Цепи LDR и принцип работы

Как следует из названия, LDR или светозависимый резистор - это своего рода резистор, который демонстрирует широкий диапазон значений сопротивления в зависимости от интенсивности света, падающего на его поверхность. Диапазон сопротивления может варьироваться от нескольких сотен Ом до многих мегаом.

Они также известны как фоторезисторы. Значение сопротивления в LDR обратно пропорционально интенсивности падающего на него света. Это означает, что когда света меньше, сопротивление больше, и наоборот.

Внутренняя конструкция LDR

На следующем рисунке показан внутренний разрез LDR-устройства, на котором мы можем видеть фотопроводящее вещество, нанесенное внутри зигзагообразного или спиралевидного узора, внедренное на керамическое изолирующее основание и с концевыми точками, заканчивающимися как выводы устройства.

Рисунок обеспечивает максимальный контакт и взаимодействие между кристаллическим фотопроводящим материалом и разделяющими их электродами.

Фотопроводящий материал обычно состоит из сульфида кадмия (CdS) или селенида кадмия (CdSe).

Тип и толщина материала, а также ширина его осажденного слоя определяют диапазон значения сопротивления LDR, а также количество ватт, которое он может выдержать.

Два вывода устройства встроены в непрозрачное непроводящее основание с изолированным прозрачным покрытием поверх фотопроводящего слоя.

Схематический символ LDR показан ниже:

Размеры LDR

Диаметр фотоэлементов или LDR может варьироваться от 1/8 дюйма (3 мм) до более одного дюйма (25 мм). Обычно они доступны с диаметром 3/8 дюйма (10 мм).

LDR меньшего размера обычно используются там, где пространство может быть проблемой, или в платах на основе SMD. Меньшие варианты демонстрируют меньшее рассеивание. Вы также можете найти несколько вариантов, которые герметично закрыты для обеспечения надежной работы даже в суровых и нежелательных условиях.

Сравнение характеристик LDR с человеческим глазом

На приведенном выше графике сравниваются характеристики светочувствительных устройств и нашего глаза. График показывает график относительной спектральной характеристики в зависимости от длины волны от 300 до 1200 нанометров (нм).

Характерная форма волны человеческого глаза, обозначенная пунктирной колоколообразной кривой, показывает тот факт, что наш глаз обладает повышенной чувствительностью к относительно более узкой полосе электромагнитного спектра, примерно между 400 и 750 нм.

Пик кривой имеет максимальное значение в спектре зеленого света в диапазоне 550 нм. Он простирается вниз до фиолетового спектра, имеющего диапазон от 400 до 450 нм с одной стороны. С другой стороны, он простирается в область темно-красного света, имеющую диапазон от 700 до 780 нм.

На приведенном выше рисунке также показано, почему фотоэлементы из сульфида кадмия (CdS), как правило, являются фаворитами в схемах управления светом: пики спектральной кривой отклика для Cds составляют около 600 нм, и эта спецификация полностью идентична диапазону человеческого глаза.

Фактически, пики кривой отклика селенида кадмия (CdSe) могут даже выходить за пределы 720 нм.

Сопротивление LDR против светового графика

При этом CdSe может демонстрировать более высокую чувствительность почти ко всему диапазону видимого света. В целом характеристическая кривая фотоэлемента CdS может быть такой, как показано на следующем рисунке.

Его сопротивление в отсутствие света может составлять около 5 МОм, которое может упасть примерно до 400 Ом при интенсивности света 100 люкс или уровне света, эквивалентном оптимально освещенной комнате, и около 50 Ом при интенсивности света. достигает 8000 люкс. обычно получается от прямого яркого солнечного света.

Люкс - это единица СИ для освещенности, создаваемой световым потоком в 1 люмен, равномерно распределенным по поверхности в 1 квадратный метр. Современные фотоэлементы или LDR имеют адекватные номиналы по мощности и напряжению наравне с обычными резисторами фиксированного типа.

