LDR-kretsar och arbetsprincip

Som namnet antyder är ett LDR- eller ljusberoende motstånd ett slags motstånd som uppvisar ett stort antal motståndsvärden beroende på ljusintensiteten som inträffar på dess yta. Variationen i motståndsområdet kan vara allt från några hundra ohm till många megaohm.

De är också kända som fotoresistorer. Motståndsvärdet i en LDR är omvänt proportionell mot ljusets intensitet. Menande när ljuset är mindre är motståndet mer och tvärtom.

LDR Intern konstruktion

Följande bild visar den inre dissekerade vyn av en LDR-enhet, där vi kan se det fotoledande ämnet applicerat i sicksack eller lindat mönster, inbäddat över en keramisk isolerande bas och med ändpunkterna avslutade som ledningar för anordningen.

Mönstret säkerställer maximal kontakt och interaktion mellan det kristallina fotoledande materialet och elektroderna som separerar dem.

Det fotoledande materialet består i allmänhet av kadmiumsulfid (CdS) eller kadmiumselenid (CdSe).

Materialets typ och tjocklek och bredden på dess deponerade lager anger LDR-resistansvärdet och hur mycket watt det kan hantera.

Anordningens två ledningar är inbäddade i en ogenomskinlig, icke-ledande bas med en isolerad transparent beläggning över det fotoledande skiktet.

Den schematiska symbolen för en LDR visas nedan:

LDR-storlekar

Diametern på fotoceller eller LDR kan variera från 1/8 tum (3 mm) till över en tum (25 mm). Vanligtvis finns dessa med diametrar på 3/8 tum (10 mm).

LDR som är mindre än detta används vanligtvis där utrymme kan vara ett problem eller i SMD-baserade kort. De mindre varianterna uppvisar lägre avledning. Du kan också hitta några varianter som är hermetiskt förseglade för att säkerställa tillförlitlig arbete även under tuffa och oönskade miljöer.

Jämföra LDR-egenskaper med mänskligt öga

Diagrammet ovan ger jämförelsen mellan egenskaperna hos ljuskänsliga enheter och vårt öga. Grafen visar ritningen av det relativa spektrala svaret mot våglängden från 300 till 1200 nanometer (nm).

Den karaktäristiska vågformen för det mänskliga ögat som indikeras av den prickade klockformade kurvan avslöjar det faktum att vårt öga har ökat känsligheten för ett relativt smalare band av det elektromagnetiska spektrumet, ungefär mellan 400 och 750 nm.

Kurvans topp har ett maximalt värde i grönt ljusspektrum inom området 550 nm. Detta sträcker sig ner i det violetta spektrumet med ett intervall mellan 400 och 450 nm på ena sidan. På andra sidan sträcker sig detta in i det mörkröda ljusområdet med ett intervall mellan 700 och 780 nm.

Figuren ovan avslöjar också exakt varför kadmiumsulfid (CdS) fotoceller tenderar att vara favoriter i ljusstyrd kretsapplikation: spektralsvarskurvan toppar för Cds är nära 600 nm, och denna specifikation är ganska identisk med intervallet för mänskligt öga.

Faktum är att kadmiumselenid (CdSe) -svarskurvtopparna till och med kan sträcka sig utöver 720 nm.

LDR-motstånd mot ljusdiagram

Med detta sagt kan CdSe uppvisa högre känslighet för nästan hela spektrumet av det synliga ljuset. Generellt kan den karakteristiska kurvan för en CdS-fotocell vara som ges i följande figur.

Dess motstånd i frånvaro av ljus kan vara cirka 5 megohms, vilket kan sjunka till cirka 400 ohm i närvaro av ljusintensitet på 100 lux eller en ljusnivå motsvarande ett optimalt upplyst rum och cirka 50 ohm när ljusintensiteten är så hög som 8000 lux. typiskt från direkt solljus.

Lux är SI-enheten för ljusstyrka som genereras av ett ljusflöde på 1 lumen jämnt fördelat över en yta på 1 kvadratmeter. De moderna fotocellerna eller LDR: erna är tillräckligt klassade för effekt och spänning, i nivå med normala fasta motstånd.

