LDR-kredsløb og arbejdsprincip

Som navnet antyder, er en LDR- eller lysafhængig modstand en slags modstand, der udviser en bred vifte af modstandsværdier afhængigt af lysintensiteten, der falder ind på dens overflade. Variationen i modstandsområdet kan være alt fra få hundrede ohm til mange megaohm.

De er også kendt som fotoresistorer. Modstandsværdien i en LDR er omvendt proportional med intensiteten af ​​lyset, der falder på den. Det betyder, at når lyset er mindre, er modstanden mere og omvendt.

LDR intern konstruktion

Den følgende figur viser den interne dissekerede afbildning af en LDR-enhed, hvor vi kan se det fotoledende stof påført i zigzag eller oprullet mønster, indlejret over en keramisk isoleringsbase og med slutpunkterne afsluttet som ledninger til enheden.

Mønsteret sikrer maksimal kontakt og interaktion mellem det krystallinske fotoledende materiale og elektroderne, der adskiller dem.

Det fotoledende materiale består generelt af cadmiumsulfid (CdS) eller cadmium selenid (CdSe).

Typen og tykkelsen af ​​materialet og bredden af ​​det deponerede lag angiver rækkevidden for LDR-modstandsværdien og også mængden af ​​watt, den kan håndtere.

Enhedens to ledninger er indlejret i en uigennemsigtig ikke-ledende base med en isoleret gennemsigtig belægning over det fotoledende lag.

Det skematiske symbol på en LDR vises nedenfor:

LDR-størrelser

Diameteren på fotoceller eller LDR'er kan variere fra 1/8 tomme (3 mm) til over en tomme (25 mm). Normalt fås disse med diametre på 10 mm.

LDR'er, der er mindre end dette, bruges generelt, hvor plads kan være et problem eller i SMD-baserede kort. De mindre varianter udviser lavere spredning. Du kan også finde et par varianter, der er hermetisk forseglet for at sikre pålidelig arbejde selv under barske og uønskede miljøer.

Sammenligning af LDR-karakteristika med menneskets øje

Grafen ovenfor giver sammenligningen mellem egenskaberne ved lysfølsomme enheder og vores øje. Grafen viser afbildningen af ​​relativ spektral respons mod bølgelængde fra 300 til 1200 nanometer (nm).

Den menneskelige øjes karakteristiske bølgeform angivet med den stiplede klokkeformede kurve afslører det faktum, at vores øje har øget følsomhed over for et relativt smallere bånd af det elektromagnetiske spektrum, cirka mellem 400 og 750 nm.

Toppen af ​​kurven har en maksimal værdi i det grønne lysspektrum inden for området 550 nm. Dette strækker sig ned i det violette spektrum med et interval mellem 400 og 450 nm på den ene side. På den anden side strækker dette sig ind i det mørkerøde lysområde med et interval mellem 700 og 780 nm.

Ovenstående figur afslører også nøjagtigt, hvorfor cadmiumsulfid (CdS) fotoceller har tendens til at være favoritterne i lysstyret kredsløbsapplikation: spektralresponskurve toppe for Cds er nær 600 nm, og denne specifikation er helt identisk med rækkevidden af ​​det menneskelige øje.

Faktisk kan cadmium selenid (CdSe) responskurve toppe endda strække sig ud over 720 nm.

LDR-modstand mod lysgraf

Når det er sagt, kan CdSe udvise højere følsomhed over for næsten hele spektret af det synlige lys. Generelt kan den karakteristiske kurve for en CdS-fotocelle være som angivet i den følgende figur.

Dens modstand i fravær af lys kan være omkring 5 megohms, hvilket kan falde til omkring 400 ohm i nærvær af lysintensitet på 100 lux eller et lysniveau svarende til et optimalt oplyst rum og omkring 50 ohm når lysintensiteten er så høj som 8000 lux. typisk som opnået fra direkte stærkt sollys.

Lux er SI-enheden til belysningsstyrke genereret af en lysstrøm på 1 lumen jævnt fordelt over en overflade på 1 kvadratmeter. De moderne fotoceller eller LDR'er er tilstrækkeligt klassificeret til effekt og spænding, på niveau med normale faste modstande.