Мощность рассеивания для стандартного LDR может составлять от 50 до 500 милливатт, что может зависеть от качества материала, используемого для детектора.

Возможно, единственное, что не так хорошо в LDR или фоторезисторах, - это их медленная реакция на изменение света. Фотоэлементы, построенные на основе селенида кадмия, обычно имеют более короткие постоянные времени, чем фотоэлементы на основе сульфида кадмия (примерно 10 миллисекунд в отличие от 100 миллисекунд).

Вы также можете найти эти устройства с более низким сопротивлением, повышенной чувствительностью и повышенным температурным коэффициентом сопротивления.

Основными приложениями, в которых обычно используются фотоэлементы, являются фотографические экспонометры, светлые и темные переключатели для контроля уличные фонари , и охранной сигнализации. В некоторых приложениях световой сигнализации система срабатывает при прерывании светового луча.

Вы также можете встретить датчики дыма на основе отражения, использующие фотоэлементы.

Схемы приложений LDR

На следующих изображениях показано несколько интересных практических схем применения фотоэлементов.

Световое реле

ТРАНЗИСТОРОМ МОЖЕТ БЫТЬ ЛЮБОЙ ТИП МАЛЕНЬКОГО СИГНАЛА, НАПРИМЕР BC547

Простая схема LDR, показанная на приведенном выше рисунке, построена так, чтобы реагировать всякий раз, когда свет падает на LDR, установленный в обычно темной полости, например, внутри коробки или корпуса.

Фотоэлемент R1 и резистор R2 создают делитель потенциала, который фиксирует базовое смещение Q1. В темноте фотоэлемент показывает повышенное сопротивление, что приводит к смещению нуля на базе Q1, из-за чего Q1 и реле RY1 остаются выключенными.

В случае обнаружения достаточного уровня света на фотоэлементе LDR, его уровень сопротивления быстро падает до некоторых более низких значений. и потенциал смещения может достигать базы Q1. Это включает реле RY1, контакты которого используются для управления внешней цепью или нагрузкой.

Реле активации тьмы

На следующем рисунке показано, как первую схему можно преобразовать в схему реле, активируемую темнотой.

В этом примере реле активируется при отсутствии света на LDR. R1 используется для регулировки настройки чувствительности цепи. Резистор R2 и фотоэлемент R3 работают как делитель напряжения.

Напряжение на стыке R2 и R3 повышается, когда свет падает на R3, который буферизируется эмиттер-повторитель Q1. Эмиттерный выход приводов Q1 усилитель с общим эмиттером Q2 через R4 и, соответственно, управляет реле.

Прецизионный детектор света LDR

Несмотря на свою простоту, вышеуказанные схемы LDR уязвимы к изменениям напряжения питания, а также к изменениям температуры окружающей среды.

На следующей диаграмме показано, как устранить этот недостаток с помощью прецизионной чувствительной схемы, активируемой светом, которая будет работать без изменения напряжения или температуры.

В этой схеме LDR R5, потенциометр R6 и резисторы R1 и R2 сконфигурированы друг с другом в виде сети моста Уитстона.

Операционный усилитель ICI вместе с транзистором Q1 и реле RY1 работа как очень чувствительный переключатель определения баланса.

Точка балансировки моста не изменяется, независимо от изменений напряжения питания или температуры окружающей среды.

На это влияют только изменения относительных значений компонентов, связанных с мостовой сетью.

В этом примере LDR R5 и горшок R6 составляют одно плечо моста Уитстона. R1 и R2 образуют второе плечо моста. Эти два плеча действуют как делители напряжения. Плечо R1 / R2 устанавливает постоянное 50% напряжения питания на неинвертирующем входе операционного усилителя.

Делитель потенциала, образованный потенциометром и LDR, генерирует зависимое от света переменное напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.

