LDR схеми и принцип на работа

Както подсказва името, LDR или светлозависим резистор е един вид резистор, който показва широк диапазон от стойности на съпротивление в зависимост от интензивността на светлината, падаща върху повърхността му. Разликата в диапазона на съпротивлението може да бъде от няколкостотин ома до много мегаома.

Те са известни още като фоторезистори. Стойността на съпротивлението в LDR е обратно пропорционална на интензитета на падащата върху него светлина. Смисъл, когато светлината е по-малка, съпротивлението е повече и обратно.

LDR Вътрешно строителство

Следващата фигура показва вътрешния разчленен изглед на LDR устройство, при което можем да видим фотопроводимото вещество, приложено в зигзагообразен или навита шарка, вградено върху керамична изолационна основа и с крайните точки, завършени като изводи на устройството.

Моделът осигурява максимален контакт и взаимодействие между кристалния фотопроводим материал и електродите, които ги разделят.

Фотопроводимият материал обикновено се състои от кадмиев сулфид (CdS) или кадмиев селенид (CdSe).

Видът и дебелината на материала и ширината на нанесения му слой определят диапазона на стойността на LDR съпротивление, както и количеството ватове, които той може да обработи.

Двата извода на устройството са вградени в непрозрачна непроводяща основа с изолирано прозрачно покритие върху фотопроводимия слой.

Схематичният символ на LDR е показан по-долу:

LDR размери

Диаметърът на фотоклетките или LDR може да варира от 1/8 инча (3 мм) до над един инч (25 мм). Обикновено те се предлагат с диаметър 3/8 инча (10 мм).

LDR, по-малки от това, обикновено се използват там, където пространството може да представлява проблем или в SMD базирани платки. По-малките варианти показват по-ниско разсейване. Можете също така да намерите няколко варианта, които са херметически затворени, за да осигурят надеждна работа дори при сурови и нежелани условия.

Сравняване на характеристиките на LDR с човешкото око

Графиката по-горе предоставя сравнение между характеристиките на фоточувствителните устройства и нашето око. Графиката показва графиката на относителната спектрална реакция спрямо дължината на вълната от 300 до 1200 нанометра (nm).

Характерната за човешкото око форма на вълната, обозначена с пунктирана криволичеста крива, разкрива факта, че нашето око има повишена чувствителност към относително по-тясна лента от електромагнитния спектър, приблизително между 400 и 750 nm.

Пикът на кривата има максимална стойност в спектъра на зелена светлина в рамките на 550 nm. Това се простира до виолетовия спектър с обхват между 400 и 450 nm от едната страна. От другата страна това се простира в областта на тъмночервената светлина с обхват между 700 и 780 nm.

Фигурата по-горе също така разкрива защо фотоклетките на кадмиев сулфид (CdS) са склонни да бъдат фаворити в приложението на контролирана от светлината схема: пиковете на спектралната крива на реакция за Cds са близо 600 nm и тази спецификация е съвсем идентична с обхвата на човешкото око.

Всъщност пиковете на кривата на реакция на кадмиевия селенид (CdSe) могат дори да надхвърлят 720 nm.

LDR Resistance Vs Light Graph

Това каза, че CdSe може да прояви по-висока чувствителност към почти целия диапазон на спектъра на видимата светлина. По принцип характеристичната крива на CdS фотоклетка може да бъде, както е дадено на следващата фигура.

Неговото съпротивление при липса на светлина може да бъде около 5 мегаома, което може да спадне до около 400 ома при наличие на интензитет на светлината от 100 лукса или ниво на светлина, еквивалентно на оптимално осветена стая, и около 50 ома, когато интензивността на светлината е до 8000 лукса. обикновено се получава от пряка ярка слънчева светлина.

Lux е SI единицата за осветеност, генерирана от светлинен поток от 1 лумен, равномерно разпределен върху повърхност от 1 кв. Метър. Съвременните фотоклетки или LDR са адекватно оценени за мощност и напрежение, наравно с нормалните резистори от фиксиран тип.