Effektförlustkapaciteten för en standard-LDR kan vara cirka 50 och 500 milliwatt, vilket kan bero på kvaliteten på det material som används för detektorn.

Kanske det enda som inte är så bra med LDR eller fotoresistorer är deras långsamma svarsspecifikation för ljusförändringar. Fotoceller byggda med kadmium-selenid uppvisar vanligtvis kortare tidskonstanter än kadmiumsulfid-fotoceller (cirka 10 millisekunder i motsats till 100 millisekunder).

Du kan också hitta dessa enheter med lägre motstånd, ökad känslighet och motståndskoefficient med förhöjd temperatur.

Huvudapplikationerna där fotoceller normalt implementeras är i fotografiska exponeringsmätare, ljus och mörk aktiverade brytare för kontroll gatubelysning och inbrottslarm. I vissa ljusaktiverade larmapplikationer utlöses systemet genom ett ljusstrålavbrott.

Du kan också stöta på reflektionsbaserade röklarm med fotoceller.

LDR-applikationskretsar

Följande bilder visar några av de intressanta praktiska fotocellapplikationskretsarna.

Ljusaktiverat relä

TRANSISTOREN KAN VARA LITEN SIGNALTYP SOM ÄR BC547

Den enkla LDR-kretsen som anges i figuren ovan är byggd för att svara när ljus faller på LDR installerat i ett normalt mörkt hålrum, till exempel inuti en låda eller ett hus.

Fotocellen R1 och motståndet R2 skapar en potentialdelare som fixerar Q1-basförspänningen. När det är mörkt uppvisar fotocellen ett ökat motstånd, vilket leder till en nollförspänning på basen av Q1, på grund av vilken Q1 och reläet RY1 förblir avstängda.

Om en tillräcklig nivå av ljus detekteras på fotocellen LDR, faller dess motståndsnivå snabbt till några lägre magnituder. och en förspänningspotential tillåts nå basen för Q1. Detta slår PÅ relä RY1, vars kontakter används för att styra en extern krets eller belastning.

Darkness Activated Relay

Nästa bild visar hur den första kretsen kan omvandlas till en mörkeraktiverad reläkrets.

I detta exempel aktiveras reläet i frånvaro av ljus på LDR. R1 används för att justera inställningen av kretsens känslighet. Motstånd R2 och fotocellen R3 fungerar som en spänningsdelare.

Spänningen vid korsningen av R2 och R3 stiger när ljuset faller på R3, som buffras av emitterföljare Q1. Emitterutgången från Q1-enheter vanlig emitterförstärkare Q2 via R4 och styr på motsvarande sätt reläet.

Precision LDR ljusdetektor

Även om de är enkla är ovanstående LDR-kretsar sårbara för förändringar i matningsspänning och även temperaturförändringar.

Nästa diagram visar hur nackdelen kan hanteras genom en känslig ljusaktiverad krets som skulle fungera utan att påverkas av spännings- eller temperaturvariationer.

I denna krets är LDR R5, potten R6 och motstånden R1 och R2 konfigurerade med varandra i form av ett Wheatstone-bryggnätverk.

Op amp ICI tillsammans med transistorn Q1 och relä RY1 arbete som en mycket känslig brytare för balansdetektering.

Bryggans balanseringspunkt påverkas inte, oavsett variationer i matningsspänning eller atmosfärstemperatur.

Det utförs endast av förändringarna i de relativa värdena för komponenterna associerade med bryggnätverket.

I detta exempel utgör LDR R5 och potten R6 en arm av Wheatstone-bron. R1 och R2 utgör broens andra arm. Dessa två armar fungerar som spänningsdelare. R1 / R2-armen skapar en konstant 50% matningsspänning till den icke-inverterande ingången på op-amp.

Potentialdelaren som bildas av potten och LDR genererar en ljusberoende variabel spänning till den inverterande ingången på op-förstärkaren.

