Rezystory zależne od światła (LDR), zwane również fotorezystorami, są szeroko stosowanymi czujnikami światła, które zmieniają rezystancję w zależności od oświetlenia. Te niedrogie, pasywne komponenty stanowią wsparcie dla obwodów aktywowanych światłem, takich jak automatyczne latarnie uliczne, lampy solarne, alarmy i mierniki kamer. W tym artykule wyjaśniono ich budowę, symbol, zasadę działania, specyfikacje i zastosowania, podkreślając, dlaczego LDR pozostają aktywne w elektronice.
Klasa C1. Przegląd rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C2. Symbol rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C3. Budowa rezystora światłozależnego (LDR)
Klasa C4. Zasada działania rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C5. Rezystor zależny od światła (LDR) w obwodach
Klasa C6. Pasmo przenoszenia rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C7. Specyfikacja techniczna rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C8. Charakterystyka rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C9. Rodzaje rezystorów zależnych od światła (LDR)
Klasa C10. Testowanie rezystora zależnego od światła (LDR)
Klasa C11. Rezystor zależny od światła (LDR) a fotodioda
Klasa C12. Konkluzja
Klasa C13. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd rezystora zależnego od światła (LDR)
Rezystor zależny od światła (LDR), znany również jako fotorezystor, to pasywny dwuzaciskowy element elektroniczny, którego rezystancja zmienia się wraz z natężeniem padającego na niego światła. W przeciwieństwie do rezystorów stałych, jego rezystancja nie jest stała, ale zmienia się znacznie w zależności od oświetlenia. W ciemności rezystancja LDR może wzrosnąć do kilku megaomów, co ogranicza przepływ prądu, podczas gdy w jasnym świetle jej rezystancja spada do zaledwie kilkuset omów, co ułatwia przepływ prądu. Ta duża różnorodność rezystancji sprawia, że LDR są bardzo skuteczne w zastosowaniach wrażliwych na światło. Są one powszechnie stosowane w obwodach automatycznych latarni ulicznych, alarmów przeciwwłamaniowych, systemów śledzenia słońca i światłomierzy kamer, w których na reakcję obwodu bezpośrednio wpływają zmiany warunków oświetlenia otoczenia.
Symbol rezystora zależnego od światła (LDR)
Na schematach obwodów LDR jest pokazany jako rezystor z dwiema ukośnymi strzałkami skierowanymi w jego stronę.
• Symbol rezystora oznacza opór prądu.
• Strzałki reprezentują wpadające światło.
Ta konwencja pasuje do innych urządzeń światłoczułych, takich jak fotodiody i fototranzystory.
Budowa rezystora światłozależnego (LDR)
Rezystor zależny od światła jest wykonany z materiałów fotoprzewodzących, takich jak siarczek kadmu (CdS) lub selenek kadmu (CdSe). Materiały te zmieniają swoją przewodność elektryczną pod wpływem światła. Aby zmaksymalizować czułość, folia fotoprzewodząca jest zwykle osadzana w zygzakowatej lub serpentynowej ścieżce na ceramicznej podstawie, co zwiększa powierzchnię dostępną do przechwytywania światła.
Kluczowe elementy LDR:
• Warstwa fotoprzewodząca – folia CdS lub CdSe, która zmniejsza opór po oświetleniu.
• Elektrody – cienkie metalowe styki na obu końcach toru do łączenia z obwodami zewnętrznymi.
• Podłoże – ceramiczna podstawa, która zapewnia wsparcie strukturalne i stabilność cieplną.
Chociaż CdS jest nadal najpopularniejszym materiałem, ograniczenia wynikające z przepisów RoHS skłoniły Cię do zbadania bezpieczniejszych alternatyw. Nowsze LDR mogą wykorzystywać mniej toksycznych półprzewodników, co czyni je bardziej przyjaznymi dla środowiska.
Zasada działania rezystora zależnego od światła (LDR)
Działanie LDR opiera się na fotoprzewodnictwie, w którym przewodność elektryczna materiału wzrasta, gdy pochłania on światło. Kiedy fotony uderzają w warstwę fotoprzewodzącą, ich energia wzbudza elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, generując ruchome nośniki ładunku. Wraz ze wzrostem oświetlenia powstaje więcej nośników, co pozwala na większy przepływ prądu i obniża rezystancję urządzenia. I odwrotnie, gdy poziom światła spada, generowanych jest mniej nośników, a opór gwałtownie rośnie.
Ten bezpośredni związek między natężeniem światła a oporem sprawia, że LDR jest czujnikiem światła naturalnego. Jego zmienna rezystancja może być łatwo przełożona na mierzalne zmiany napięcia lub prądu, co pozwala prostym obwodom automatycznie reagować na jasność otoczenia bez konieczności stosowania skomplikowanej elektroniki.
