LDR-kretser og arbeidsprinsipp

Som navnet antyder, er en LDR eller lysavhengig motstand en slags motstand som viser et bredt spekter av motstandsverdier avhengig av intensiteten av lyset som faller på overflaten. Variasjonen i motstandsområdet kan være alt fra noen få hundre ohm til mange megaohm.

De er også kjent som fotoresistorer. Motstandsverdien i en LDR er omvendt proporsjonal med intensiteten til lyset som faller på den. Betydning når lyset er mindre, motstanden er mer og omvendt.

LDR intern konstruksjon

Følgende figur viser den indre dissekerte visningen av en LDR-enhet hvor vi kan se det fotoledende stoffet påført i sikksakk eller spiralformet mønster, innebygd over en keramisk isolasjonsbase, og med endepunktene avsluttet som ledninger til enheten.

Mønsteret sikrer maksimal kontakt og interaksjon mellom det krystallinske fotoledende materialet og elektrodene som skiller dem.

Det fotoledende materialet består vanligvis av kadmiumsulfid (CdS) eller kadmiumselenid (CdSe).

Typen og tykkelsen på materialet og bredden på det avsatte laget spesifiserer rekkevidden til LDR-motstandsverdien og også mengden watt den kan håndtere.

De to ledningene til enheten er innebygd i en ugjennomsiktig ikke-ledende base med et isolert gjennomsiktig belegg over det fotoledende laget.

Det skjematiske symbolet på en LDR er vist nedenfor:

LDR-størrelser

Diameteren på fotoceller eller LDR-er kan variere fra 1/8 tommer (3 mm) til over en tomme (25 mm). Vanligvis er disse tilgjengelige med diametre på 10 mm.

LDR-er som er mindre enn dette brukes vanligvis der plass kan være en bekymring eller i SMD-baserte kort. De mindre variantene viser lavere spredning. Du kan også finne noen varianter som er hermetisk forseglet for å sikre pålitelig arbeid selv under tøffe og uønskede miljøer.

Sammenligning av LDR-egenskaper med menneskelig øye

Grafen ovenfor gir sammenligningen mellom egenskapene til lysfølsomme enheter og øyet vårt. Grafen viser tegningen av relativ spektralrespons mot bølgelengde fra 300 til 1200 nanometer (nm).

Den menneskelige øyekarakteristiske bølgeformen indikert av den stiplede klokkeformede kurven avslører det faktum at øyet vårt har økt følsomhet overfor et relativt smalere bånd av det elektromagnetiske spekteret, omtrent mellom 400 og 750 nm.

Toppen av kurven har en maksimal verdi i det grønne lysspekteret innenfor området 550 nm. Dette strekker seg ned i det fiolette spekteret med et område mellom 400 og 450 nm på den ene siden. På den andre siden strekker dette seg inn i det mørkerøde lysområdet med et område mellom 700 og 780 nm.

Figuren ovenfor avslører også nøyaktig hvorfor kadmiumsulfid (CdS) fotoceller pleier å være favorittene i lysstyrt kretsapplikasjon: spektral responskurve topper for Cds er nær 600 nm, og denne spesifikasjonen er ganske identisk med rekkevidden for menneskelig øye.

Faktisk kan toppene for kadmiumselenid (CdSe) responskurve til og med strekke seg utover 720 nm.

LDR-motstand mot lysgraf

Når det er sagt kan CdSe utvise høyere følsomhet for nesten hele spekteret av det synlige lyset. Generelt kan den karakteristiske kurven til en CdS-fotocelle være som gitt i følgende figur.

Motstanden i fravær av lys kan være rundt 5 megohms, som kan falle til rundt 400 ohm i nærvær av lysintensitet på 100 lux eller et lysnivå som tilsvarer et optimalt opplyst rom, og rundt 50 ohm når lysintensiteten er så høyt som 8000 lux. vanligvis fra direkte sterkt sollys.

Lux er SI-enheten for belysningsstyrke generert av en lysstrøm på 1 lumen jevnt fordelt over en overflate på 1 kvadratmeter. De moderne fotocellene eller LDR-ene er tilstrekkelig klassifisert for strøm og spenning, på linje med normale faste motstander.