Strømforsyningskapaciteten for en standard LDR kan være omkring 50 og 500 milliwatt, hvilket kan afhænge af kvaliteten af ​​det materiale, der anvendes til detektoren.

Måske er det eneste, der ikke er så godt ved LDR'er eller fotoresistorer, deres specifikation for langsom respons på lysændringer. Fotoceller bygget med cadmium-selenid udviser typisk kortere tidskonstanter end cadmium-sulfid-fotoceller (ca. 10 millisekunder i modsætning til 100 millisekunder).

Du kan også finde disse enheder med lavere modstand, øget følsomhed og modstandskoefficient med forhøjet temperatur.

De vigtigste applikationer, hvor fotoceller normalt implementeres, er i fotografiske eksponeringsmålere, lys og mørke aktiverede kontakter til styring gadelamper og indbrudsalarmer. I nogle lysaktiverede alarmer applikationer udløses systemet gennem en lysstråleafbrydelse.

Du kan også støde på refleksionsbaserede røgalarmer ved hjælp af fotoceller.

LDR applikationskredsløb

De følgende billeder viser et par af de interessante praktiske fotocelleanvendelseskredsløb.

Lysaktiveret relæ

TRANSISTOREN KAN VÆRE ENHVER SMÅ SIGNALTYPE SÅDAN SOM BC547

Det ligetil LDR-kredsløb, der er angivet i ovenstående figur, er bygget til at reagere, når der falder lys på LDR installeret i et normalt mørkt hulrum, f.eks. Inde i en kasse eller et hus.

Fotocellen R1 og modstanden R2 skaber en potentiel skillevæg, der fikserer grundforstyrrelsen af ​​Q1. Når det er mørkt, udviser fotocellen en øget modstand, hvilket fører til en nul forspænding på bunden af ​​Q1, på grund af hvilken, Q1 og relæet RY1 forbliver slukket.

Hvis der detekteres et passende lysniveau på fotocellen LDR, falder dets modstandsniveau hurtigt til nogle lavere størrelser. og et forspændingspotentiale får lov til at nå bunden af ​​Q1. Dette tænder relæ RY1, hvis kontakter bruges til at styre et eksternt kredsløb eller belastning.

Mørkeaktiveret relæ

Den næste figur viser, hvordan det første kredsløb kan omdannes til et mørkeaktiveret relækredsløb.

I dette eksempel aktiveres relæet i fravær af lys på LDR. R1 bruges til at justere opsætning af kredsløbets følsomhed. Modstand R2 og fotocellen R3 fungerer som en spændingsdeler.

Spændingen ved krydset mellem R2 og R3 stiger, når lyset falder på R3, som er bufret af emitter tilhænger Q1. Emitteroutput fra Q1-drev fælles emitterforstærker Q2 via R4 og styrer relæet tilsvarende.

Præcision LDR lysdetektor

Selvom de er enkle, er ovenstående LDR-kredsløb sårbare over for forsyningsspændingsændringer og også ændringer i omgivelsestemperaturen.

Det næste diagram viser, hvordan ulempen kunne tackles gennem et lysaktiveret kredsløb med følsom præcision, der ville fungere uden at blive påvirket af spændings- eller temperaturvariationer.

I dette kredsløb er LDR R5, pot R6 og modstande R1 og R2 konfigureret med hinanden i form af et Wheatstone-bronetværk.

Op amp ICI sammen med transistoren Q1 og relæ RY1 arbejde som en meget følsom switch-detekterende switch.

Broens afbalanceringspunkt påvirkes ikke, uanset variationer i forsyningsspænding eller atmosfærisk temperatur.

Det udføres kun af ændringerne i de relative værdier af de komponenter, der er knyttet til bronetværket.

I dette eksempel udgør LDR R5 og potten R6 en arm af Wheatstone-broen. R1 og R2 danner broens anden arm. Disse to arme fungerer som spændingsdelere. R1 / R2-armen etablerer en konstant forsyningsspænding på 50% til op-forstærkerens ikke-inverterende indgang.

Den potentielle opdeler dannet af potten og LDR genererer en lysafhængig variabel spænding til op-forstærkerens inverterende indgang.

