Circuits LDR i principi de treball

Com el seu nom indica, una resistència LDR o Light Dependent Resistor és una mena de resistència que presenta una àmplia gamma de valors de resistència en funció de la intensitat de la llum incident a la seva superfície. La variació del rang de resistència pot ser des de pocs centenars d’ohms fins a molts megaohms.

També es coneixen com a fotoresistències. El valor de resistència en un LDR és inversament proporcional a la intensitat de la llum que hi cau. És a dir, quan la llum és menor, la resistència és més gran i viceversa.

Construcció interna LDR

La següent figura mostra la vista dissecada interna d’un dispositiu LDR on podem veure la substància fotoconductora aplicada dins del patró en zig-zag o enrotllat, incrustada sobre una base aïllant ceràmica i amb els punts finals acabats com a conductors del dispositiu.

El patró garanteix el màxim contacte i interacció entre el material fotoconductor cristal·lí i els elèctrodes que els separen.

El material fotoconductor consisteix generalment en sulfur de cadmi (CdS) o selenur de cadmi (CdSe).

El tipus i el gruix del material i l'amplada de la capa dipositada especifiquen l'abast del valor de resistència LDR i també la quantitat de watts que pot suportar.

Els dos cables del dispositiu estan incrustats en una base opaca no conductora amb un recobriment transparent aïllat sobre la capa fotoconductora.

A continuació es mostra el símbol esquemàtic d’un LDR:

Mides LDR

El diàmetre de les fotocèl·lules o LDR pot variar des de 1/8 de polzada (3 mm) fins a una polzada superior (25 mm). Normalment estan disponibles amb diàmetres de 3/8 polzades (10 mm).

Generalment, s’utilitzen LDR més petits que allà on l’espai pot ser preocupant o en plaques basades en SMD. Les variants més petites presenten una menor dissipació. També podeu trobar algunes variants hermèticament segellades per garantir un treball fiable fins i tot en entorns difícils i indesitjables.

Comparació de les característiques LDR amb l'ull humà

El gràfic anterior proporciona la comparació entre les característiques dels dispositius fotosensibles i el nostre ull. El gràfic mostra el traçat de la resposta espectral relativa contra la longitud d’ona de 300 a 1200 nanòmetres (nm).

La forma d'ona característica de l'ull humà indicada per la corba en forma de campana de punts revela el fet que el nostre ull té una sensibilitat millorada a una banda relativament més estreta de l'espectre electromagnètic, aproximadament entre 400 i 750 nm.

El pic de la corba té un valor màxim en l'espectre de llum verda dins del rang de 550 nm. Això s’estén cap a l’espectre violeta amb un rang d’entre 400 i 450 nm en un costat. A l'altre costat, això s'estén a la regió de la llum vermella fosca amb un rang d'entre 700 i 780 nm.

La figura anterior també revela exactament per què les fotocèl·lules de sulfur de cadmi (CdS) solen ser les preferides en aplicacions de circuits controlats per la llum: els pics de la corba de resposta espectral per a Cds són propers als 600 nm, i aquesta especificació és bastant idèntica al rang de l’ull humà.

De fet, els pics de la corba de resposta del selenur de cadmi (CdSe) fins i tot poden arribar a superar els 720 nm.

LDR Resistance Vs Light Graph

Dit això, CdSe pot presentar una sensibilitat més gran a gairebé tot el rang de l'espectre de llum visible. En general, la corba característica d'una fotocèl·lula CdS pot ser la que es dóna a la figura següent.

La seva resistència en absència de llum pot rondar els 5 megohms, que poden baixar fins als 400 ohms en presència d’una intensitat de llum de 100 lux o un nivell de llum equivalent a una habitació il·luminada de manera òptima, i d’uns 50 ohms quan la intensitat de la llum arriba fins als 8000 lux. típicament s'obté a partir d'una llum solar directa.

El lux és la unitat SI d’il·luminació generada per un flux lluminós d’1 lumen repartit uniformement sobre una superfície d’1 metre quadrat. Les fotocèl·lules modernes o LDR tenen una potència i una tensió adequades, igual que les resistències de tipus fix fixes.