Rezystor zależny od światła (LDR) w obwodach
LDR jest zwykle podłączony w układzie dzielnika napięcia ze stałym rezystorem. Ta konfiguracja przekształca zmianę rezystancji LDR na sygnał napięciowy, który może być podawany do innych komponentów. W ciągu dnia rezystancja LDR spada, co zmniejsza napięcie wyjściowe dzielnika. Wynikający z tego niski sygnał utrzymuje podłączony tranzystor lub przekaźnik w stanie WYŁĄCZONYM, uniemożliwiając włączenie lampy lub obciążenia. W nocy rezystancja LDR gwałtownie wzrasta, podnosząc napięcie dzielnika. To wyższe napięcie powoduje polaryzację tranzystora w kierunku przewodzenia, zasilając przekaźnik i zasilając lampę.
Zasadniczo obwód przekształca jasność otoczenia bezpośrednio na sygnał przełączający. To proste, ale skuteczne podejście jest szeroko stosowane w automatycznych latarniach ulicznych, słonecznych lampach ogrodowych i alarmach aktywowanych światłem, gdzie niezawodne sterowanie włączaniem / wyłączaniem uzyskuje się bez ręcznej interwencji.
Pasmo przenoszenia rezystora zależnego od światła (LDR)
Odpowiedź LDR zależy od czułości spektralnej jego materiału. Każdy typ reaguje silniej na określone długości fal światła:
• CdS (siarczek kadmu): szczytowa czułość w zakresie widzialnym, około 500–700 nm, odpowiadająca reakcji ludzkiego oka. Dzięki temu nadaje się do ogólnego wykrywania światła, latarni ulicznych i kamer.
• PbS (siarczek ołowiu): Wrażliwy głównie na promieniowanie podczerwone powyżej 1000 nm, często stosowany w czujnikach płomienia, detektorach ciepła i odbiornikach zdalnego sterowania.
Tak więc wybór materiału definiuje zastosowanie:
• Pomiar światła widzialnego → LDR na bazie CdS.
• Wykrywanie w podczerwieni → LDR-ów opartych na PbS.
Specyfikacje techniczne rezystora zależnego od światła (LDR)
LDR są definiowane przez kilka parametrów elektrycznych i optycznych, które decydują o ich wydajności w obwodach. Typowe wartości obejmują:
| Parametr | Typowa wartość | Uwagi |
|---|---|---|
| Maksymalne rozproszenie mocy | 200 mW | Poza tym przegrzanie może uszkodzić materiał. |
| Maksymalne napięcie robocze (0 luksów) | 200 V | Maksymalne napięcie dozwolone w całkowitej ciemności, aby zapobiec awarii. |
| Szczytowa czułość Długość fali | \~600 nm | Dopasowuje żółto-pomarańczowy obszar światła widzialnego, zbliżony do wrażliwości ludzkiego oka. |
| Odporność @ 10 luksów | 1,8–4,5 kΩ | Opór zmniejsza się wraz ze wzrostem oświetlenia. |
| Odporność @ 100 luksów | \~0,7 kΩ | Nadaje się do wykrywania poziomu światła w pomieszczeniach. |
| Odporność na ciemność (po 5 s) | \~250 kΩ | Wartość rezystancji, gdy czujnik ustabilizuje się w ciemności. |
Charakterystyka rezystora zależnego od światła (LDR)
LDR wykazuje unikalne zachowanie elektryczne, które odróżnia go od rezystorów stałych:
• Opór zmniejsza się wraz z jasnością: Wraz ze wzrostem oświetlenia zwiększa się generowanie nośników, co powoduje gwałtowny spadek oporu.
• Wysoka odporność na ciemność: W całkowitej ciemności rezystancja może sięgać od setek kiloomów do kilku megaomów, skutecznie blokując prąd.
• Odpowiedź nieliniowa: Zależność między natężeniem światła (luksami) a oporem nie jest proporcjonalna. Małe zmiany przy słabym oświetleniu powodują duże przesunięcia oporu, podczas gdy przy wysokim poziomie oświetlenia odpowiedź spłaszcza się.
• Powolna regeneracja: Po usunięciu światła opór potrzebuje czasu, aby powrócić do swojej ciemnej wartości, co powoduje zauważalne opóźnienie.
• Zależność od temperatury: Temperatura otoczenia wpływa na przewodność, przy czym wyższe temperatury obniżają rezystancję nawet przy tym samym poziomie światła.
Rodzaje rezystorów zależnych od światła (LDR)
LDR można sklasyfikować na podstawie użytego materiału i ich liniowości odpowiedzi:
Według materiału
• CdS (siarczek kadmu) LDR: Najczęściej stosowane, z czułością szczytową w zakresie widzialnym. Powszechne w światłomierzach, automatycznych latarniach ulicznych i systemach ekspozycji aparatów.