Opsætningen af ​​kredsløbet, potten R6 justeres, så potentialet ved krydset mellem R5 og R6 går højere end potentialet ved pin3, når den ønskede mængde omgivende lys falder på LDR.

Når dette sker, skifter op-forstærkerens output øjeblikkeligt tilstand fra positiv til 0V, og tænder Q1 og det tilsluttede relæ. Relæet aktiverer og slukker for belastningen, som kan være en lampe.

Dette op-baserede LDR-kredsløb er meget præcist og reagerer selv på små ændringer i lysintensiteter, som ikke kan detekteres af menneskeligt øje.

Ovenstående op amp design kan let omdannes til et mørke aktiveret relæ enten ved at bytte pin2 og pin3 forbindelser eller ved at bytte R5 og R6 positioner, som vist nedenfor:

Tilføjer Hysteresis-funktion

Om nødvendigt kan dette LDR-kredsløb opgraderes med en hysteresefunktion som vist i det næste diagram. Dette gøres ved at indføre en feedbackmodstand R5 på tværs af udgangsstiften og pin3 på IC'en.

I dette design aktiveres relæet normalt, når lysintensiteten går over det forudindstillede niveau. Men når lyset på LDR falder og falder end den forudindstillede værdi, slukker det ikke relæet på grund af hysterese effekt .

Relæet slukkes kun, når lyset er faldet til et betydeligt lavere niveau, hvilket bestemmes af værdien på R5. Lavere værdier vil indføre mere forsinkelsesforsinkelse (hysterese) og omvendt.

Kombination af lys og mørke aktiveringsfunktioner i en

Dette design er et præcist lys / mørkt relæ er designet ved at kombinere de tidligere forklarede mørke og lyskontaktkredsløb. Dybest set er det en vindueskomparator kredsløb.

Relæet RY1 er tændt, når enten lysniveauet på LDR overstiger en af ​​grydeindstillingerne eller falder under den anden grydeindstillingsværdi.

Pot R1 bestemmer mørkeaktiveringsniveauet, mens potten R3 indstiller tærsklen for relæets aktivering af lysniveau. Potten R2 bruges til at justere forsyningsspændingen til kredsløbet.

Opsætningsproceduren inkluderer justering af den første forudindstillede pot R2, således at der tilføres ca. halv forsyningsspænding ved LDR R6 og pot R2-krydset, når LDR modtager lys på et normalt intensitetsniveau.

Potentiometer R1 justeres efterfølgende således, at relæ RY1 tænder, så snart LDR registrerer et lys under det foretrukne mørke niveau.

Ligeledes kan pot R3 indstilles, så relæet RY1 tændes med det tilsigtede lysstyrkeniveau.

Lysudløst alarmkredsløb

Lad os nu se, hvordan en LDR kan anvendes som et lysaktiveret alarmkredsløb.

Alarmklokken eller summeren skal være af intermitterende type, hvilket betyder, at den lyder med kontinuerlige ON / OFF-gentagelser og vurderes til at arbejde med strøm mindre end 2 amp. LDR R3 og modstand R2 udgør et spændingsdeler-netværk.

Under dårlige lysforhold er fotocellen eller LDR-modstanden høj, hvilket medfører, at spændingen ved R3 og R2-krydset er utilstrækkelig til at udløse den vedhæftede SCR1-port.

Når det indfaldende lys er lysere, falder LDR-modstanden til et niveau, der er tilstrækkeligt til at udløse SCR, som tænder og aktiverer alarmen.

Omvendt når det bliver mørkere, øges LDR-modstanden og slukker for SCR og alarmen.

Det er vigtigt at bemærke, at SCR her kun slukkes, fordi alarmen er en intermitterende type, der hjælper med at bryde SCR-låsen i fravær af en portstrøm og slukke for SCR.

Tilføjelse af en følsomhedskontrol

Ovenstående SCR LDR alarmkredsløb er ret rå og har meget lav følsomhed og mangler også en følsomhedskontrol. Den næste figur nedenfor afslører, hvordan designet kunne forbedres med de nævnte funktioner.

Her erstattes den faste modstand i det foregående diagram med en potte R6 og et buffer BJT-trin indført gennem Q1 mellem porten til SCR og LDR-udgangen.