Strømforsyningskapasiteten for en standard LDR kan være rundt 50 og 500 milliwatt, noe som kan avhenge av kvaliteten på materialet som brukes til detektoren.

Kanskje det eneste som ikke er så bra med LDR-er eller fotoresistorer, er deres spesifikasjon for langsom respons på lysendringer. Fotoceller bygget med kadmium-selenid har vanligvis kortere tidskonstanter enn kadmium-sulfid-fotoceller (ca. 10 millisekunder i motsetning til 100 millisekunder).

Du kan også finne at disse enhetene har lavere motstand, økt følsomhet og motstandskoeffisient med forhøyet temperatur.

De viktigste applikasjonene der fotoceller normalt implementeres, er i fotografiske eksponeringsmålere, lys og mørke aktiverte brytere for å kontrollere gatelys , og innbruddsalarmer. I noen lysaktiverte alarmapplikasjoner utløses systemet gjennom et lysstrålebrudd.

Du kan også komme over refleksjonsbaserte røykvarslere ved hjelp av fotoceller.

LDR-applikasjonskretser

Følgende bilder viser noen av de interessante praktiske fotocelleanvendelseskretsene.

Lett aktivert relé

TRANSISTOREN KAN VÆRE EN LITT SIGNALTYPE SÅ SÅ BC547

Den enkle LDR-kretsen som er angitt i figuren ovenfor, er bygget for å svare når lys faller på LDR installert i et normalt mørkt hulrom, for eksempel inne i en boks eller et hus.

Fotocellen R1 og motstanden R2 skaper en potensiell skillelinje som fikser grunnforspenningen til Q1. Når det er mørkt, viser fotocellen en økt motstand, noe som fører til en null forspenning på bunnen av Q1, på grunn av hvilken, Q1 og reléet RY1 forblir slått av.

Hvis det oppdages et tilstrekkelig nivå av lys på fotocellen LDR, faller dens motstandsnivå raskt til noen lavere størrelser. og et forspenningspotensial får lov til å nå basen til Q1. Dette slår PÅ relé RY1, hvis kontakter brukes til å kontrollere en ekstern krets eller belastning.

Darkness Activated Relay

Den neste figuren viser hvordan den første kretsen kan transformeres til en mørkeaktivert relékrets.

I dette eksemplet aktiveres reléet i fravær av lys på LDR. R1 brukes til å justere innstilling av følsomheten til kretsen. Motstand R2 og fotocellen R3 fungerer som en spenningsdeler.

Spenningen ved krysset mellom R2 og R3 stiger når lyset faller på R3, som er bufret av emitter følger Q1. Emitterutgangen til Q1-stasjoner vanlig emitterforsterker Q2 via R4, og styrer tilsvarende reléet.

Presisjons LDR lysdetektor

Selv om de er enkle, er de ovennevnte LDR-kretsene sårbare for endringer i forsyningsspenningen og også temperaturendringer.

Det neste diagrammet viser hvordan ulempen kan takles gjennom en lysaktiverte krets med sensitiv presisjon som vil fungere uten å bli påvirket av spennings- eller temperaturvariasjoner.

I denne kretsen er LDR R5, potten R6 og motstandene R1 og R2 konfigurert med hverandre i form av et Wheatstone bridge-nettverk.

Op amp ICI sammen med transistoren Q1 og relé RY1 arbeid som en veldig sensitiv balansebryterbryter.

Broens balanseringspunkt påvirkes ikke, uavhengig av variasjoner i forsyningsspenningen eller atmosfæretemperaturen.

Det utføres bare av endringene i de relative verdiene til komponentene tilknyttet bronettet.

I dette eksemplet utgjør LDR R5 og potten R6 en arm av Wheatstone-broen. R1 og R2 utgjør broens andre arm. Disse to armene fungerer som spenningsdelere. R1 / R2-armen etablerer en konstant 50% forsyningsspenning til den ikke-inverterende inngangen til op-amp.

Den potensielle skillelinjen dannet av potten og LDR genererer en lysavhengig variabel spenning til den inverterende inngangen til op-forsterkeren.

