poměrně hrubý a vyznačuje se velmi nízkou citlivostí a také postrádá kontrolu citlivosti. Následující obrázek níže ukazuje, jak by bylo možné design vylepšit zmíněnými funkcemi.

Zde je pevný rezistor v předchozím schématu nahrazen potenciometrem R6 a vyrovnávací BJT stupeň zavedený přes Q1 mezi bránu SCR a výstup LDR.

Kromě toho můžeme vidět vypínač A1 a R4 paralelně se zvonkem nebo výstražným zařízením. Tato fáze umožňuje uživateli převést systém na blokovací alarm bez ohledu na přerušovanou povahu zvonového zařízení.

Rezistor R4 zajišťuje, že i když zvonek zvoní v samovolném přerušovacím zvuku, blokovací anodový proud se nikdy nezlomí a SCR zůstane zablokovaný, jakmile je spuštěn ON.

S1 se používá k manuálnímu přerušení západky a vypnutí SCR a alarmu.

Za účelem dalšího zlepšení výše vysvětleného alarmu aktivovaného světlem SCR se zvýšenou přesností lze přidat spouštění založené na operačním zesilovači, jak je uvedeno níže. Práce obvodu je podobná dříve diskutovaným návrhům aktivovaným světlem LDR.

Alarmový obvod LDR s výstupem pulzních tónů

Toto je další tmavý aktivovaný poplachový obvod s integrovaným nízkoenergetickým pulzním generátorem 800 Hz pro řízení hlasitého reproduktoru.

Dvě brány NOR IC1-c a ICI-d jsou konfigurovány jako astabilní multivibrátor pro generování frekvence 800 Hz. Tato frekvence je přiváděna do reproduktoru pomocí malého zesilovače signálu pomocí BJT Q1.

Výše uvedený stupeň brány NOR je aktivován, pouze pokud je výstup IC 1-b nízký nebo 0V. Další dvě brány NOR IC 1-a a IC1-b jsou podobně zapojeny jako astabilní multivibrátor pro vytváření pulzního výstupu 6 Hz a jsou také povoleny, pouze když je hradlový kolík 1 zatažen nízko nebo při 0V.

Pin1 může být viděn zmanipulovaný pomocí spojení děliče potenciálu tvořeného LDR R4 a potem R5.

Funguje to takto: Když je světlo na LDR dostatečně jasné, potenciál spojení je vysoký, což udržuje oba astabilní multivibrátory deaktivované, což znamená, že z reproduktoru nevychází žádný zvukový výstup.

Když však úroveň světla klesne pod přednastavenou úroveň, křižovatka R4 / R5 se dostatečně sníží, což aktivuje neuvěřitelných 6 Hz. Tento astabilní nyní začíná hradlovat nebo přepínat 800 Hz astabilní rychlostí 6 Hz. To má za následek multiplexovaný 800 Hz tón reproduktoru, pulzující při 6 Hz.

Chcete-li do výše uvedeného designu přidat západku, jednoduše přidejte přepínač S1 a rezistor R1, jak je uvedeno níže:

Pro získání hlasitého a zesíleného zvuku z reproduktoru lze stejný obvod upgradovat pomocí vylepšeného výstupního tranzistorového stupně, jak je znázorněno níže:

V naší dřívější diskusi jsme se dozvěděli, jak lze operační zesilovač použít ke zvýšení přesnosti detekce světla LDR. Totéž lze použít ve výše uvedeném návrhu k vytvoření vysoce přesného obvodu detektoru pulzního tónu světla

Obvod alarmu LDR

Níže je vidět jednoduchý obvod alarmu proti vloupání světelného paprsku LDR.

Za normálních okolností fotobuňka nebo LDR přijímá požadované množství světla instalovaným zdrojem světelného paprsku. To může být z a laserový paprsek zdroj také.

To udržuje jeho nízký odpor a to také produkuje nedostatečně nízký potenciál na křižovatce R4 a fotobuňce R5. Z tohoto důvodu zůstávají SCR spolu se zvonkem deaktivovány.

V případě přerušení světelného paprsku však dojde ke zvýšení odporu LDR, což výrazně zvýší potenciál spojení R4 a R5.

To okamžitě spustí SCR1 zapnutím poplašného zvonu. Rezistor R3 v sérii se spínačem S1 jsou zavedeny, aby umožnily trvalé zablokování alarmu.

