In questa pagina
LDR sta per Light-Dependent Resistor (resistore dipendente dalla luce). È un sensore di luce passivo a due morsetti la cui resistenza elettrica diminuisce normalmente all'aumentare della luce che raggiunge la sua superficie sensibile. Un LDR è anche chiamato fotorresistore, cella fotoconduttiva, o a volte fotocellula.
A differenza di un fotodiodo o di un fototransistor, un LDR non produce da solo un'uscita di corrente definita. Si comporta come un resistore variabile, pertanto un circuito pratico lo combina normalmente con un resistore fisso, un comparatore, un transistor, un relè o un ingresso di un controllore.
| Fatto rapido LDR | Risposta |
|---|---|
| Forma estesa | Fotoresistenza |
| Tipo di componente | Sensore fotoconduttivo passivo |
| Terminali | Due |
| Polarità | Nessuno |
| Più luce normalmente causa | Minore resistenza |
| Meno luce normalmente causa | Maggiore resistenza |
| Ruolo comune nel circuito | Un elemento di un partitore di tensione |
| Limitazione principale | Risposta non lineare e relativamente lenta rispetto ai fotorilevatori a semiconduttore |
LDR è una delle abbreviazioni incluse nel VIOX Riferimento per le forme estese elettriche. Questo articolo spiega il comportamento elettrico alla base di tale definizione.
Cosa significa LDR nel lavoro elettrico ed elettronico?
Il nome descrive direttamente il componente:
- Light-dependent significa che la sua resistenza varia in base alla luce che lo colpisce.
- Resistore significa che la variabile elettrica è la resistenza, misurata in ohm.
Al buio, sono disponibili relativamente pochi portatori di carica nel materiale fotosensibile, quindi la resistenza è elevata. Quando il materiale assorbe una luce adeguata, diventano disponibili ulteriori portatori di carica e la conducibilità aumenta. La resistenza pertanto diminuisce.
Questa relazione inversa è il comportamento distintivo:
Un illuminamento maggiore produce generalmente una resistenza LDR inferiore; un illuminamento minore produce generalmente una resistenza LDR superiore.
La parola “generalmente” è importante. La resistenza esatta dipende dal materiale del dispositivo, dalla lunghezza d'onda della luce, dall'illuminamento, dalla temperatura, dall'esposizione precedente e dal metodo di prova indicato dal produttore.
Un LDR è la stessa cosa di un fotoresistore?
SÌ. LDR e fotorresistore si riferiscono normalmente alla stessa classe di componenti. “Cella fotoconduttiva” è il termine tecnico più descrittivo poiché il dispositivo funziona tramite fotoconducibilità.
“Fotocellula” può anche significare un LDR, ma è un termine più ampio e può riferirsi ad altri dispositivi fotosensibili o ad assemblaggi di controllo completi. Una distinta base dovrebbe pertanto utilizzare il nome preciso del componente e il numero di parte invece di fare affidamento solo su “fotocellula”.
Come funziona un LDR?
Un LDR utilizza un percorso semiconduttore fotosensibile formato tra due morsetti conduttivi. Il percorso è spesso disposto con un motivo a serpentina per fornire una resistenza utile su un'area di rilevamento compatta.
Il suo funzionamento si basa sulla fotoconducibilità:
- In condizioni di scarsa illuminazione, il materiale ha pochi portatori di carica mobili e presenta un'elevata resistenza.
- I fotoni incidenti trasferiscono energia agli elettroni nel materiale fotosensibile.
- I fotoni con energia sufficiente aumentano il numero di portatori di carica disponibili.
- La conducibilità aumenta, quindi la resistenza diminuisce.
- Quando la luce viene rimossa, il dispositivo ritorna verso la sua resistenza al buio, ma non istantaneamente.
La risposta dipende sia dall'intensità della luce che dalla lunghezza d'onda. Un dispositivo che risponde fortemente alla luce verde visibile può comportarsi diversamente sotto luce infrarossa, anche quando un luxmetro per uso generale riporta un'illuminamento simile.
La resistenza rispetto all'illuminamento è non lineare
Un LDR non è un sensore di lux lineare di precisione. In una regione specificata, i produttori possono rappresentare il suo comportamento utilizzando una relazione empirica come:
R = A × E^(-γ)dove:
Rè la resistenza della cella;Eè l'illuminamento;Unè una costante dipendente dal dispositivo;γdescrive la pendenza della curva resistenza-illuminamento.