Капацитетът за разсейване на мощност за стандартен LDR може да бъде около 50 и 500 миливата, което може да зависи от качеството на материала, използван за детектора.

Може би единственото нещо, което не е толкова добро за LDR или фоторезисторите, е тяхната спецификация за бавен отговор на промени в светлината. Фотоклетките, построени с кадмий-селенид, обикновено показват по-кратки времеви константи от фотоклетките на кадмий-сулфид (приблизително 10 милисекунди за разлика от 100 милисекунди).

Можете също така да намерите тези устройства с по-ниско съпротивление, повишена чувствителност и повишен коефициент на устойчивост на температура.

Основните приложения, при които фотоклетките обикновено се прилагат, са фотографските експонатори, светлинни и тъмни активирани превключватели за контрол улични светлини и аларми за взлом. В някои алармени приложения, активирани със светлина, системата се задейства чрез прекъсване на светлинен лъч.

Може да срещнете и аларми за дим, базирани на отражение, използвайки фотоклетки.

Вериги на LDR приложения

Следващите изображения показват няколко от интересните практически схеми за приложение на фотоклетки.

Леко активирано реле

ТРАНЗИСТОРЪТ МОЖЕ ДА БЪДЕ ВСЯКИ МАЛЪК ТИП НА СИГНАЛА КАТО BC547

Простата LDR верига, посочена на горната фигура, е изградена да реагира винаги, когато светлината попадне върху LDR, инсталиран в нормално тъмна кухина, например вътре в кутия или корпус.

Фотоклетката R1 и резисторът R2 създават потенциален разделител, който фиксира основното отклонение на Q1. Когато е тъмно, фотоклетката проявява повишено съпротивление, което води до нулево отклонение на основата на Q1, поради което Q1 и релето RY1 остават изключени.

В случай, че на фотоклетката LDR бъде открито адекватно ниво на светлина, нивото на съпротивление бързо пада до някои по-ниски величини. и потенциалът за отклонение е разрешен да достигне основата на Q1. Това включва реле RY1, чиито контакти се използват за управление на външна верига или товар.

Реле, активирано с тъмнина

Следващата фигура показва как първата верига може да се трансформира в релейна верига, активирана от тъмнина.

В този пример релето се активира при липса на светлина върху LDR. R1 се използва за регулиране на настройката на чувствителността на веригата. Резисторът R2 и фотоклетката R3 работят като делител на напрежението.

Напрежението на кръстовището на R2 и R3 се повишава, когато светлината падне върху R3, който се буферира от последовател на излъчвателя Q1. Изходът на излъчвателя на Q1 задвижвания усилвател с общ емитер Q2 през R4 и съответно управлява релето.

Прецизен LDR светлинен детектор

Макар и прости, горните LDR вериги са уязвими от промени в захранващото напрежение, както и от промени в околната температура.

Следващата диаграма показва как недостатъкът може да бъде преодолян чрез чувствително прецизна светлинно активирана верига, която би работила, без да се влияе от колебанията в напрежението или температурата.

В тази схема LDR R5, пот R6 и резистори R1 и R2 са конфигурирани помежду си под формата на мостова мрежа на Уитстоун.

Операционният усилвател ICI заедно с транзистора Q1 и реле RY1 работа като много чувствителен превключвател за откриване на баланс.

Точката на балансиране на моста не се влияе, независимо от вариациите в захранващото напрежение или атмосферната температура.

Това се осъществява само от промените в относителните стойности на компонентите, свързани с мостовата мрежа.

В този пример LDR R5 и гърнето R6 съставляват едно рамо на моста Wheatstone. R1 и R2 образуват второто рамо на моста. Тези две рамена действат като разделители на напрежението. R1 / R2 рамото установява постоянно 50% захранващо напрежение към неинвертиращия вход на операционния усилвател.