Shrnutí specifikací LDR

Existuje mnoho různých jmen, kterými jsou známy LDR (Light Dependent Resistors), které zahrnují názvy jako fotorezistor, fotobuňka, fotovodivý článek a fotovodič.

Obvykle je nejběžnějším a nejčastěji používaným termínem v pokynech a technických listech název „fotobuňka“.

Existuje řada použití, na které lze použít LDR nebo fotorezistor, protože tato zařízení jsou dobrá svými fotocitlivými vlastnostmi a jsou také k dispozici za nízkou cenu.

LDR by tedy mohla zůstat populární po dlouhou dobu a široce se používat v aplikacích, jako jsou fotografické měřiče světla, detektory vloupání a kouře, v pouličních lampách pro ovládání osvětlení, detektory plamene a čtečky karet.

Obecný termín „fotobuňka“ se používá pro rezistory závislé na světle v obecné literatuře.

Objev LDR

Jak bylo diskutováno výše, LDR zůstává po dlouhou dobu oblíbeným mezi fotobuňkami. Rané formy fotorezistorů byly vyrobeny a uvedeny na trh počátkem devatenáctého století.

To bylo vyrobeno objevem „fotovodivosti selenu“ v roce 1873 vědcem jménem Smith.

Od té doby byla vyrobena celá řada různých fotovodivých zařízení. Na počátku dvacátého století došlo v této oblasti k významnému pokroku, zejména v roce 1920 renomovaným vědcem T.W. Případ, který pracoval na fenoménu fotovodivosti a na svém příspěvku „Thalofide Cell - a new photoelectric cell“ byl publikován v roce 1920.

Během příštích dvou desetiletí ve 40. a 30. letech byla pro vývoj fotobuněk studována řada dalších relevantních látek, které zahrnovaly PbTe, PbS a PbSe. Dále v roce 1952 vyvinuli fotovodiče polovodičovou verzi těchto zařízení Simmons a Rollin s použitím germania a křemíku.

Symbol rezistorů závislých na světle

Symbol obvodu, který se používá pro fotorezistor nebo rezistor závislý na světle, je kombinací animovaného rezistoru, který označuje, že fotorezistor je v přírodě citlivý na světlo.

Základní symbol rezistoru závislého na světle se skládá z obdélníku, který symbolizuje funkci rezistoru LDR. Symbol se dále skládá ze dvou šipek v příchozím směru.

Stejný symbol se používá k symbolizaci citlivosti na světlo ve fototranzistorech a fotodiodách.

Symbol „rezistoru a šipek“, jak je popsán výše, používají rezistory závislé na světle ve většině svých aplikací.

Existuje však několik případů, kdy symbol používaný rezistory závislými na světle zobrazuje odpor uzavřený v kruhu. To je patrné v případě, že jsou nakreslena schémata zapojení.

Symbol, kde kolem rezistoru chybí kruh, je ale běžnějším symbolem používaným fotorezistory.

Technické specifikace

Povrch LDR je tvořen dvěma fotovodivými buňkami obsahujícími sulfid kademnatý (cds), které mají spektrální odezvy srovnatelné s odezvou lidského oka. Odpor buněk klesá lineárně se zvyšováním intenzity světla na jeho povrchu.

Fotovodič, který je umístěn mezi dvěma kontakty, se používá jako hlavní citlivá složka fotobuňkou nebo fotorezistorem. The odpor fotorezistorů podléhá změně když je fotorezistor vystaven světlu.

Fotovodivost: Elektronové nosiče se generují, když použité polovodičové materiály fotovodiče absorbují fotony, což vede k mechanismu, který pracuje za rezistory závislými na světle.

I když zjistíte, že materiály, které používají fotorezistory, jsou různé, jsou to většinou všechny polovodiče.

Pokud se používají ve formě fotorezistorů, působí tyto materiály jako odporové prvky pouze tam, kde chybí PN přechody. Výsledkem je, že se zařízení stane zcela pasivním.

Fotorezistory nebo fotovodiče jsou v zásadě dvou typů:

Vnitřní fotorezistor: Fotovodivý materiál, který se používá u konkrétního typu fotorezistoru, umožňuje, aby se nosiče náboje vzrušily a skočily na vodivá pásma z jejich počátečních valenčních vazeb.