Настройка схемы, потенциометр R6 регулируется таким образом, чтобы потенциал на стыке R5 и R6 был выше, чем потенциал на контакте 3, когда желаемое количество окружающего света падает на LDR.

Когда это происходит, выход операционного усилителя мгновенно меняет состояние с положительного на 0 В, включая Q1 и подключенное реле. Реле активирует и выключает нагрузку, которая может быть лампой.

Эта схема LDR на базе операционного усилителя очень точна и будет реагировать даже на незначительные изменения интенсивности света, которые не могут быть обнаружены человеческим глазом.

Вышеупомянутая конструкция операционного усилителя может быть легко преобразована в реле, активируемое темнотой, либо поменяв местами контакты pin2 и pin3, либо поменяв местами R5 и R6, как показано ниже:

Добавление функции гистерезиса

При необходимости эту схему LDR можно модернизировать с помощью функция гистерезиса как показано на следующей диаграмме. Это делается путем введения резистора обратной связи R5 между выходным контактом и контактом 3 микросхемы.

В этой конструкции реле нормально срабатывает, когда сила света превышает заданный уровень. Однако, когда индикатор LDR гаснет и становится меньше заданного значения, реле не выключается из-за эффект гистерезиса .

Реле выключается только тогда, когда свет падает до значительно более низкого уровня, который определяется значением R5. Более низкие значения приведут к большему запаздыванию (гистерезису) и наоборот.

Объединение функций активации света и темноты в одном

Эта конструкция представляет собой прецизионное реле света / темноты, созданное путем комбинирования ранее описанных схем переключателя темноты и света. В основном это оконный компаратор схема.

Реле RY1 включается, когда уровень освещенности LDR превышает одно из значений настройки потенциометра или падает ниже другого значения настройки потенциометра.

Pot R1 определяет уровень активации темноты, а Pot R3 устанавливает порог срабатывания реле уровня освещенности. Поток R2 используется для регулировки напряжения питания в цепи.

Процедура настройки включает в себя настройку первого предустановленного потенциометра R2 таким образом, чтобы примерно половина напряжения питания подавалась на переход LDR R6 и потенциометра R2, когда LDR принимает свет с некоторым нормальным уровнем интенсивности.

Потенциометр R1 впоследствии регулируется так, что реле RY1 включается, как только LDR обнаруживает свет ниже предпочтительного уровня темноты.

Точно так же потенциометр R3 можно настроить так, чтобы реле RY1 включалось на заданном уровне яркости.

Цепь срабатывания световой сигнализации

Теперь давайте посмотрим, как LDR может быть применен в качестве цепи аварийной световой сигнализации.

Сигнальный звонок или зуммер должны быть прерывистого типа, что означает звучание с непрерывным повторением включения / выключения, и рассчитаны на работу с током менее 2 А. LDR R3 и резистор R2 образуют сеть делителя напряжения.

В условиях низкой освещенности сопротивление фотоэлемента или LDR является высоким, что приводит к тому, что напряжение на переходе R3 и R2 оказывается недостаточным для запуска подключенного затвора SCR1.

Когда падающий свет становится ярче, сопротивление LDR падает до уровня, достаточного для срабатывания SCR, который включается и активирует сигнал тревоги.

Напротив, когда становится темнее, сопротивление LDR увеличивается, отключая SCR и сигнализацию.

Важно отметить, что здесь SCR отключается только потому, что сигнал тревоги прерывистого типа, который помогает сломать защелку SCR при отсутствии тока затвора, отключая SCR.

Добавление контроля чувствительности

Вышеупомянутая цепь сигнализации SCR LDR довольно грубая и имеет очень низкую чувствительность, а также не имеет контроля чувствительности. На следующем рисунке ниже показано, как можно улучшить дизайн с помощью упомянутых функций.

Здесь фиксированный резистор на предыдущей схеме заменен потенциометром R6, а буферный каскад BJT вводится через Q1 между затвором SCR и выходом LDR.