Entrambe le costanti dipendono dal modello e dalle condizioni. L'equazione è utile per stimare il comportamento del circuito solo quando è adattata alla curva della scheda tecnica del dispositivo selezionato o a campioni misurati. Non deve essere considerata come una formula universale per LDR.
Simbolo e polarità dell'LDR
Il simbolo del circuito si basa su un simbolo di resistore con due frecce rivolte verso di esso. Le frecce rappresentano la luce incidente. A seconda della convenzione di disegno, il resistore e le frecce possono apparire all'interno di un cerchio.
Un normale LDR ha nessun morsetto positivo o negativo. Entrambi i terminali possono essere collegati verso l'alimentazione o la massa. Ciò che cambia la risposta del circuito non è la polarità dell'LDR, ma la sua posizione nel circuito.
Questa distinzione previene un malinteso comune: invertire un LDR non inverte la sua azione di rilevamento, ma scambiare l'LDR e il resistore fisso in un partitore di tensione inverte la direzione della variazione della tensione di uscita.
Come funziona un LDR in un partitore di tensione
Un controller non può normalmente misurare la resistenza direttamente a un ingresso di tensione standard. La soluzione comune è accoppiare l'LDR con un resistore fisso e convertire la variazione di resistenza in una variazione di tensione.
LDR collegato verso l'alimentazione
Se l'LDR è collegato tra Vin e il nodo di uscita, e il resistore fisso è collegato tra l'uscita e la massa:
Vout = Vin × Rfixed / (RLDR + Rfixed)All'aumentare della luce, RLDR diminuisce. Il denominatore diventa più piccolo, quindi la tensione di uscita aumenta.
LDR collegata verso terra
Se il resistore fisso è collegato a Vin e la LDR è collegata tra l'uscita e la terra:
Vout = Vin × RLDR / (Rfixed + RLDR)All'aumentare della luce, RLDR diminuisce, quindi la tensione di uscita diminuisce.
| Risposta desiderata all'aumento della luce | Configurazione del partitore |
|---|---|
| La tensione di uscita dovrebbe aumentare | LDR verso l'alimentazione, resistenza fissa verso massa |
| La tensione di uscita dovrebbe diminuire | Resistenza fissa verso l'alimentazione, LDR verso massa |
Il resistore fisso determina l'intervallo di rilevamento utile. Un punto di partenza pratico è spesso una resistenza vicina al valore previsto dell'LDR alla soglia di commutazione desiderata, seguita da una verifica sotto lo spettro reale della lampada, la geometria di montaggio, la temperatura e le condizioni dell'involucro.
Come leggere una scheda tecnica di un LDR
Non selezionare un LDR basandosi solo sul diametro o su una “resistenza alla luce” pubblicizzata. Le condizioni di prova allegate a ciascun valore nominale sono parte integrante della specifica.
| Parametro della scheda tecnica | Cosa ti dice | Perché le condizioni di prova sono importanti |
|---|---|---|
| Resistenza illuminata | Resistenza a un illuminamento dichiarato | Il livello di Lux, lo spettro della sorgente o la temperatura di colore e la tolleranza influenzano il valore |
| Resistenza al buio | Resistenza dopo la rimozione della luce | I produttori possono specificare un periodo di oscurità definito prima della misurazione |
| Rapporto di resistenza o coefficiente di sensibilità | Variazione tra due livelli di illuminazione dichiarati | Utile per l'intervallo di soglia e il confronto tra componenti |
| Risposta spettrale | Intervallo di lunghezza d'onda e sensibilità di picco | Un dispositivo può rispondere in modo diverso alla luce diurna, ai LED e alle sorgenti a infrarossi |
| Tempo di salita e di discesa | Velocità di risposta da luce a buio e da buio a luce | Le due direzioni possono avere tempi di risposta differenti |
| Tensione e potenza massima | Limiti di sollecitazione elettrica | Il superamento di uno dei due limiti può danneggiare o causare derive nella cella |
| Temperatura di esercizio | Intervallo di temperatura ambiente o del corpo consentito | La resistenza e la soglia di commutazione possono variare con la temperatura |
Ad esempio, la Luna Optoelectronics PDV-P9001 la scheda tecnica specifica la resistenza illuminata sotto 10 lux da una sorgente a 2856 K, la resistenza al buio dopo un intervallo stabilito, la risposta spettrale e tempi di salita e discesa separati. Tali valori sono utili per quel modello perché le condizioni sono definite; non sono valori LDR universali. Vedere la scheda tecnica del produttore del PDV-P9001.