Потенциалният разделител, образуван от пота и LDR, генерира зависимо от светлината променливо напрежение към инвертиращия вход на операционния усилвател.

Настройката на веригата, гърне R6 се регулира така, че потенциалът на кръстовището на R5 и R6 да надвиши потенциала на щифт 3, когато желаното количество околна светлина попадне върху LDR.

Когато това се случи, изходът на операционния усилвател незабавно променя състоянието от положително на 0V, като включва Q1 и свързаното реле. Релето активира и изключва товара, който може да бъде лампа.

Тази LDR схема, базирана на операционен усилвател, е много прецизна и ще реагира дори на малки промени в интензитета на светлината, които не могат да бъдат открити от човешкото око.

Горният дизайн на операционния усилвател може лесно да се трансформира в реле, активирано от тъмнина, или чрез размяна на връзки pin2 и pin3, или чрез смяна на позициите R5 и R6, както е показано по-долу:

Добавяне на функция за хистерезис

Ако е необходимо, тази LDR схема може да бъде надстроена с функция на хистерезис както е показано на следващата диаграма. Това се прави чрез въвеждане на резистор за обратна връзка R5 през изходния щифт и pin3 на IC.

В този дизайн релето се задейства нормално, когато интензитетът на светлината надвиши предварително зададеното ниво. Когато обаче светлината на LDR падне и намалее от предварително зададената стойност, тя не изключва релето поради хистерезисен ефект .

Релето се изключва само когато светлината е паднала до значително по-ниско ниво, което се определя от стойността на R5. По-ниските стойности ще доведат до по-голямо забавяне (хистерезис) и обратно.

Комбиниране на функции за активиране на светлина и тъмнина в едно

Този дизайн е прецизно реле за светлина / тъмнина е проектирано чрез комбиниране на обяснените по-рано схеми за превключване на тъмно и светло. По принцип това е a прозорец за сравнение верига.

Релето RY1 се включва, когато или нивото на светлината на LDR надвиши една от настройките на гърнето или падне под стойността на настройката на другия съд.

Пот R1 определя нивото на активиране на тъмнината, докато гърнето R3 задава прага за активиране на нивото на осветеност на релето. Гърнето R2 се използва за регулиране на захранващото напрежение към веригата.

Процедурата за настройка включва настройка на първия предварително зададен пот R2, така че приблизително половината захранващо напрежение да бъде въведено в LDR R6 и прехода R2, когато LDR получава светлина с някакво нормално ниво на интензитет.

Потенциометърът R1 впоследствие се настройва така, че релето RY1 се включва веднага щом LDR открие светлина под предпочитаното ниво на тъмнина.

По същия начин, гърнето R3 може да бъде настроено така, че релето RY1 да е включено на предвиденото ниво на яркост.

Алармена верига, задействана от светлина

Сега нека видим как LDR може да се приложи като светлинно активирана алармена верига.

Аларменият звънец или зумерът трябва да бъде с прекъсвания, което означава да звучи с непрекъснати повторения ON / OFF и да е класиран да работи с ток под 2 ампера. LDR R3 и резистор R2 правят мрежа за разделяне на напрежението.

При условия на слаба светлина съпротивлението на фотоклетката или LDR е високо, което води до недостатъчно напрежение на R3 и R2 кръстовището, за да задейства прикрепения SCR1 порта.

Когато падащата светлина е по-ярка, съпротивлението на LDR пада до ниво, достатъчно за задействане на SCR, който се включва и активира алармата.

За разлика от това, когато потъмнее, LDR съпротивлението се увеличава, изключвайки SCR и алармата.

Важно е да се отбележи, че SCR тук се изключва само защото алармата е с прекъсвания, която помага да се счупи ключалката на SCR при липса на ток на затвора, изключвайки SCR.

Добавяне на контрол на чувствителността

Горната алармена верига SCR LDR е доста груба и се отличава с много ниска чувствителност и също така няма контрол на чувствителността. Следващата фигура по-долу разкрива как дизайнът може да бъде подобрен със споменатите функции.