Uppsättningen av kretsen, potten R6 justeras så att potentialen vid korsningen av R5 och R6 går högre än potentialen vid pin3 när den önskade mängden omgivande ljus faller på LDR.

När detta händer ändras utgången från op-förstärkaren omedelbart från positivt till 0V och slår PÅ Q1 och det anslutna reläet. Reläet aktiverar och stänger av lasten som kan vara en lampa.

Denna op-amp baserade LDR-krets är mycket exakt och kommer att svara även på små förändringar i ljusintensiteter, som inte kan detekteras av mänskligt öga.

Ovanstående förstärkare kan enkelt omvandlas till ett mörkeraktiverat relä antingen genom att byta pin2- och pin3-anslutningar, eller genom att byta R5- och R6-positioner, vilket visas nedan:

Lägger till Hysteresis-funktion

Vid behov kan denna LDR-krets uppgraderas med en hysteresfunktion som visas i nästa diagram. Detta görs genom att införa ett återkopplingsmotstånd R5 över utgångsstiftet och IC: ns pin3.

I denna konstruktion aktiverar reläet normalt när ljusintensiteten överstiger den förinställda nivån. Men när lampan på LDR tappar och minskar än det förinställda värdet stänger det inte av reläet på grund av hystereseffekt .

Reläet stängs bara av när ljuset har sjunkit till en betydligt lägre nivå, vilket bestäms av värdet på R5. Lägre värden kommer att införa mer fördröjningsfördröjning (hysteres) och vice versa.

Kombinera ljus och mörka aktiveringsfunktioner i ett

Denna design är ett precisionsrelä för ljus / mörker som är designat genom att kombinera de tidigare förklarade kretsarna för mörker och ljus. I grund och botten är det en fönsterjämförare krets.

Reläet RY1 är PÅ när antingen ljusnivån på LDR överträffar en av potten eller sjunker under den andra potten.

Potten R1 bestämmer aktiveringsnivån för mörkret, medan potten R3 anger tröskeln för reläets ljusnivåaktivering. Potten R2 används för att justera matningsspänningen till kretsen.

Inställningsproceduren inkluderar justering av den första förinställda potten R2 så att ungefär halv matningsspänning införs vid LDR R6 och pot R2-korsningen, när LDR tar emot ljus vid någon normal intensitetsnivå.

Potentiometer R1 justeras därefter så att relä RY1 slås PÅ så snart LDR upptäcker ett ljus under den föredragna mörkernivån.

På samma sätt kan potten R3 ställas in så att reläet RY1 slås PÅ vid den avsedda ljusstyrkan.

Lätt utlöst larmkrets

Låt oss nu se hur en LDR kan användas som en ljusaktiverad larmkrets.

Larmklockan eller ljudsignalen ska vara av intermittent typ, vilket betyder att de låter kontinuerligt med PÅ / AV-upprepningar och ska klassas för att arbeta med ström mindre än 2 amp. LDR R3 och motstånd R2 utgör ett spänningsdelningsnätverk.

Under svaga ljusförhållanden är fotocell- eller LDR-motståndet högt vilket orsakar spänningen vid R3 och R2-korsningen otillräcklig för att utlösa den anslutna SCR1-grinden.

När det infallande ljuset är ljusare sjunker LDR-motståndet till en nivå som är tillräcklig för att utlösa SCR, som tänds och aktiverar larmet.

Motsatt när det blir mörkare ökar LDR-motståndet och stänger av SCR och alarmet.

Det är viktigt att notera att SCR här bara stängs AV för att larmet är en intermittent typ som hjälper till att bryta SCR-spärren i frånvaro av en grindström och stänger av SCR.

Lägga till en känslighetskontroll

Ovanstående SCR LDR-larmkrets är ganska rå och har mycket låg känslighet och saknar också en känslighetskontroll. Nästa bild nedan visar hur designen kan förbättras med de nämnda funktionerna.

Här ersätts det fasta motståndet i det föregående diagrammet med en kruka R6 och ett buffert-BJT-steg införs genom Q1 mellan SCR-grinden och LDR-utgången.