Oppsettet av kretsen, potten R6 er justert slik at potensialet i krysset mellom R5 og R6 går høyere enn potensialet ved pin3 når ønsket mengde omgivende lys faller på LDR.

Når dette skjer, endres utgangen fra op-amp-en umiddelbart tilstanden fra positiv til 0V, og slår på Q1 og det tilknyttede reléet. Reléet aktiverer og slår av belastningen som kan være en lampe.

Denne op-baserte LDR-kretsen er veldig presis og vil svare selv på små endringer i lysintensitet, som ikke kan oppdages av menneskelig øye.

Ovennevnte op amp design kan lett transformeres til et mørke aktivert relé enten ved å bytte pin2 og pin3 tilkoblinger, eller ved å bytte R5 og R6 posisjoner, som vist nedenfor:

Legger til Hysteresis Feature

Om nødvendig kan denne LDR-kretsen oppgraderes med en hysteresefunksjon som vist i neste diagram. Dette gjøres ved å innføre en tilbakemeldingsmotstand R5 over utgangspinnen og pin3 på IC.

I denne utformingen aktiveres reléet normalt når lysintensiteten går over det forhåndsinnstilte nivået. Men når lyset på LDR synker og synker enn den forhåndsinnstilte verdien, slår det ikke AV reléet på grunn av hystereseeffekt .

Reléet slås bare AV når lyset har falt til et betydelig lavere nivå, som bestemmes av verdien på R5. Lavere verdier vil gi mer forsinkelse (hysterese), og omvendt.

Kombinere lys og mørke aktiveringsfunksjoner i ett

Dette designet er et presisjonslys / mørkt relé er designet ved å kombinere de tidligere forklarte mørke- og lysbryterkretsene. I utgangspunktet er det en vinduskomparator krets.

Reléet RY1 slås PÅ når enten lysnivået på LDR overgår en av gryteinnstillingene eller faller under den andre gryteinnstillingsverdien.

Potten R1 bestemmer aktiveringsnivået for mørket, mens potten R3 setter terskelen for lysnivåaktivering av reléet. Potten R2 brukes til å justere forsyningsspenningen til kretsen.

Oppsettprosedyren inkluderer justering av den første forhåndsinnstilte potten R2 slik at omtrent halv forsyningsspenning innføres ved LDR R6 og pot R2-krysset, når LDR mottar lys på et normalt intensitetsnivå.

Potensiometer R1 blir deretter justert slik at relé RY1 slås PÅ så snart LDR oppdager et lys under det foretrukne mørkhetsnivået.

På samme måte kan potten R3 settes opp slik at reléet RY1 slås PÅ med det tiltenkte lysnivået.

Lys utløst alarmkrets

La oss nå se hvordan en LDR kan brukes som en lysaktivert alarmkrets.

Alarmklokken eller summeren skal være av intermitterende type, noe som betyr at det høres kontinuerlig med PÅ / AV-repetisjoner, og skal klassifiseres for å fungere med strøm under 2 amp. LDR R3 og motstand R2 lager et spenningsdelernettverk.

Under dårlige lysforhold er fotocellen eller LDR-motstanden høy, noe som fører til at spenningen ved krysset R3 og R2 er utilstrekkelig til å utløse den vedlagte SCR1-porten.

Når hendelseslyset er lysere, synker LDR-motstanden til et nivå som er tilstrekkelig til å utløse SCR, som slår på og aktiverer alarmen.

Motsatt når det blir mørkere, øker LDR-motstanden, og slår AV SCR og alarmen.

Det er viktig å merke seg at SCR her bare slås AV fordi alarmen er en intermitterende type som hjelper til med å bryte sperren til SCR i fravær av en portstrøm, og stenger av SCR.

Legge til en følsomhetskontroll

Ovennevnte SCR LDR alarmkrets er ganske rå og har svært lav følsomhet, og mangler også følsomhetskontroll. Den neste figuren nedenfor viser hvordan designet kan forbedres med de nevnte funksjonene.

Her erstattes den faste motstanden i det forrige diagrammet med en pott R6, og et buffer BJT-trinn introdusert gjennom Q1 mellom porten til SCR og LDR-utgangen.