• Ldr PbS (siarczek ołowiu): Wrażliwe na promieniowanie podczerwone, dzięki czemu nadają się do wykrywania płomieni, czujników termicznych i komunikacji w podczerwieni.
Według liniowości
• Liniowe LDR: Zapewniają niemal prostą reakcję między natężeniem światła a oporem. Są one mniej powszechne i stosowane głównie w laboratoryjnych lub precyzyjnych przyrządach optycznych.
• Nieliniowe LDR: Pokaż krzywą logarytmiczną, w której opór gwałtownie spada przy niskim luksie, ale wyrównuje się przy wysokim luksie. Są one szeroko stosowane w codziennych zastosowaniach związanych ze sterowaniem oświetleniem ze względu na ich opłacalność i dostępność.
Testowanie rezystora zależnego od światła (LDR)
Szybkim sposobem weryfikacji LDR jest sprawdzenie jego rezystancji w różnych warunkach oświetleniowych za pomocą multimetru ustawionego na omy:
• Test ciemności: Zakryj całkowicie LDR lub przetestuj go w ciemnym pomieszczeniu. Rezystancja powinna wzrosnąć do setek kiloomów lub nawet kilku megaomów, w zależności od urządzenia.
• Test światła: Wystaw LDR na działanie jasnego źródła światła, takiego jak latarka lub światło słoneczne. Rezystancja powinna znacznie spaść, często do kilkuset omów do kilku kiloomów.
Duże przesunięcie rezystancji między stanami ciemnymi i oświetlonymi potwierdza, że LDR działa poprawnie. Ten prosty test jest przydatny do rozwiązywania problemów z czujnikami w obwodach, takich jak lampy automatyczne lub alarmy.
Rezystor zależny od światła (LDR) a fotodioda
| Funkcja | LDR (fotorezystor) | Fotodioda |
|---|---|---|
| Typ urządzenia | Pasywny czujnik rezystancyjny wykonany z folii fotoprzewodzącej | Aktywny półprzewodnik ze złączem PN |
| Szybkość reakcji | Wolny (od ms do sekund) – nie nadaje się do szybkich sygnałów | Ekstremalnie szybki (ns do μs) – idealny do transmisji danych |
| Zakres światła | Najlepsze dla światła widzialnego (CdS:\~600 nm) | Może być zaprojektowany do pracy w zakresie widzialnym, podczerwonym lub UV |
| Liniowość | Opór nieliniowy a krzywa blasku | Bardziej liniowy prąd w porównaniu z natężeniem światła |
| Koszt i złożoność | Bardzo niski koszt, prosty w użyciu | Wyższy koszt, wymaga polaryzacji i obwodów |
| Najlepsze zastosowanie | Wykrywanie światła otoczenia, lampy automatyczne, alarmy | Szybka komunikacja optyczna, skanery kodów kreskowych, światłowody |
Wnioski
LDR łączą w sobie prostotę, przystępną cenę i niezawodność, co czyni je jednymi z najpopularniejszych czujników światła w elektronice. Chociaż są ograniczone wolniejszym czasem reakcji w porównaniu z fotodiodami, ich wszechstronność w latarniach ulicznych, alarmach, wyświetlaczach i urządzeniach solarnych zapewnia ciągłą aktualność. Od obwodów hobbystycznych po automatykę przemysłową, fotorezystory pozostają przydatne w ekonomicznym wykrywaniu światła i automatycznych systemach sterowania.
Często zadawane pytania [FAQ]
Jaka jest żywotność LDR?
LDR mogą działać przez kilka lat, jeśli są używane w granicach ich napięcia znamionowego i mocy. Ich żywotność zależy głównie od ekspozycji na światło, ciepło i wilgoć o dużej intensywności, które z czasem mogą degradować materiał fotoprzewodzący.
Czy LDR może pracować w całkowitej ciemności?
Tak, ale w ciemności rezystancja LDR wzrasta do kilku megaomów, skutecznie blokując prąd. To sprawia, że działa jak otwarty obwód, dopóki nie pojawi się światło.
Jak dokładne są czujniki LDR w porównaniu z fotodiodami?
LDR są mniej dokładne i wolniejsze niż fotodiody. Są idealne do ogólnego wykrywania światła, ale nie nadają się do precyzyjnych lub szybkich pomiarów, gdzie fotodiody oferują lepszą wydajność.
Czy zmiany temperatury mają wpływ na LDR?
Tak. Wyższe temperatury obniżają rezystancję LDR nawet przy tym samym poziomie światła, co może powodować niewielkie niedokładności w obwodach wymagających precyzyjnego wykrywania światła.
Czy mogę używać LDR na zewnątrz?
Tak, LDR mogą być używane na zewnątrz w zastosowaniach takich jak latarnie uliczne i lampy solarne, ale muszą być chronione obudowami odpornymi na warunki atmosferyczne, aby zapobiec degradacji materiału czujnika przez wilgoć i promieniowanie UV.