La capacitat de dissipació de potència per a un LDR estàndard podria rondar els 50 i 500 milliwatts, que pot dependre de la qualitat del material utilitzat per al detector.

Potser l’únic que no és tan bo sobre els LDR o els fotoresistors és la seva especificació de resposta lenta als canvis de llum. Les fotocèl·lules construïdes amb selenur de cadmi presenten normalment constants de temps més curtes que les fotocèl·lules de sulfur de cadmi (aproximadament 10 mil·lisegons en contrast amb 100 mil·lisegons).

També podeu trobar aquests dispositius amb resistències més baixes, sensibilitat augmentada i coeficient de resistència a la temperatura elevat.

Les principals aplicacions en què normalment s’implementen les fotocèl·lules són els mesuradors d’exposició fotogràfics, interruptors activats de llum i foscor per controlar llums del carrer , i alarmes antirrobo. En algunes aplicacions d'alarmes activades per llum, el sistema s'activa a través d'una interrupció del feix de llum.

També podeu trobar alarmes de fum basades en la reflexió mitjançant fotocèl·lules.

Circuits d'aplicacions LDR

Les imatges següents mostren alguns dels circuits pràctics d’aplicació de fotocèl·lules interessants.

Relé activat per llum

EL TRANSISTOR POT SER UN TIPUS DE SENYAL PETIT COM A BC547

El senzill circuit LDR indicat a la figura anterior està construït per respondre sempre que cau llum sobre el LDR instal·lat en una cavitat normalment fosca, per exemple a l'interior d'una caixa o un allotjament.

La fotocèl·lula R1 i la resistència R2 creen un divisor de potencial que fixa el biaix de la base de Q1. Quan és fosc, la fotocèl·lula presenta una resistència augmentada, que provoca un biaix zero a la base de Q1, a causa del qual, Q1 i el relé RY1 romanen apagats.

En cas que es detecti un nivell adequat de llum a la fotocèl·lula LDR, el seu nivell de resistència caurà ràpidament a algunes magnituds inferiors. i es permet que un potencial de polarització arribi a la base de Q1. Això activa el relé RY1, els contactes del qual s’utilitzen per controlar un circuit extern o una càrrega.

Relé activat per la foscor

La següent figura mostra com es pot transformar el primer circuit en un circuit de relé activat per la foscor.

En aquest exemple, el relé s'activa en absència de llum al LDR. R1 s'utilitza per ajustar la configuració de la sensibilitat del circuit. La resistència R2 i la fotocèl·lula R3 funcionen com un divisor de tensió.

La tensió a la unió de R2 i R3 augmenta quan la llum cau sobre la R3, que és amortida per seguidor de l'emissor P1. La sortida de l’emissor de les unitats Q1 amplificador d’emissor comú Q2 via R4, i correspon controlar el relé.

Detector de llum LDR de precisió

Tot i que són simples, els circuits LDR anteriors són vulnerables als canvis de voltatge de subministrament i també als canvis de temperatura ambient.

El següent diagrama mostra com es podria abordar l’inconvenient mitjançant un circuit activat amb llum de precisió sensible que funcionaria sense afectar-se per variacions de tensió o temperatura.

En aquest circuit, el LDR R5, el pot R6 i les resistències R1 i R2 es configuren entre si en forma de xarxa de ponts de Wheatstone.

L'ampli operatiu ICI juntament amb el transistor Q1 i relé treball RY1 com un interruptor de detecció d’equilibris molt sensible.

El punt d'equilibri del pont no es veu afectat, independentment de les variacions de la tensió d'alimentació o de la temperatura atmosfèrica.

Només s’efectua mitjançant els canvis en els valors relatius dels components associats a la xarxa de ponts.

En aquest exemple, el LDR R5 i el pot R6 constitueixen un braç del pont de Wheatstone. R1 i R2 formen el segon braç del pont. Aquests dos braços actuen com a divisors de tensió. El braç R1 / R2 estableix una tensió d'alimentació constant del 50% a l'entrada no inversora de l'amplificador operacional.

El divisor de potencial format per l'olla i el LDR genera un voltatge variable dependent de la llum a l'entrada inversora de l'amplificador operatiu.