I tillegg kan vi se en trykk-og-av-bryter A1 og R4 parallelt med klokken eller alarmenheten. Dette trinnet tillater brukeren å konvertere systemet til en låsealarm uavhengig av bjelleinnretningens intermitterende natur.

Motstanden R4 sørger for at selv om klokken ringer i en selvavbrytende lyd, brytes låseanodestrømmen aldri og SCR forblir låst når den er utløst PÅ.

S1 brukes til å bryte låsen manuelt og slå av SCR og alarmen.

For ytterligere å forbedre den ovenfor forklarte SCR-lysaktiverte alarmen med forbedret presisjon, kan en op amp-basert utløser legges til som vist nedenfor. Arbeidet til kretsen ligner på de tidligere diskuterte LDR-lysaktiverte designene.

LDR alarmkrets med pulserende toneutgang

Dette er enda en mørk aktivert alarmkrets med en integrert 800 Hz pulsgenerator med lav effekt for å kjøre en høyttaler.

To NOR-porter IC1-c og ICI-d er konfigurert som en astabel multivibrator for å generere en frekvens på 800 Hz. Denne frekvensen mates inn i høyttaleren via en liten signalforsterker ved bruk av BJT Q1.

Ovennevnte NOR-porttrinn aktiveres bare så lenge utgangen fra IC 1-b blir lav eller 0V. De to andre NOR-portene IC 1-a og IC1-b er på samme måte koblet til som en stabil multivibrator for å produsere en 6 Hz pulsutgang og er også bare aktivert når portpinnen 1 trekkes lavt eller ved 0V.

Pin1 kan sees rigget med det potensielle skillekrysset dannet av LDR R4 og potten R5.

Det fungerer slik: Når lyset på LDR er tilstrekkelig sterkt, er krysspotensialet høyt, noe som holder begge de astable multivibratorene deaktivert, noe som ikke betyr noe lyd fra høyttaleren.

Men når lysnivået synker under det forhåndsinnstilte nivået, blir R4 / R5-krysset tilstrekkelig lavere, som aktiverer 6 Hz astabelt. Denne astable begynner nå å peke eller bytte 800 Hz astable med 6 Hz rate. Dette resulterer i en multiplekset 800 Hz tone på høyttaleren, pulsert ved 6 Hz.

For å legge til et låseanlegg til ovennevnte design, bare legg til bryteren S1 og motstanden R1 som gitt nedenfor:

For å få en høy, forsterket lyd fra høyttaleren, kan den samme kretsen oppgraderes med et forbedret utgangstransistortrinn som vist nedenfor:

I vår tidligere diskusjon lærte vi hvordan en op-amp kan brukes til å forbedre LDR-lysdeteksjonspresisjonen. Det samme kan brukes i den ovennevnte utformingen for å skape en superpresisjons pulsdetektorkrets

LDR innbruddsalarmkrets

En enkel LDR lysstråleavbrudd innbruddsalarmkrets kan sees nedenfor.

Normalt mottar fotocellen eller LDR den nødvendige mengden lys gjennom den installerte lysstrålekilden. Dette kan være fra en laser stråle kilde også.

Dette holder at motstanden er lav, og dette gir også utilstrekkelig lavt potensial ved potten R4 og fotocellen R5-krysset. På grunn av dette forblir SCR sammen med bjelle deaktivert.

Imidlertid, i tilfelle lysstrålen blir avbrutt, får LDR-motstanden til å øke, noe som øker krysspotensialet til R4 og R5 betydelig.

Dette utløser umiddelbart SCR1 som slår PÅ alarmklokken. Motstand R3 i serie med bryter S1 er introdusert for å muliggjøre permanent låsing av alarmen.

Oppsummering av LDR-spesifikasjoner

Det er mange forskjellige navn som LDR (lysavhengige motstander) er kjent for, som inkluderer navn som fotoresistor, fotocelle, fotoledende celle og fotoleder.

Normalt er begrepet som er mest utbredt og som brukes mest i instruksjoner og datablad, navnet 'fotocelle'.