Тук фиксираният резистор в предишната диаграма е заменен с пот R6 и буферен BJT етап, въведен през Q1 между портата на SCR и изхода LDR.

Освен това можем да видим бутон за изключване A1 и R4 успоредно на камбаната или аларменото устройство. Този етап позволява на потребителя да преобразува системата в заключваща аларма, независимо от прекъсващия характер на камбанното устройство.

Резисторът R4 гарантира, че дори докато камбаната звъни със самопрекъсващ звук, токът на анодиращия анод никога не се счупва и SCR остава заключен, след като се включи.

S1 се използва за ръчно счупване на ключалката и изключване на SCR и алармата.

За да се подобри допълнително описаната по-горе SCR светлинна аларма с подобрена прецизност, може да се добави задействане, основано на операционен усилвател, както е показано по-долу. Работата на веригата е подобна на обсъжданите по-рано LDR светлинно активирани конструкции.

LDR алармена схема с импулсен тонов изход

Това е поредната алармена верига, включваща вграден импулсен генератор с ниска мощност 800 Hz за задвижване на високоговорител.

Два NOR порта IC1-c и ICI-d са конфигурирани като нестабилен мултивибратор за генериране на честота от 800 Hz. Тази честота се подава в високоговорителя чрез малък усилвател на сигнала с помощта на BJT Q1.

Горният етап на NOR порта се активира само докато изходът на IC 1-b стане нисък или 0V. Другите два NOR порта IC 1-a и IC1-b са свързани по подобен начин като нестабилен мултивибратор за генериране на импулсен изход от 6 Hz и също е активиран само когато щифтът на порта 1 е изтеглен ниско или при 0V.

Pin1 може да се види монтиран с потенциално разделително кръстовище, образувано от LDR R4 и гърне R5.

Работи по следния начин: Когато светлината на LDR е достатъчно ярка, потенциалът за свързване е висок, което прави деактивирани и двете нестабилни мултивибратори, което означава, че няма звук, извеждан от високоговорителя.

Когато обаче нивото на светлината падне под предварително зададеното ниво, R4 / R5 кръстовището става достатъчно по-ниско, което активира 6 Hz нестабилно. Този астабил сега започва да затваря или превключва 800 Hz нестабилен със скорост 6 Hz. Това води до мултиплексиран 800 Hz тон на високоговорителя, импулсен при 6 Hz.

За да добавите заключващо устройство към горния дизайн, просто добавете превключвателя S1 и резистора R1, както е дадено по-долу:

За да получите силен, усилен звук от високоговорителя, същата верига може да бъде надстроена с подобрен изходен транзисторен каскад, както е показано по-долу:

В нашата по-ранна дискусия научихме как операционният усилвател може да се използва за подобряване на точността на LDR за откриване на светлина. Същото може да се приложи в горния дизайн, за да се създаде супер прецизна верига на светлинния детектор на импулсен тон

LDR Алармена схема

Обикновена LDR верига за алармена прекъсване на светлинен лъч може да се види по-долу.

Обикновено фотоклетката или LDR получава необходимото количество светлина през инсталирания източник на светлинен лъч. Това може да бъде от лазерен лъч източник също.

Това поддържа неговото съпротивление на ниско ниво, а това също води до недостатъчно нисък потенциал на кръстовището R4 и фотоклетката R5. Поради това SCR заедно със звънеца остават деактивирани.

Въпреки това, в случай, че светлинният лъч се прекъсне, причината за увеличаване на съпротивлението на LDR, значително повишава потенциала на свързване на R4 и R5.

Това незабавно задейства включването на алармения звън на SCR1. Въвеждат се резистор R3 последователно с превключвател S1, за да се осигури постоянно фиксиране на алармата.

Обобщаване на спецификациите на LDR

Има много различни имена, с които са известни LDR (светлозависимите резистори), които включват имена като фоторезистор, фотоклетка, фотопроводима клетка и фотопроводник.