Derudover kan vi se en push-off-kontakt A1 og R4 parallelt med klokken eller alarmenheden. Dette trin giver brugeren mulighed for at konvertere systemet til en låsealarm uanset klokkeindretningens intermitterende natur.

Modstanden R4 sikrer, at selvom klokken ringer i en selvafbrydende lyd, brydes låseanodestrømmen aldrig, og SCR forbliver låst, når den er udløst TIL.

S1 bruges til at bryde låsen manuelt og lukke SCR og alarmen.

For yderligere at forbedre den ovennævnte forklarede SCR-lysaktiverede alarm med forbedret præcision kan der tilføjes en op-amp-baseret udløsning som vist nedenfor. Arbejdet i kredsløbet svarer til de tidligere diskuterede LDR-lysaktiverede design.

LDR alarmkredsløb med pulstoneudgang

Dette er endnu et mørkt aktiveret alarmkredsløb med en integreret 800 Hz pulsgenerator med lav effekt til at køre en højttaler.

To NOR-porte IC1-c og ICI-d er konfigureret som en astabel multivibrator til generering af en frekvens på 800 Hz. Denne frekvens føres ind i højttaleren via en lille signalforstærker ved hjælp af BJT Q1.

Ovenstående NOR-porttrin aktiveres kun, så længe output fra IC 1-b bliver lav eller 0V. De to andre NOR-porte IC 1-a og IC1-b er ligeledes tilsluttet som en stabil multivibrator til frembringelse af en 6 Hz pulsudgang og er også kun aktiveret, når portbenet 1 trækkes lavt eller ved 0V.

Pin1 kan ses rigget med det potentielle skillekryds dannet af LDR R4 og pot R5.

Det fungerer sådan her: Når lyset på LDR er tilstrækkeligt lyst, er krydspotentialet højt, hvilket holder begge de astable multivibratorer deaktiverede, hvilket betyder, at der ikke er nogen lydoutput fra højttaleren.

Men når lysniveauet falder til under det forudindstillede niveau, bliver R4 / R5-krydset tilstrækkeligt lavere, hvilket aktiverer den 6 Hz astable. Denne astable begynder nu at gate eller skifte 800 Hz astable ved 6 Hz rate. Dette resulterer i en multiplekset 800 Hz tone på højttaleren, pulserende ved 6 Hz.

For at tilføje en låsefacilitet til ovenstående design skal du blot tilføje afbryderen S1 og modstanden R1 som angivet nedenfor:

For at få en høj, forstærket lyd fra højttaleren kan det samme kredsløb opgraderes med et forbedret output transistortrin som vist nedenfor:

I vores tidligere diskussion lærte vi, hvordan en op-forstærker kan bruges til at forbedre LDR-lysdetekteringspræcisionen. Det samme kan anvendes i ovenstående design for at skabe et superpræcisions pulsdetektorkredsløb

LDR tyverialarmkredsløb

Et simpelt LDR-lysstråleafbrydelse af tyverialarmkredsløb kan ses nedenfor.

Normalt modtager fotocellen eller LDR den krævede mængde lys gennem den installerede lysstrålekilde. Dette kan være fra en Laser stråle kilde også.

Dette holder, at dets modstand er lav, og dette producerer også utilstrækkeligt lavt potentiale ved potten R4 og fotocellen R5-krydset. På grund af dette forbliver SCR sammen med klokke deaktiveret.

Imidlertid får lysstrålen i tilfælde af, at LDR-modstanden øges, hvilket markant øger krydspotentialet for R4 og R5.

Dette udløser straks SCR1, der tænder for alarmklokken. Modstand R3 i serie med switch S1 introduceres for at muliggøre permanent låsing af alarmen.

Sammenfatning af LDR-specifikationer

Der er mange forskellige navne, som LDR (lysafhængige modstande) er kendt for, som inkluderer navne som fotoresistor, fotocelle, fotoledende celle og fotoleder.

Normalt er det udtryk, der er mest udbredt og mest brugt i instruktioner og datablad, navnet 'fotocelle'.