La configuració del circuit, el pot R6 s’ajusta de manera que el potencial a la unió de R5 i R6 sigui superior al potencial del pin3 quan la quantitat desitjada de llum ambiental cau al LDR.

Quan això succeeix, la sortida de l'amplificador operatiu canvia instantàniament d'estat de positiu a 0V, en activar Q1 i el relé connectat. El relé s’activa i apaga la càrrega que podria ser un llum.

Aquest circuit LDR basat en amplificador operatiu és molt precís i respondrà fins i tot a canvis minúsculs en la intensitat de la llum, que no poden ser detectats per l’ull humà.

El disseny d'amplificador operatiu anterior es pot transformar fàcilment en un relé activat per la foscor, ja que canviant les connexions pin2 i pin3 o canviant les posicions R5 i R6, com es demostra a continuació:

Addició de la funció d’histèresi

Si cal, aquest circuit LDR es pot actualitzar amb un característica d’histèresi tal com es mostra al següent diagrama. Això es fa introduint una resistència de retroalimentació R5 a través del pin de sortida i el pin3 del CI.

En aquest disseny, el relé s'actua normalment quan la intensitat de la llum supera el nivell predeterminat. Tanmateix, quan la llum del LDR cau i disminueix al valor predeterminat, no apaga el relé a causa de la efecte histèresi .

El relé s'apaga només quan la llum ha baixat a un nivell significativament inferior, que està determinat pel valor de R5. Els valors més baixos introduiran més retard de retard (histèresi) i viceversa.

Combinació de funcions d’activació clara i fosca en una

Aquest disseny és un relé de precisió llum / fosc dissenyat combinant els circuits de commutació de foscor i llum explicats anteriorment. Bàsicament és un comparador de finestres circuit.

El relé RY1 s’encén quan el nivell de llum del LDR supera un dels paràmetres de pot o baixa per sota de l’altre valor de paràmetre.

El pot R1 determina el nivell d'activació de la foscor, mentre que el pot R3 estableix el llindar per a l'activació del nivell de llum del relé. L'olla R2 s'utilitza per ajustar la tensió d'alimentació del circuit.

El procediment de configuració inclou ajustar el primer pot R2 predefinit de manera que s’introdueix aproximadament la meitat de la tensió d’alimentació a la unió LDR R6 i pot R2, quan el LDR rep llum a un nivell d’intensitat normal.

Posteriorment, el potenciòmetre R1 s’ajusta de manera que el relé RY1 s’encengui tan bon punt el LDR detecti una llum per sota del nivell de foscor preferit.

De la mateixa manera, el pot R3 es pot configurar de manera que el relé RY1 estigui engegat al nivell de brillantor previst.

Circuit d'alarma activat per llum

Ara anem a veure com es pot aplicar un LDR com a circuit d'alarma activat per llum.

El timbre d'alarma o el timbre ha de ser de tipus intermitent, és a dir, que soni amb repeticions continues d'encesa / apagat i ha de funcionar amb un corrent inferior a 2 amperes. LDR R3 i la resistència R2 formen una xarxa divisòria de tensió.

En condicions de poca llum, la resistència de la fotocèl·lula o LDR és elevada, cosa que fa que la tensió a les unions R3 i R2 sigui insuficient per activar la porta SCR1 connectada.

Quan la llum incident és més brillant, la resistència LDR cau a un nivell suficient per activar el SCR, que s'encén i activa l'alarma.

Opositivament, quan es fa més fosc, la resistència LDR augmenta, apagant el SCR i l'alarma.

És important tenir en compte que el SCR aquí s'apaga només perquè l'alarma és un tipus intermitent que ajuda a trencar el tancament del SCR en absència de corrent de porta, apagant el SCR.

Afegir un control de sensibilitat

El circuit d’alarma SCR LDR anterior és bastant cru i presenta una sensibilitat molt baixa i, a més, no té control de sensibilitat. La següent figura següent mostra com es pot millorar el disseny amb les funcions esmentades.

Aquí, la resistència fixa del diagrama anterior es reemplaça per un pot R6 i s’introdueix una etapa de memòria intermèdia BJT a través de Q1 entre la porta del SCR i la sortida LDR.