Кроме того, мы можем видеть нажатие на выключатель A1 и R4 параллельно звонку или сигнальному устройству. Этот этап позволяет пользователю преобразовать систему в аварийную сигнализацию с фиксацией независимо от прерывистой природы устройства звонка.

Резистор R4 гарантирует, что даже когда звонок прозвенит самопрерывающийся звук, анодный ток с фиксацией никогда не прервется, и SCR останется заблокированным после включения.

S1 используется для ручного взлома защелки и отключения SCR и сигнализации.

Чтобы еще больше улучшить описанную выше сигнализацию, активируемую светом SCR, с повышенной точностью, можно добавить запуск на основе операционного усилителя, как показано ниже. Работа схемы аналогична ранее обсуждавшимся конструкциям LDR, активируемым светом.

Цепь сигнализации LDR с выходом импульсного тонального сигнала

Это еще одна схема аварийной сигнализации, активируемая в темноте, со встроенным маломощным генератором импульсов 800 Гц для управления громкоговорителем.

Два логических элемента ИЛИ-НЕ, IC1-c и ICI-d, сконфигурированы как нестабильный мультивибратор для генерации частоты 800 Гц. Эта частота подается в динамик через небольшой усилитель сигнала с помощью BJT Q1.

Вышеупомянутый каскад затвора ИЛИ-ИЛИ активируется только до тех пор, пока выход IC 1-b становится низким или 0 В. Два других логических элемента ИЛИ-НЕ IC 1-a и IC1-b аналогичным образом подключаются как нестабильный мультивибратор для создания импульсного выхода с частотой 6 Гц и также активируются только тогда, когда на выводе 1 затвора устанавливается низкий уровень или 0 В.

На выводе 1 можно увидеть переход делителя потенциала, образованный LDR R4 и потенциометром R5.

Это работает следующим образом: когда свет на LDR достаточно яркий, потенциал соединения высокий, что приводит к отключению обоих нестабильных мультивибраторов, что означает отсутствие звука на выходе из динамика.

Однако, когда уровень освещенности падает ниже заданного уровня, переход R4 / R5 становится достаточно низким, что активирует нестабильность 6 Гц. Теперь этот нестабильный сигнал начинает стробировать или переключать нестабильный режим 800 Гц с частотой 6 Гц. Это приводит к мультиплексированному тону 800 Гц на динамике, пульсирующему с частотой 6 Гц.

Чтобы добавить возможность фиксации к вышеуказанной конструкции, просто добавьте переключатель S1 и резистор R1, как показано ниже:

Для получения громкого, усиленного звука из динамика ту же схему можно модернизировать с помощью усовершенствованного выходного транзисторного каскада, как показано ниже:

В нашем предыдущем обсуждении мы узнали, как можно использовать операционный усилитель для повышения точности обнаружения света LDR. То же самое может быть применено в вышеупомянутой конструкции для создания сверхточной схемы импульсного светового детектора.

Цепь охранной сигнализации LDR

Ниже представлена ​​простая схема охранной сигнализации с прерыванием светового луча LDR.

Обычно фотоэлемент или LDR получает необходимое количество света через установленный источник светового луча. Это может быть лазерный луч источник также.

Это поддерживает низкое сопротивление, а также создает недостаточно низкий потенциал на переходе потенциометра R4 и фотоэлемента R5. В связи с этим SCR вместе с звонком остаются отключенными.

Однако в случае прерывания светового луча сопротивление LDR увеличивается, что значительно увеличивает потенциал соединения R4 и R5.

Это немедленно запускает SCR1, включающий сигнал тревоги. Резистор R3, включенный последовательно с переключателем S1, используется для обеспечения постоянной фиксации аварийной сигнализации.

Обобщение спецификаций LDR

Есть много разных названий, под которыми известны LDR (светозависимые резисторы), которые включают в себя такие названия, как фоторезистор, фотоэлемент, фотопроводящий элемент и фотопроводник.