Det er en rekke bruksområder som LDR eller fotoresistoren kan brukes på, siden disse enhetene er gode med sin lysfølsomme egenskap og også er tilgjengelige til lave priser.

Dermed kan LDR forbli populær i lang tid og mye brukt i applikasjoner som fotografiske lysmålere, innbruddstyver og røykvarslere, i gatelamper for å kontrollere belysning, flammedetektorer og kortlesere.

Det generiske begrepet 'fotocelle' brukes for lysavhengige motstandere i den generelle litteraturen.

Oppdagelse av LDR

Som diskutert ovenfor, har LDR vært favoritten blant fotocellene i lang tid. De tidlige formene på fotoresistorer ble produsert og introdusert i markedet tidlig på 1800-tallet.

Dette ble produsert gjennom oppdagelsen av 'selen's photoconductivity' i 1873 av forskeren ved navn Smith.

Et godt utvalg av forskjellige fotoledende enheter har blitt produsert siden den gang. En viktig fremgang på dette feltet ble gjort tidlig på 1900-tallet, spesielt i 1920 av den anerkjente forskeren T.W. Case som jobbet med fenomenet fotoledning og papiret hans, 'Thalofide Cell- a new photoelectric cell' ble utgitt i 1920.

I løpet av de neste to tiårene på 1940- og 1930-tallet ble en rekke andre relevante stoffer undersøkt for utvikling av fotoceller som inkluderte PbTe, PbS og PbSe. Videre i 1952 ble fotolederne halvlederversjonen av disse enhetene utviklet av Simmons og Rollin ved bruk av germanium og silisium.

Symbol for lysavhengige motstander

Kretssymbolet som brukes til fotoresistoren eller den lysavhengige motstanden er en kombinasjon av motstanden animert for å indikere at fotoresistoren er lysfølsom i naturen.

Det grunnleggende symbolet på den lysavhengige motstanden består av et rektangel som symboliserer motstandens funksjon av LDR. Symbolet består i tillegg av to piler i innkommende retning.

Det samme symbolet brukes til å symbolisere følsomheten overfor lys i fototransistorer og fotodioder.

Symbolet for 'motstanden og pilene' som beskrevet ovenfor, brukes av de lysavhengige motstandene i de fleste applikasjoner.

Men det er få tilfeller der symbolet som brukes av de lysavhengige motstandene, viser motstanden innkapslet i en sirkel. Dette er tydelig i tilfelle når kretsskjemaer er tegnet.

Men symbolet der det ikke er sirkel rundt motstanden er et vanlig symbol brukt av fotoresistorer.

Tekniske spesifikasjoner

Overflaten til LDR er bygget med to kadmiumsulfid (cds) fotoledende celler som har spektralresponser som er sammenlignbare med det menneskelige øyet. Motstanden til cellene synker lineært når lysintensiteten økes på overflaten.

Fotolederen som er plassert mellom de to kontaktene brukes som en hovedresponsiv komponent av fotocellen eller fotoresistoren. De motstand fra fotoresistorer gjennomgår en endring når det er eksponering av lysresistoren.

Fotoledningsevne: Elektronbærerne genereres når fotolederens halvledermaterialer som brukes absorberer fotonene, og dette resulterer i mekanismen som fungerer bak de lysavhengige motstandene.

Selv om du kan finne ut at materialene som brukes av fotoresistorer er forskjellige, er de stort sett alle halvledere.

Når de brukes i form av fotoresistorer, fungerer disse materialene bare som resistive elementer der det ikke er PN-kryss. Dette resulterer i at enheten blir helt passiv i naturen.

Fotoresistorer eller fotoledere er i utgangspunktet av to typer:

Intrinsic Photoresistor: Det fotoledende materialet som brukes av en bestemt fotoresistortype gjør det mulig for ladebærerne å bli begeistret og hoppe til ledningsbåndene fra henholdsvis deres første valensbindinger.

Ekstrinsisk fotoresistor: Det fotoledende materialet som brukes av en bestemt fotoresistortype gjør det mulig for ladebærerne å bli begeistret og hoppe til ledningsbåndene fra henholdsvis deres første valensbindinger eller urenheter.