A més, podem veure l’interruptor A1 i R4 paral·lel a la campana o al dispositiu d’alarma. Aquesta etapa permet a l'usuari convertir el sistema en una alarma de bloqueig independentment de la naturalesa intermitent del dispositiu de campana.

La resistència R4 garanteix que, fins i tot mentre la campana sona en un so d’interrupció, el corrent de l’ànode de bloqueig mai es trenca i el SCR es manté bloquejat un cop activat.

S1 s’utilitza per trencar el pestell manualment i apagar l’SCR i l’alarma.

Per tal de millorar encara més l’alarma activada per llum SCR explicada anteriorment amb una precisió millorada, es pot afegir un activador basat en un amplificador operatiu tal com es mostra a continuació. El funcionament del circuit és similar als dissenys activats per llum LDR comentats anteriorment.

Circuit d'alarma LDR amb sortida de to pulsat

Aquest és un altre circuit d'alarma activat fosc amb un generador de polsos de 800 Hz de baixa potència integrat per conduir un altaveu alt.

Dues portes NOR IC1-c i ICI-d es configuren com un multivibrador astable per generar una freqüència de 800 Hz. Aquesta freqüència s’introdueix a l’altaveu mitjançant un petit amplificador de senyal mitjançant el BJT Q1.

L'etapa de porta NOR anterior només s'activa sempre que la sortida de l'IC 1-b sigui baixa o 0V. Les altres dues portes NOR IC 1-a i IC1-b estan connectades de manera similar a un multivibrador astable per produir una sortida d'impulsos de 6 Hz i també s'activa només quan el pin 1 de la porta es baixa o a 0V.

El Pin1 es pot veure equipat amb la unió divisòria potencial formada per la LDR R4 i la pota R5.

Funciona així: quan la llum de l'LDR és prou brillant, el potencial de connexió és elevat, cosa que manté deshabilitats els multivibrators astables, cosa que significa que no es produeix cap so de l'altaveu.

Tanmateix, quan el nivell de llum baixa per sota del nivell predeterminat, la unió R4 / R5 es redueix prou per activar l'estable de 6 Hz. Aquest astable ara comença a canviar o canviar l’astable de 800 Hz a una velocitat de 6 Hz. Això es tradueix en un to multiplexat de 800 Hz a l’altaveu, pulsat a 6 Hz.

Per afegir un dispositiu de bloqueig al disseny anterior, només cal afegir l’interruptor S1 i la resistència R1 tal com s’indica a continuació:

Per obtenir un so fort i elevat des de l’altaveu, es pot actualitzar el mateix circuit amb una etapa de transistor de sortida millorada com es mostra a continuació:

En la nostra discussió anterior, vam aprendre com es pot utilitzar un amplificador operatiu per millorar la precisió de la detecció de llum LDR. El mateix es pot aplicar al disseny anterior per crear un circuit de detecció de llum de to de pols de súper precisió

Circuit d'alarma antirobatori LDR

A continuació es pot veure un senzill circuit d’alarma antirobatori d’interrupció del feix de llum LDR.

Normalment, la fotocèl·lula o el LDR rep la quantitat de llum necessària a través de la font de feix de llum instal·lada. Això pot ser de punter làser font també.

Això manté que la seva resistència sigui baixa i això també produeix un potencial insuficientment baix a la unió R4 i fotocèl·lula R5. A causa d'això, el SCR juntament amb la campana romanen desactivats.

No obstant això, en un cas que el feix de llum s'interrompi, la resistència LDR augmentarà, augmentant significativament el potencial d'unió de R4 i R5.

Això fa que immediatament l’SCR1 s’encengui el timbre d’alarma. La resistència R3 de la sèrie amb l’interruptor S1 s’introdueix per permetre el bloqueig permanent de l’alarma.

Resum de les especificacions LDR

Hi ha molts noms diferents amb els quals es coneixen els LDR (Light Dependent Resistors), que inclouen noms com fotoresistència, fotocèl·lula, cèl·lula fotoconductora i fotoconductor.

Normalment, el terme més freqüent i utilitzat més popularment a les instruccions i als fulls de dades és el nom de 'fotocèl·lula'.