Dessutom kan vi se en tryck-och-av-omkopplare A1 och R4 parallellt med klockan eller larmanordningen. Detta steg tillåter användaren att konvertera systemet till ett låsande larm oberoende av klockanordningens intermittenta natur.

Motståndet R4 säkerställer att även om klockan ringer i ett självavbrottande ljud bryts spärrningsanodströmmen aldrig och SCR förblir låst en gång utlöst PÅ.

S1 används för att bryta spärren manuellt och stänga av SCR och larm.

För att ytterligare förbättra det ovan förklarade SCR-ljusaktiverade larmet med förbättrad precision kan en op-amp-baserad utlösning läggas till som visas nedan. Kretsens arbete liknar de tidigare diskuterade LDR-ljusaktiverade konstruktionerna.

LDR-larmkrets med pulsad tonutgång

Detta är ännu en mörk aktiverad larmkrets med en integrerad 800 Hz-pulsgenerator för att driva en högtalare.

Två NOR-grindar IC1-c och ICI-d är konfigurerade som en hållbar multivibrator för att generera en frekvens på 800 Hz. Denna frekvens matas in i högtalaren via en liten signalförstärkare med BJT Q1.

Ovanstående NOR-grindsteg aktiveras endast så länge utgången från IC 1-b blir låg eller 0V. De andra två NOR-grindarna IC 1-a och IC1-b är på samma sätt anslutna som en stabil multivibrator för att producera en 6 Hz-pulsutgång och är också aktiverad endast när grindstiftet 1 dras lågt eller vid 0V.

Pin1 kan ses riggad med den potentiella delningskorsningen som bildas av LDR R4 och potten R5.

Det fungerar så här: När ljuset på LDR är tillräckligt starkt är korsningspotentialen hög, vilket gör att båda de stabila multivibratorerna är inaktiverade, vilket innebär att inget ljud hörs från högtalaren.

Men när ljusnivån sjunker under den förinställda nivån, blir R4 / R5-korsningen tillräckligt lägre vilket aktiverar den 6 Hz astabila. Denna astabla börjar nu gating eller växla 800 Hz astable vid 6 Hz hastighet. Detta resulterar i en multiplexerad 800 Hz-ton på högtalaren, pulsad vid 6 Hz.

För att lägga till en låsanordning till ovanstående design, lägg bara till omkopplaren S1 och motståndet R1 enligt nedan:

För att få ett högt, förstärkt ljud från högtalaren kan samma krets uppgraderas med ett utökat transistorsteg som visas nedan:

I vår tidigare diskussion lärde vi oss hur en op amp kan användas för att förbättra LDR-detekteringsprecisionen. Samma kan användas i ovanstående konstruktion för att skapa en superprecision pulsdetektorkrets

LDR-inbrottslarmkrets

En enkel inbrottstjuvbrytare för LDR-ljusstrålar kan ses nedan.

Normalt tar fotocellen eller LDR emot den erforderliga mängden ljus genom den installerade ljusstrålkällan. Detta kan vara från en laserstråle källa också.

Detta håller dess motstånd är lågt och detta ger också otillräcklig låg potential vid potten R4 och fotocell R5-korsningen. På grund av detta förblir SCR tillsammans med klockan inaktiverad.

I en händelse avbryts dock ljusstrålen medför att LDR-motståndet ökar, vilket avsevärt höjer korsningspotentialen för R4 och R5.

Detta utlöser omedelbart att SCR1 slår PÅ alarmklockan. Motstånd R3 i serie med omkopplare S1 introduceras för att möjliggöra permanent låsning av larmet.

Sammanfattande LDR-specifikationer

Det finns många olika namn med vilka LDR (ljusberoende motstånd) är kända, vilket inkluderar namn som fotoresistor, fotocell, fotoledande cell och fotoledare.

Normalt är termen som är vanligast och används mest populärt i instruktioner och datablad namnet 'fotocell'.