Denne prosessen krever ikke-ioniserte forurensningsdopanter som også er grunne og krever at dette skjer når lys er til stede.

Utformingen av fotocellene eller ekstrinsiske fotoresistorer gjøres spesielt med tanke på de lange bølgelengdestrålinger som infrarød stråling i de fleste tilfeller.

Men utformingen vurderer også det faktum at enhver form for termisk generering må unngås siden de er pålagt å operere ved temperaturer som er veldig relativt lave.

Grunnleggende struktur av LDR

Antallet naturlige metoder som ofte observeres for fremstilling av fotoresistorer eller lysavhengige motstander er svært få i antall.

Et resistivt materiale som er følsomt for lys, brukes av de lysavhengige motstandene for konstant eksponering for lys. Som diskutert ovenfor er det et spesifikt avsnitt som behandles av det lysfølsomme resistive materialet som kreves for å være i kontakt med begge eller en av endene av terminalene.

Et halvlederlag som er aktivt i naturen blir brukt i en generell struktur av en fotoresistor eller en lysavhengig motstand, og et isolerende substrat blir videre brukt for å avsette halvlederlaget.

For å gi halvlederlaget ledningsevnen til det nødvendige nivået, dopes førstnevnte lett. Deretter er terminaler koblet riktig over de to endene.

Et av hovedspørsmålene i den grunnleggende strukturen til den lysavhengige motstanden eller fotocellen er materialets motstand.

Kontaktområdet til det resistive materialet minimeres for å sikre at når enheten blir utsatt for lys, gjennomgår den en endring i motstanden effektivt. For å oppnå denne tilstanden er det sikret at det omkringliggende området av kontaktene er dopet tungt, noe som resulterer i reduksjon av motstanden i det gitte området.

Formen på det omkringliggende området av kontakten er designet for å være hovedsakelig i interdigital mønster eller sikksakkform.

Dette muliggjør maksimering av det eksponerte området sammen med reduksjonen i nivåene av den falske motstanden, som igjen resulterer i forsterkning av forsterkningen ved å trekke sammen avstanden mellom de to kontaktene til fotoresistorer og gjøre den liten.

Det er også en mulighet for bruk av halvledermaterialet, slik som polykrystallinsk halvleder, som deponerer det på et substrat. Et av underlagene som kan brukes til dette er keramikk. Dette gjør at den lysavhengige motstanden kan være billig.

Hvor fotoresistorer brukes

Det mest attraktive poenget med den lysavhengige motstanden eller en fotoresistor er at den er billig og dermed er mye brukt i en rekke elektroniske kretsdesigner.

Bortsett fra dette gir de robuste funksjonene og den enkle strukturen dem også en fordel.

Selv om fotoresistoren mangler forskjellige funksjoner som finnes i en fototransistor og en fotodiode, er det fortsatt et ideelt valg for en rekke bruksområder.

Dermed har LDR blitt brukt kontinuerlig i lang tid i en rekke applikasjoner som fotografiske lysmålere, innbruddstyver og røykvarslere, i gatelyktene for å kontrollere belysning, flammedetektorer og kortlesere.

Faktoren som bestemmer fotoresistoregenskapene er materialtypen som brukes, og dermed kan egenskapene variere tilsvarende. Noen av materialene som brukes av fotoresistorer, har konstanter av veldig lang tid.

Dermed er det viktig at fotoresistortypen si er valgt nøye for spesifikke applikasjoner eller kretser.

Innpakning

Lysavhengig motstand eller LDR er en av de veldig nyttige senseringsenhetene som kan implementeres på mange forskjellige måter for behandling av lysintensitet. Enheten er billigere sammenlignet med andre lyssensorer, men den er i stand til å tilby de nødvendige tjenestene med størst effektivitet.

De ovenfor omtalte LDR-kretsene er bare noen få eksempler som forklarer den grunnleggende modusen for bruk av en LDR i praktiske kretser. De diskuterte dataene kan studeres og tilpasses på flere måter for mange interessante applikasjoner. Har du spørsmål? Uttrykk gjerne gjennom kommentarfeltet.