Hi ha diversos usos als quals es pot aplicar el LDR o la fotoresistència, ja que aquests dispositius són bons amb la seva propietat fotosensible i també estan disponibles a baix cost.

Per tant, LDR podria mantenir-se popular durant un llarg període de temps i s’utilitza àmpliament en aplicacions com ara mesuradors de llum fotogràfics, detectors de robatori i de fum, en fanals per controlar la il·luminació, detectors de flama i lectors de targetes.

El terme genèric de 'fotocèl·lula' s'utilitza per a les resistències dependents de la llum dins de la literatura general.

Descobriment de LDR

Com s'ha comentat anteriorment, el LDR ha estat el favorit entre les fotocèl·lules durant un llarg període de temps. Les primeres formes de les resistències fotogràfiques es van fabricar i introduir al mercat a principis del segle XIX.

Això es va fabricar mitjançant el descobriment de la 'fotoconductivitat del seleni' el 1873 pel científic anomenat Smith.

Des de llavors s’han fabricat una bona gamma de diferents dispositius fotoconductors. Un progrés important en aquest camp es va fer a principis del segle XX, especialment el 1920 pel reconegut científic T.W. Case 1920, que va treballar sobre el fenomen de la fotoconductivitat i el seu article, 'Thalofide Cell- a new photoelectric cell', es va publicar el 1920.

Durant les dues dècades següents, als anys quaranta i trenta, es van estudiar diverses substàncies rellevants per al desenvolupament de fotocèl·lules que incloïen PbTe, PbS i PbSe. A més, el 1952, els fotoconductors de la versió semiconductora d’aquests dispositius van ser desenvolupats per Simmons i Rollin mitjançant germani i silici.

Símbol de les resistències dependents de la llum

El símbol del circuit que s'utilitza per al fotoresistor o la resistència dependent de la llum és una combinació de la resistència animada per indicar que el fotoresistor té una naturalesa sensible a la llum.

El símbol bàsic de la resistència dependent de la llum consisteix en un rectangle que simbolitza la funció de la resistència de la LDR. El símbol també consta de dues fletxes en la direcció d'entrada.

El mateix símbol s’utilitza per simbolitzar la sensibilitat cap a la llum dels fototransistors i fotodíodes.

El símbol de la 'resistència i les fletxes', tal com es descriu anteriorment, és utilitzat per les resistències que depenen de la llum en la majoria de les seves aplicacions.

Però hi ha pocs casos en què el símbol utilitzat per les resistències que depenen de la llum representi la resistència inclosa dins d’un cercle. Això és evident quan es dibuixen diagrames de circuits.

Però el símbol on hi ha absència de cercle al voltant de la resistència és un símbol més comú utilitzat pels fotoresistors.

Especificacions tècniques

La superfície de LDR està construïda amb dues cèl·lules fotoconductores de sulfur de cadmi (CDS) que tenen respostes espectrals comparables a la de l’ull humà. La resistència de les cèl·lules cau linealment a mesura que augmenta la intensitat de la llum a la seva superfície.

El fotoconductor que es col·loca entre els dos contactes s'utilitza com a component principal de resposta per la fotocèl·lula o el fotoresistor. El la resistència dels fotoresistors experimenta un canvi quan hi ha una exposició del fotoresistor a la llum.

Fotoconductivitat: Els portadors d’electrons es generen quan els materials semiconductors utilitzats pel fotoconductor absorbeixen els fotons, i això dóna lloc al mecanisme que funciona darrere de les resistències que depenen de la llum.

Tot i que podeu trobar que els materials que fan servir els fotoresistors són diferents, la majoria són semiconductors.

Quan s’utilitzen en forma de fotoresistències, aquests materials actuen com a elements resistius només quan no hi ha unions PN. Això fa que el dispositiu esdevingui totalment passiu.

Els fotoresistors o els fotoconductors són bàsicament de dos tipus:

Fotoresistor intrínsec: El material fotoconductor utilitzat per un tipus de fotoresistor específic permet als portadors de càrrega excitar-se i saltar a les bandes de conducció des dels seus enllaços de valència inicials respectivament.

Fotoresistència extrínseca: El material fotoconductor utilitzat per un tipus de fotoresistor específic permet als portadors de càrrega excitar-se i saltar a les bandes de conducció des dels seus enllaços de valència inicial o impuresa respectivament.