Der er en række anvendelser, som LDR eller fotoresistoren kan anvendes til, da disse enheder er gode med deres lysfølsomme egenskaber og også er tilgængelige til lave omkostninger.

Således kunne LDR forblive populær i lang tid og i vid udstrækning anvendes i applikationer såsom fotografiske lysmålere, indbrudstyv- og røgdetektorer, i gadelamper til styring af belysning, flammedetektorer og kortlæsere.

Den generiske betegnelse 'fotocelle' bruges til lysafhængige modstande inden for den generelle litteratur.

Opdagelse af LDR

Som diskuteret ovenfor har LDR været den foretrukne blandt fotocellerne i lang tid. De tidlige former for fotoresistorer blev fremstillet og introduceret på markedet i det tidlige nittende århundrede.

Dette blev fremstillet gennem opdagelsen af ​​'selenets fotokonduktivitet' i 1873 af forskeren ved navn Smith.

Et godt udvalg af forskellige fotoledende enheder er blevet fremstillet siden da. En vigtig fremgang på dette område blev gjort i det tidlige tyvende århundrede, især i 1920 af den berømte videnskabsmand T.W. Case, der arbejdede med fænomenet fotokonduktivitet og hans papir, 'Thalofide Cell- en ny fotoelektrisk celle' blev offentliggjort i 1920.

I løbet af de næste to årtier i 1940'erne og 1930'erne blev en række andre relevante stoffer undersøgt til udvikling af fotoceller, der omfattede PbTe, PbS og PbSe. Yderligere i 1952 blev fotolederne halvlederversionen af ​​disse enheder udviklet af Simmons og Rollin ved hjælp af germanium og silicium.

Symbol for de lysafhængige modstande

Kredsløbssymbolet, der bruges til fotoresistoren eller den lysafhængige modstand, er en kombination af modstanden animeret for at indikere, at fotoresistoren er lysfølsom.

Det grundlæggende symbol på den lysafhængige modstand består af et rektangel, der symboliserer modstandens funktion af LDR. Symbolet består desuden af ​​to pile i den indgående retning.

Det samme symbol bruges til at symbolisere følsomheden over for lys i fototransistorer og fotodioder.

Symbolet for 'modstand og pile' som beskrevet ovenfor bruges af de lysafhængige modstande i de fleste af deres applikationer.

Men der er få tilfælde, hvor symbolet, der bruges af de lysafhængige modstande, viser modstanden indkapslet i en cirkel. Dette er tydeligt i tilfælde, hvor kredsløbsdiagrammer er tegnet.

Men symbolet, hvor der ikke er cirkel omkring modstanden, er et mere almindeligt symbol, der bruges af fotoresistorer.

Tekniske specifikationer

Overfladen af ​​LDR er bygget med to cadmiumsulfid (cds) fotokonduktive celler med spektrale respons svarende til det menneskelige øjes. Modstanden fra cellerne falder lineært, når lysintensiteten øges på dens overflade.

Fotolederen, der er placeret mellem de to kontakter, bruges som en hovedresponsiv komponent af fotocellen eller fotoresistoren. Det modstanden fra fotoresistorer gennemgår en ændring når der er en eksponering af lysresistoren.

Fotokonduktivitet: Elektronbærerne genereres, når fotolederens anvendte halvledermaterialer absorberer fotoner, og dette resulterer i den mekanisme, der fungerer bag de lysafhængige modstande.

Selvom du måske finder ud af, at de materialer, der bruges af fotoresistorer, er forskellige, er de for det meste alle halvledere.

Når de bruges i form af fotoresistorer, fungerer disse materialer kun som resistive elementer, hvor der ikke er PN-kryds. Dette resulterer i, at enheden bliver helt passiv.

Fotoresistorer eller fotoledere er grundlæggende af to typer:

Iboende fotoresistor: Det fotoledende materiale, der anvendes af en bestemt fotoresistortype, gør det muligt for ladebærerne at blive ophidset og hoppe til ledningsbåndene fra henholdsvis deres indledende valensbindinger.

Ekstrinsisk fotoresistor: Det fotoledende materiale, der anvendes af en bestemt fotoresistortype, gør det muligt for ladebærerne at blive ophidsede og hoppe til ledningsbåndene fra henholdsvis deres indledende valensbindinger eller urenheder.