Обикновено терминът, който е най-разпространен и се използва най-популярно в инструкциите и таблиците с данни, е името „фотоклетка“.

Съществуват различни приложения, към които може да се приложи LDR или фоторезисторът, тъй като тези устройства са добри със своите фоточувствителни свойства и също се предлагат на ниска цена.

По този начин LDR може да остане популярен за дълъг период от време и широко използван в приложения като фотографски светломери, детектори за взлом и дим, в улични лампи за управление на осветлението, детектори на пламък и четци на карти.

Общият термин на „фотоклетка“ се използва за резистори, зависими от светлината, в общата литература.

Откриване на LDR

Както беше обсъдено по-горе, LDR остава фаворит сред фотоклетките за дълъг период от време. Ранните форми на фоторезисторите са произведени и представени на пазара в началото на XIX век.

Това е произведено чрез откриването на „фотопроводимостта на селена“ през 1873 г. от учения на име Смит.

Оттогава се произвеждат широка гама от различни фотопроводими устройства. Важен напредък в тази област е постигнат в началото на ХХ век, особено през 1920 г. от известния учен T.W. Казус, който е работил върху феномена на фотопроводимостта и неговата книга „Thalofide Cell - нова фотоелектрическа клетка“ е публикувана през 1920 г.

През следващите две десетилетия през 40-те и 30-те години на миналия век бяха проучени редица други подходящи вещества за разработване на фотоклетки, които включват PbTe, PbS и PbSe. По-нататък през 1952 г. фотопроводниците, полупроводниковата версия на тези устройства, са разработени от Симънс и Ролин, използвайки германий и силиций.

Символ на зависимите от светлината резистори

Символът на веригата, който се използва за фоторезистора или светлозависимия резистор, е комбинация от резистор, анимиран, за да покаже, че фоторезисторът е чувствителен към светлина.

Основният символ на светлинно зависимия резистор се състои от правоъгълник, който символизира функцията на резистора на LDR. Символът допълнително се състои от две стрелки във входящата посока.

Същият символ се използва за символизиране на чувствителността към светлина във фототранзисторите и фотодиодите.

Символът на „резистора и стрелките“, както е описан по-горе, се използва от резисторите, зависими от светлината, в повечето от техните приложения.

Но има малко случаи, когато символът, използван от светлинно зависимите резистори, изобразява резистора, обвит в кръг. Това е очевидно в случая, когато се изготвят електрически схеми.

Но символът, при който липсва кръг около резистора, е по-често срещан символ, използван от фоторезисторите.

Технически спецификации

Повърхността на LDR е изградена с две фотопроводими клетки с кадмиев сулфид (cds) със спектрален отговор, сравним с този на човешкото око. Съпротивлението на клетките намалява линейно, тъй като интензивността на светлината се увеличава на повърхността му.

Фотопроводникът, който е поставен между двата контакта, се използва като основен отзивчив компонент от фотоклетката или фоторезистора. The съпротивлението на фоторезисторите претърпява промяна когато има излагане на фоторезистора на светлината.

Фотопроводимост: Електронните носители се генерират, когато използваните полупроводникови материали на фотопроводника абсорбират фотоните и това води до механизма, който работи зад светлозависимите резистори.

Въпреки че може да откриете, че използваните от фоторезисторите материали са различни, те са предимно всички полупроводници.

Когато се използват под формата на фоторезистори, тогава тези материали действат като резистивни елементи само там, където липсват PN съединения. Това води до това устройството да стане изцяло пасивно по своята същност.

Фоторезисторите или фотопроводниците са основно два вида:

Вътрешен фоторезистор: Фотопроводимият материал, който се използва от специфичен тип фоторезистор, позволява на носителите на заряд да се възбудят и да скочат до проводимите ленти съответно от първоначалните им валентни връзки.