Aquest procés requereix dopants de la impuresa no ionitzats que també són poc profunds i requereix que tingui lloc quan hi ha llum.

El disseny de les fotocèl·lules o fotoresistors extrínsecs es realitza específicament tenint en compte les radiacions de longitud d’ona llarga com les radiacions d’infrarojos en la majoria dels casos.

Però el disseny també té en compte el fet que cal evitar qualsevol tipus de generació tèrmica, ja que han de funcionar a temperatures relativament baixes.

Estructura bàsica de LDR

El nombre de mètodes naturals que s’observen habitualment per a la fabricació de fotoresistors o de resistències que depenen de la llum és molt escàs.

Les resistències dependents de la llum utilitzen un material resistiu sensible a la llum per a una exposició constant a la llum. Com s'ha comentat anteriorment, hi ha una secció específica que és processada pel material resistiu sensible a la llum que ha d'estar en contacte amb tots dos o amb un dels extrems dels terminals.

Una capa semiconductora que és activa en la naturalesa s’utilitza en una estructura general d’un fotoresistor o una resistència dependent de la llum i s’utilitza un substrat aïllant per dipositar la capa semiconductora.

Per tal de proporcionar a la capa de semiconductor la conductivitat del nivell requerit, la primera es dopa lleugerament. Després, els terminals es connecten adequadament a través dels dos extrems.

Un dels problemes clau en l’estructura bàsica de la resistència o fotocèl·lula dependent de la llum és la resistència del seu material.

L’àrea de contacte del material resistiu es minimitza per garantir que quan el dispositiu està exposat a la llum, experimenta un canvi de resistència de manera eficient. Per aconseguir aquest estat, s’assegura que la zona circumdant dels contactes es dopa fortament, cosa que redueix la resistència a la zona determinada.

La forma de la zona circumdant del contacte està dissenyada per ser majoritàriament en el patró interdigital o en forma de zig zag.

Això permet maximitzar la zona exposada juntament amb la reducció dels nivells de resistència espúria que al seu torn redunda en la millora del guany en contraure la distància entre els dos contactes dels fotoresistors i fer-la petita.

També hi ha la possibilitat que l’ús del material semiconductor, com ara el semiconductor policristal·lí, el dipositi sobre un substrat. Un dels substrats que es poden utilitzar per a això és la ceràmica. Això permet que la resistència dependent de la llum sigui de baix cost.

On s’utilitzen els fotoresistors

El punt més atractiu de la resistència que depèn de la llum o una fotoresistència és que és de baix cost i, per tant, és àmpliament utilitzat en diversos dissenys de circuits electrònics.

A més, les seves característiques robustes i la seva estructura senzilla també els proporcionen un avantatge.

Tot i que el fotoresistor no té diverses característiques que es troben en un fototransistor i un fotodiode, continua sent una opció ideal per a diverses aplicacions.

Per tant, LDR s’ha utilitzat contínuament durant un llarg període de temps en una àmplia gamma d’aplicacions, com ara comptadors de llum fotogràfics, detectors de robatori i de fum, en fanals per controlar la il·luminació, detectors de flama i lectors de targetes.

El factor que determina les propietats de la fotoresistència és el tipus de material que s’utilitza i, per tant, les propietats poden variar en conseqüència. Alguns dels materials utilitzats pels fotoresistors posseeixen constants de molt temps.

Per tant, és per excel·lència que el tipus de fotoresistència sigui seleccionat acuradament per a aplicacions o circuits específics.

Finalitzant

La resistència dependent de la llum o LDR és un dels dispositius de detecció molt útils que es poden implementar de moltes maneres diferents per processar la intensitat de la llum. El dispositiu és més barat en comparació amb altres sensors de llum, però és capaç de proporcionar els serveis necessaris amb la màxima eficiència.

Els circuits LDR comentats anteriorment són només alguns exemples que expliquen el mode bàsic d’utilitzar un LDR en circuits pràctics. Les dades discutides es poden estudiar i personalitzar de diverses maneres per a moltes aplicacions interessants. Tens preguntes? No dubteu a expressar-vos a través del quadre de comentaris.