Обычно наиболее распространенным термином, который чаще всего используется в инструкциях и таблицах данных, является название «фотоэлемент».

Существует множество применений LDR или фоторезистора, поскольку эти устройства обладают хорошими светочувствительными свойствами, а также доступны по низкой цене.

Таким образом, LDR может оставаться популярным в течение длительного периода времени и широко использоваться в таких приложениях, как фотографические светомеры, детекторы взлома и дыма, в уличных фонарях для управления освещением, детекторы пламени и считыватели карт.

В общей литературе для светозависимых резисторов используется общий термин «фотоэлемент».

Открытие LDR

Как обсуждалось выше, LDR долгое время оставался фаворитом среди фотоэлементов. Первые формы фоторезисторов были изготовлены и представлены на рынке в начале девятнадцатого века.

Он был получен благодаря открытию «фотопроводимости селена» в 1873 году ученым по имени Смит.

С тех пор был произведен хороший ассортимент различных фотопроводящих устройств. Важный прогресс в этой области был достигнут в начале двадцатого века, особенно в 1920 году известным ученым Т.В. Кейса, который работал над феноменом фотопроводимости, и его статья «Талофидная ячейка - новый фотоэлектрический элемент» была опубликована в 1920 году.

В течение следующих двух десятилетий, в 1940-х и 1930-х годах, для разработки фотоэлементов был изучен ряд других соответствующих веществ, в том числе PbTe, PbS и PbSe. В 1952 году Симмонс и Роллин разработали фотопроводники, полупроводниковую версию этих устройств, с использованием германия и кремния.

Обозначение светозависимых резисторов

Обозначение схемы, которое используется для фоторезистора или светозависимого резистора, представляет собой комбинацию резистора, анимированного, чтобы указать, что фоторезистор является светочувствительным по своей природе.

Основной символ светозависимого резистора состоит из прямоугольника, который символизирует функцию резистора LDR. Символ дополнительно состоит из двух стрелок входящего направления.

Этот же символ используется для обозначения светочувствительности фототранзисторов и фотодиодов.

Символ «резистор и стрелки», как описано выше, используется светозависимыми резисторами в большинстве их применений.

Но есть несколько случаев, когда символ, используемый светозависимыми резисторами, изображает резистор, заключенный в круг. Это видно в том случае, когда нарисованы электрические схемы.

Но символ, в котором нет круга вокруг резистора, является более распространенным символом, используемым фоторезисторами.

Технические характеристики

Поверхность LDR состоит из двух фотопроводящих ячеек из сульфида кадмия (cds), имеющих спектральные характеристики, сравнимые со спектральными характеристиками человеческого глаза. Сопротивление клеток линейно падает с увеличением интенсивности света на их поверхности.

Фотопроводник, который помещается между двумя контактами, используется фотоэлементом или фоторезистором в качестве основного реагирующего компонента. В сопротивление фоторезисторов претерпевает изменение при воздействии света на фоторезистор.

Фотопроводимость: Носители электронов образуются, когда используемые полупроводниковые материалы фотопроводника поглощают фотоны, и это приводит к механизму, который работает за светозависимыми резисторами.

Хотя вы можете обнаружить, что в фоторезисторах используются разные материалы, в основном все они полупроводниковые.

Когда они используются в виде фоторезисторов, то эти материалы действуют как резистивные элементы только там, где отсутствуют PN-переходы. Это приводит к тому, что устройство становится полностью пассивным по своей природе.

Фоторезисторы или фотопроводники в основном бывают двух типов:

Внутренний фоторезистор: Фотопроводящий материал, который используется в фоторезисторе определенного типа, позволяет носителям заряда возбуждаться и переходить в зоны проводимости от их исходных валентных связей соответственно.