Denne proces kræver ikke-ioniserede dopingsmidler, der også er overfladiske, og kræver, at dette finder sted, når lys er til stede.

Udformningen af ​​fotoceller eller ekstrinsiske fotoresistorer udføres specifikt under hensyntagen til de lange bølgelængdestrålinger såsom infrarøde strålinger i de fleste tilfælde.

Men designen overvejer også det faktum, at enhver form for termisk produktion skal undgås, da de skal operere ved meget lave temperaturer.

Grundlæggende struktur for LDR

Antallet af naturlige metoder, der almindeligvis observeres til fremstilling af fotoresistorer eller lysafhængige modstande, er meget få i antal.

Et resistivt materiale, der er følsomt over for lys, anvendes af de lysafhængige modstande til konstant eksponering for lys. Som diskuteret ovenfor er der et specifikt afsnit, der behandles af det lysfølsomme resistive materiale, der kræves for at være i kontakt med begge eller en af ​​enderne af terminalerne.

Et halvlederlag, der er aktivt i naturen, anvendes i en generel struktur af en fotoresistor eller en lysafhængig modstand, og et isolerende substrat anvendes yderligere til aflejring af halvlederlaget.

For at give halvlederlaget ledningsevne for det krævede niveau, dopes førstnævnte let. Derefter forbindes terminaler passende på tværs af de to ender.

Et af nøglespørgsmålene i den grundlæggende struktur af den lysafhængige modstand eller fotocelle er materialets modstand.

Kontaktområdet for det resistive materiale minimeres for at sikre, at når enheden udsættes for lyset, gennemgår den en effektiv modstandsændring. For at opnå denne tilstand sikres det, at det omkringliggende område af kontakterne er dopet kraftigt, hvilket resulterer i reduktion af modstanden i det givne område.

Formen på det omgivende område af kontakten er designet til hovedsagelig at være i det interdigitale mønster eller zigzag-formen.

Dette muliggør maksimering af det eksponerede område sammen med reduktionen i niveauerne af den falske modstand, hvilket igen resulterer i forstærkning af forstærkningen ved at samle afstanden mellem de to kontakter på fotoresistorer og gøre den lille.

Der er også en mulighed for anvendelse af halvledermaterialet, såsom polykrystallinsk halvleder, der deponerer det på et substrat. Et af substraterne, der kan bruges til dette, er keramik. Dette gør det muligt for den lysafhængige modstand at være billig.

Hvor fotoresistorer bruges

Det mest attraktive punkt for den lysafhængige modstand eller en fotoresistor er, at den har en billig pris og således er meget anvendt i en række elektroniske kredsløbskonstruktioner.

Bortset fra dette giver deres robuste funktioner og enkle struktur dem også en fordel.

Selvom fotoresistoren mangler forskellige funktioner, som findes i en fototransistor og en fotodiode, er det stadig et ideelt valg til en række anvendelser.

Således er LDR blevet brugt kontinuerligt i lang tid i en række applikationer såsom fotografiske lysmålere, indbrudstyv- og røgdetektorer i gadelamper til styring af belysning, flammedetektorer og kortlæsere.

Den faktor, der bestemmer fotoresistoregenskaberne, er den anvendte materialetype, og egenskaberne kan således variere i overensstemmelse hermed. Nogle af de materialer, der bruges af fotoresistorer, har konstanter af meget lang tid.

Således er det afgørende, at fotoresistortypen si vælges omhyggeligt til specifikke applikationer eller kredsløb.

Afslutter

Lysafhængig modstand eller LDR er en af ​​de meget nyttige sensorenheder, der kan implementeres på mange forskellige måder til behandling af lysintensitet. Enheden er billigere sammenlignet med andre lyssensorer, men alligevel er den i stand til at levere de nødvendige tjenester med den største effektivitet.

Ovenstående diskuterede LDR-kredsløb er blot nogle få eksempler, der forklarer den grundlæggende metode til brug af en LDR i praktiske kredsløb. De diskuterede data kan studeres og tilpasses på flere måder til mange interessante applikationer. Har du spørgsmål? Du er velkommen til at udtrykke gennem kommentarfeltet.