Det finns en mängd olika användningsområden för vilka LDR eller fotoresistorn kan användas eftersom dessa enheter är bra med sin ljuskänsliga egenskap och också finns tillgängliga till låg kostnad.

Således kan LDR förbli populär under lång tid och i stor utsträckning användas i applikationer som fotografiska ljusmätare, inbrotts- och rökdetektorer, i gatlyktor för att styra belysning, flamdetektorer och kortläsare.

Den generiska termen 'fotocell' används för ljusberoende motstånd inom den allmänna litteraturen.

Upptäckt av LDR

Som diskuterats ovan har LDR förblivit favorit bland fotoceller under lång tid. De tidiga formerna av fotoresistorerna tillverkades och introducerades på marknaden i början av 1800-talet.

Detta tillverkades genom upptäckten av 'selen fotokonduktivitet' 1873 av forskaren Smith.

Ett bra utbud av olika fotoledande anordningar har tillverkats sedan dess. Ett viktigt framsteg på detta område gjordes i början av 1900-talet, särskilt 1920 av den kända forskaren T.W. Case som arbetade med fenomenet fotokonduktivitet och hans papper, 'Thalofide Cell - en ny fotoelektrisk cell' publicerades 1920.

Under de kommande två decennierna på 1940- och 1930-talet studerades en rad andra relevanta ämnen för att utveckla fotoceller som inkluderade PbTe, PbS och PbSe. Vidare 1952 utvecklades fotoledarna halvledarversionen av dessa enheter av Simmons och Rollin med användning av germanium och kisel.

Symbol för ljusberoende motstånd

Kretssymbolen som används för fotoresistorn eller det ljusberoende motståndet är en kombination av motståndet animerat för att indikera att fotoresistorn är ljuskänslig till sin natur.

Grundsymbolen för det ljusberoende motståndet består av en rektangel som symboliserar motståndets funktion av LDR. Symbolen består dessutom av två pilar i inkommande riktning.

Samma symbol används för att symbolisera ljuskänsligheten i fototransistorerna och fotodioderna.

Symbolen för ”motstånd och pilar” som beskrivs ovan används av de ljusberoende motstånden i de flesta applikationer.

Men det finns få fall där symbolen som används av de ljusberoende motstånden visar motståndet inneslutet i en cirkel. Detta framgår när kretsscheman ritas.

Men symbolen där det inte finns någon cirkel runt motståndet är en vanligare symbol som används av fotoresistorerna.

Tekniska specifikationer

Ytan på LDR är byggd med två kadmiumsulfid (cds) fotokonduktiva celler med spektrala svar som är jämförbara med det mänskliga ögat. Motståndet hos cellerna sjunker linjärt när ljusintensiteten ökar på dess yta.

Fotoledaren som är placerad mellan de två kontakterna används som en huvudresponsiv komponent av fotocellen eller fotoresistorn. De motståndet hos fotoresistorerna genomgår en förändring när fotoresistorn exponeras för ljuset.

Fotokonduktivitet: Elektronbärarna genereras när fotoledarens använda halvledarmaterial absorberar fotonerna, och detta resulterar i en mekanism som fungerar bakom de ljusberoende motstånden.

Även om du kanske upptäcker att materialen som används av fotoresistorerna är olika, är de mestadels alla halvledare.

När de används i form av fotoresistorer fungerar dessa material endast som resistiva element där det inte finns några PN-korsningar. Detta resulterar i att enheten blir helt passiv till sin natur.

Fotoresistorerna eller fotoledarna är i grunden av två typer:

Inneboende fotoresistor: Det fotoledande materialet som används av en specifik fotoresistortyp gör det möjligt för laddningsbärarna att bli upphetsade och hoppa till ledningsbanden från sina initiala valensbindningar.

Extrinsic Fotoresistor: Det fotoledande materialet som används av en specifik fotoresistortyp gör det möjligt för laddningsbärarna att bli upphetsade och hoppa till ledningsbanden från deras initiala valensbindningar respektive föroreningar.