Внешний фоторезистор: Фотопроводящий материал, который используется в фоторезисторе определенного типа, позволяет носителям заряда возбуждаться и переходить в зоны проводимости от их исходных валентных связей или примесей соответственно.

Для этого процесса требуются неионизированные примесные легирующие примеси, которые также являются мелкими, и требует, чтобы это происходило при наличии света.

Конструкция фотоэлементов или внешних фоторезисторов выполняется специально с учетом длинноволнового излучения, такого как инфракрасное излучение в большинстве случаев.

Но при проектировании также учитывается тот факт, что необходимо избегать любого типа тепловыделения, поскольку они должны работать при очень относительно низких температурах.

Базовая структура LDR

Число естественных методов, которые обычно используются для изготовления фоторезисторов или светозависимых резисторов, очень мало.

В светозависимых резисторах используется резистивный материал, чувствительный к свету, для постоянного воздействия света. Как обсуждалось выше, существует определенная секция, которая обрабатывается светочувствительным резистивным материалом, который должен контактировать с обоими или одним из концов клемм.

Активный по своей природе полупроводниковый слой используется в общей структуре фоторезистора или светозависимого резистора, а изолирующая подложка дополнительно используется для осаждения полупроводникового слоя.

Чтобы обеспечить проводимость полупроводникового слоя на требуемом уровне, первый слегка легируется. После этого клеммы соответствующим образом подключаются к обоим концам.

Одним из ключевых моментов в базовой конструкции светозависимого резистора или фотоэлемента является сопротивление материала.

Площадь контакта резистивного материала сведена к минимуму, чтобы гарантировать, что когда устройство подвергается воздействию света, оно эффективно претерпевает изменение своего сопротивления. Для достижения этого состояния гарантируется, что окружающая область контактов сильно легирована, что приводит к снижению сопротивления в данной области.

Форма области вокруг контакта в основном имеет встречно-штыревую или зигзагообразную форму.

Это позволяет максимизировать выставляемую площадь вместе со снижением уровней паразитного сопротивления, что, в свою очередь, приводит к увеличению коэффициента усиления за счет сокращения расстояния между двумя контактами фоторезисторов и его уменьшения.

Также существует возможность использования полупроводникового материала, такого как поликристаллический полупроводник, с нанесением его на подложку. Одна из подложек, которую можно использовать для этого, - керамика. Это позволяет снизить стоимость светозависимого резистора.

Где используются фоторезисторы

Самая привлекательная черта светозависимого резистора или фоторезистора заключается в том, что они имеют низкую стоимость и поэтому широко используются в различных конструкциях электронных схем.

Помимо этого, их прочная конструкция и простая конструкция также дают им преимущество.

Хотя фоторезистору не хватает различных функций, которые есть в фототранзисторе и фотодиоде, он по-прежнему является идеальным выбором для множества приложений.

Таким образом, LDR непрерывно используется в течение длительного периода времени в ряде приложений, таких как фотографические люксметры, детекторы взлома и дыма, в уличных фонарях для управления освещением, детекторы пламени и считыватели карт.

Фактором, определяющим свойства фоторезистора, является тип используемого материала, поэтому свойства могут соответственно меняться. Некоторые из материалов, используемых в фоторезисторах, обладают очень долгими постоянными.

Таким образом, наиболее важно, чтобы тип фоторезистора был тщательно выбран для конкретных приложений или схем.

Подведение итогов

Светозависимый резистор или LDR является одним из очень полезных чувствительных устройств, которые могут быть реализованы многими различными способами для обработки интенсивности света. Устройство дешевле по сравнению с другими датчиками освещенности, но при этом способно предоставлять необходимые услуги с максимальной эффективностью.

Вышеупомянутые схемы LDR представляют собой лишь несколько примеров, которые объясняют базовый режим использования LDR в практических схемах. Обсуждаемые данные можно изучать и настраивать различными способами для многих интересных приложений. Есть вопросы? Не стесняйтесь выражать свое мнение через поле для комментариев.