Вътрешен фоторезистор: Фотопроводимият материал, който се използва от специфичен тип фоторезистор, позволява на носителите на заряд да се възбудят и да скочат до проводимите ленти от първоначалните им валентни връзки или примеси, съответно.

Този процес изисква нейонизирани примеси, които също са плитки и изисква това да се извършва, когато има светлина.

Проектирането на фотоклетките или външните фоторезистори е направено специално, като се има предвид дългите вълнови лъчения като инфрачервеното лъчение в повечето случаи.

Но при проектирането се взема предвид и фактът, че трябва да се избягва всякакъв вид генериране на топлина, тъй като те трябва да работят при температури, които са много относително ниски.

Основна структура на LDR

Броят на естествените методи, които обикновено се наблюдават при производството на фоторезистори или светлинно зависими резистори, е много малко.

Резистивен материал, чувствителен към светлина, се използва от светлозависимите резистори за постоянно излагане на светлина. Както е обсъдено по-горе, има специфичен раздел, който се обработва от светлочувствителния резистивен материал, за който се изисква да бъде в контакт с двата или един от краищата на клемите.

Полупроводников слой, който е активен в природата, се използва в обща структура на фоторезистор или светлозависим резистор, а изолационна подложка се използва допълнително за отлагане на полупроводниковия слой.

За да се осигури полупроводниковият слой с проводимост на необходимото ниво, първият се легира леко. След това терминалите са свързани по подходящ начин през двата края.

Един от ключовите проблеми в основната структура на светлинно зависимия резистор или фотоклетка е устойчивостта на неговия материал.

Зоната на контакт на резистивния материал е сведена до минимум, за да се гарантира, че когато устройството е изложено на светлина, то ефективно претърпява промяна в съпротивлението си. За да се постигне това състояние, се гарантира, че околната зона на контактите е силно легирана, което води до намаляване на съпротивлението в дадената област.

Формата на заобикалящата зона на контакта е проектирана да бъде предимно в междуцифров модел или на зигзаг.

Това дава възможност за максимизиране на експонираната зона заедно с намаляване на нивата на фалшивото съпротивление, което от своя страна води до увеличаване на усилването чрез свиване на разстоянието между двата контакта на фоторезисторите и го прави малък.

Също така има възможност за използване на полупроводниковия материал като поликристален полупроводник, който го отлага върху субстрат. Една от основите, която може да се използва за това, е керамиката. Това позволява на резистора, зависим от светлината, да бъде на ниска цена.

Къде се използват фоторезистори

Най-атрактивната точка на светлинно зависимия резистор или фоторезистор е, че той е с ниска цена и по този начин е широко използван в различни дизайни на електронни схеми.

Отделно от това техните здрави характеристики и проста структура също им осигуряват предимство.

Въпреки че на фоторезистора липсват различни функции, които се намират във фототранзистора и фотодиода, той все още е идеален избор за различни приложения.

По този начин LDR се използва непрекъснато в продължение на дълъг период от време в редица приложения като фотографски светломери, детектори за взлом и дим, в улични лампи за управление на осветлението, детектори на пламък и четци на карти.

Факторът, който определя свойствата на фоторезистора, е използваният вид материал и по този начин свойствата могат да варират съответно. Някои от използваните от фоторезисторите материали имат константи от много дълго време.

По този начин е изключително важно фоторезисторът да бъде подбран внимателно за специфични приложения или схеми.

Обобщавайки

Светлозависимият резистор или LDR е едно от много полезните сензорни устройства, които могат да бъдат приложени по много различни начини за обработка на интензивността на светлината. Устройството е по-евтино в сравнение с други светлинни сензори, но въпреки това е в състояние да предостави необходимите услуги с изключителна ефективност.

Разгледаните по-горе LDR схеми са само няколко примера, които обясняват основния режим на използване на LDR в практически схеми. Обсъдените данни могат да бъдат изучавани и персонализирани по няколко начина за много интересни приложения. Имате въпроси? Чувствайте се свободни да изразявате чрез полето за коментари.