Denna process kräver icke-joniserade föroreningsdopmedel som också är grunda och kräver att detta sker när ljus är närvarande.

Utformningen av fotoceller eller yttre fotoresistorer görs specifikt med tanke på de långa våglängdsstrålningarna, såsom infraröda strålningar i de flesta fall.

Men konstruktionen tar också hänsyn till det faktum att alla typer av värmegenerering måste undvikas eftersom de måste arbeta vid temperaturer som är mycket relativt låga.

Grundläggande struktur för LDR

Antalet naturliga metoder som ofta observeras för tillverkning av fotoresistorer eller ljusberoende motstånd är mycket få.

Ett resistivt material som är känsligt för ljus används av de ljusberoende motstånden för konstant exponering för ljus. Som diskuterats ovan finns det ett specifikt avsnitt som behandlas av det ljuskänsliga resistiva materialet som krävs för att vara i kontakt med båda eller ena änden av terminalerna.

Ett halvledarskikt som är aktivt i naturen används i en allmän struktur för en fotoresistor eller ett ljusberoende motstånd och ett isolerande substrat används vidare för avsättning av halvledarskiktet.

För att förse halvledarskiktet med ledningsförmågan för den erforderliga nivån, dopas den förra lätt. Därefter är anslutningar anslutna på lämpligt sätt över de två ändarna.

En av nyckelfrågorna i den grundläggande strukturen för det ljusberoende motståndet eller fotocellen är dess materialets motstånd.

Kontaktytan för det resistiva materialet minimeras för att säkerställa att när enheten utsätts för ljus, genomgår den en ändring av dess motstånd effektivt. För att uppnå detta tillstånd säkerställs att kontakternas omgivande område dopas kraftigt vilket resulterar i minskning av motståndet i det givna området.

Formen på det omgivande området av kontakten är utformad för att vara mestadels i det interdigitala mönstret eller sicksackformen.

Detta möjliggör maximering av det exponerade området tillsammans med minskningen av nivåerna av det falska motståndet, vilket i sin tur resulterar i en förstärkning av förstärkningen genom att sammanpressa avståndet mellan de två kontakterna hos fotoresistorerna och göra det litet.

Det finns också en möjlighet för användning av halvledarmaterialet såsom polykristallin halvledare som avsätter det på ett substrat. Ett av substraten som kan användas för detta är keramik. Detta möjliggör att det ljusberoende motståndet har låg kostnad.

Där fotoresistorer används

Den mest attraktiva punkten för det ljusberoende motståndet eller en fotoresistor är att det är till låg kostnad och således används i stor utsträckning i en mängd olika elektroniska kretskonstruktioner.

Bortsett från detta ger deras robusta funktioner och enkla struktur dem också en fördel.

Även om fotoresistorn saknar olika funktioner som finns i en fototransistor och en fotodiod, är det fortfarande ett idealiskt val för en mängd olika applikationer.

Således har LDR använts kontinuerligt under lång tid i en rad applikationer såsom fotografiska ljusmätare, inbrotts- och rökdetektorer, i gatlyktor för att styra belysning, flamdetektorer och kortläsare.

Faktorn som bestämmer fotoresistoregenskaperna är den materialtyp som används och därmed kan egenskaperna variera därefter. En del av de material som används av fotoresistorerna har konstanter av mycket lång tid.

Således är det avgörande att fotoresistortyp si väljs noggrant för specifika applikationer eller kretsar.

Avslutar

Ljusberoende motstånd eller LDR är en av de mycket användbara avkänningsanordningarna som kan implementeras på många olika sätt för bearbetning av ljusintensitet. Enheten är billigare jämfört med andra ljussensorer, men ändå kan den tillhandahålla de tjänster som krävs med maximal effektivitet.

De ovan diskuterade LDR-kretsarna är bara några exempel som förklarar det grundläggande sättet att använda en LDR i praktiska kretsar. De diskuterade uppgifterna kan studeras och anpassas på flera sätt för många intressanta applikationer. Har frågor? Uttryck gärna genom kommentarrutan.