Vnější fotorezistor: Fotovodivý materiál, který se používá u konkrétního typu fotorezistoru, umožňuje, aby se nosiče náboje vzrušily a skočily na vodivá pásma z jejich počátečních valenčních vazeb, respektive nečistot.

Tento proces vyžaduje neionizované příměsi nečistot, které jsou také mělké, a vyžaduje, aby k tomu došlo, když je přítomno světlo.

Konstrukce fotobuněk nebo vnějších fotorezistorů se provádí konkrétně s ohledem na záření o dlouhé vlnové délce, jako je infračervené záření ve většině případů.

Navrhování však také bere v úvahu skutečnost, že je třeba se vyhnout jakémukoli typu generování tepla, protože je vyžadováno, aby fungovaly při velmi nízkých teplotách.

Základní struktura LDR

Počet přírodních metod, které se běžně pozorují při výrobě fotorezistorů nebo rezistorů závislých na světle, je velmi málo.

Odolný materiál citlivý na světlo je využíván rezistory závislými na světle pro konstantní vystavení světlu. Jak bylo diskutováno výše, existuje specifická část, která je zpracovávána na světlo citlivý odporový materiál, který je vyžadován pro kontakt s oběma nebo s jedním z konců svorek.

Polovodičová vrstva, která je aktivní v přírodě, se používá v obecné struktuře fotorezistoru nebo rezistoru závislého na světle a izolační substrát se dále používá pro nanášení polovodičové vrstvy.

Aby byla zajištěna vodivost požadované úrovně polovodičové vrstvy, je první vrstva lehce dotována. Poté jsou svorky vhodně připojeny přes oba konce.

Jedním z klíčových problémů v základní struktuře rezistoru nebo fotobuňky závislé na světle je odolnost materiálu.

Kontaktní plocha odporového materiálu je minimalizována, aby bylo zajištěno, že když je zařízení vystaveno světlu, podstoupí účinně změnu svého odporu. K dosažení tohoto stavu je zajištěno, že okolí kontaktů je silně dotováno, což má za následek snížení odporu v dané oblasti.

Tvar okolní oblasti kontaktu je navržen tak, aby byl většinou v interdigitálním vzoru nebo ve tvaru cik caku.

To umožňuje maximalizaci exponované oblasti spolu se snížením úrovní rušivého odporu, což má za následek zvýšení zisku zmenšením vzdálenosti mezi dvěma kontakty fotorezistoru a jejím zmenšením.

Existuje také možnost použití polovodičového materiálu, jako je například polykrystalický polovodič, nanášení na substrát. Jedním ze substrátů, které lze k tomu použít, je keramika. To umožňuje, aby rezistor závislý na světle měl nízkou cenu.

Kde se používají fotorezistory

Nejatraktivnějším bodem rezistoru závislého na světle nebo fotorezistoru je to, že je levný a je proto široce používán v různých konstrukcích elektronických obvodů.

Kromě toho jim jejich robustní vlastnosti a jednoduchá struktura poskytují také výhodu.

Přestože fotorezistor postrádá různé vlastnosti, které se nacházejí ve fototranzistoru a fotodiodě, je stále ideální volbou pro různé aplikace.

LDR se tak nepřetržitě používá po dlouhou dobu v řadě aplikací, jako jsou fotografické měřiče světla, detektory vloupání a kouře, v pouličních lampách pro ovládání osvětlení, detektory plamene a čtečky karet.

Faktor, který určuje vlastnosti fotorezistoru, je typ použitého materiálu, a proto se vlastnosti mohou podle toho měnit. Některé materiály používané fotorezistory mají velmi dlouhé konstanty.

Je tedy zásadní, aby byl typ fotorezistoru pečlivě vybrán pro konkrétní aplikace nebo obvody.

Balení

Odpor závislý na světle nebo LDR je jedním z velmi užitečných snímacích zařízení, které lze implementovat mnoha různými způsoby pro zpracování intenzity světla. Zařízení je ve srovnání s jinými světelnými senzory levnější, přesto je schopné poskytovat požadované služby s maximální efektivitou.

Výše diskutované obvody LDR jsou jen několika příklady, které vysvětlují základní režim používání LDR v praktických obvodech. Diskutovaná data lze studovat a přizpůsobit několika způsoby pro mnoho zajímavých aplikací. Máte dotazy? Nebojte se vyjádřit prostřednictvím pole pro komentář.