Dove vengono utilizzati gli LDR?
Gli LDR sono adatti quando un circuito necessita di un'indicazione economica della luminosità ambientale e non sono richieste misurazioni ottiche ad alta velocità o di precisione.
| Applicazione | Come viene utilizzato l'LDR | Considerazione progettuale |
|---|---|---|
| Illuminazione automatica crepuscolare | Rileva quando la luce ambientale supera una soglia | Aggiungere isteresi o ritardo per evitare vibrazioni vicino al punto di commutazione |
| Controllo della luminosità del display | Regola la retroilluminazione in base all'illuminazione della stanza | Tenere conto delle finestre dell'involucro e della luce emessa dal display stesso |
| Allarmi di luce e buio | Cambia lo stato del comparatore quando la luce viene bloccata o introdotta | Schermare il sensore da fonti luminose indesiderate |
| Controlli per telecamere o utenze | Fornisce un'indicazione generale della luce ambientale | La calibrazione e la velocità di risposta possono limitare la precisione |
| Circuiti di controllo didattici | Dimostra il rilevamento, i partitori, la commutazione a transistor o il controllo tramite relè | Mantenere la corrente di carico fuori dall'LDR e utilizzare uno stadio di pilotaggio adeguato |
Un LDR dovrebbe solitamente essere trattato come un elemento di rilevamento, non come il dispositivo che commuta direttamente una lampada, un motore, la bobina di un contattore o un altro carico. L'uscita del partitore può alimentare un comparatore, un transistor, l'ingresso di un microcontrollore o un'altra interfaccia selezionata per il carico.
LDR vs Fotodiodo vs Fototransistor
Questi dispositivi rispondono tutti alla luce, ma non forniscono la stessa uscita elettrica.
| Dispositivo | Comportamento dell'uscita primaria | Velocità relativa | Soluzione migliore |
|---|---|---|---|
| LDR / fotorresistenza | La resistenza varia con la luce | Relativamente lenta | Luminosità ambientale e controllo a soglia semplice |
| Fotodiodo | La luce produce una corrente correlata all'ingresso ottico | Veloce | Misurazione, comunicazione e rilevamento rapido |
| Fototransistor | La luce controlla la corrente del transistor | Più veloce di un tipico LDR, con guadagno | Rilevamento oggetti e commutazione dove è utile una maggiore sensibilità |
| Sensore digitale di luce ambientale | Uscita digitale calibrata o elaborata | Dipendente dal dispositivo | Sistemi che richiedono ripetibilità, integrazione digitale o dati orientati ai lux |
Scegliere un LDR quando la semplicità e il rilevamento della luce ambientale diffusa sono più importanti della velocità, della linearità e della misurazione calibrata. Scegliere un altro sensore ottico quando l'applicazione richiede una risposta rapida, letture in lux ripetibili, una corrispondenza spettrale definita o una comunicazione digitale.
Limitazioni importanti degli LDR
Un progetto basato su LDR dovrebbe tenere conto di questi vincoli:
- Non linearità: la resistenza non cambia in modo proporzionale ai lux.
- Ritardo di risposta: la resistenza richiede tempo per stabilizzarsi dopo variazioni di illuminazione.
- Tolleranza del componente: i dispositivi della stessa famiglia possono presentare un ampio intervallo di resistenza.
- Dipendenza dalla temperatura: la soglia di commutazione può spostarsi al variare della temperatura.
- Dipendenza spettrale: la luce diurna e le diverse tecnologie di illuminazione potrebbero non produrre risposte equivalenti.
- Storia ed effetti dell'invecchiamento: le condizioni di illuminazione e di servizio precedenti possono influenzare la ripetibilità.
- Conformità dei materiali: molte fotoresistenze tradizionali utilizzano solfuro di cadmio. Verificare la dichiarazione dei materiali del componente selezionato, lo stato di conformità alla direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances), le esenzioni e i requisiti del mercato di destinazione invece di dare per scontata la conformità basandosi sul nome del componente. Il database delle esenzioni RoHS dell'Agenzia europea per le sostanze chimiche mostra che le esenzioni per il cadmio sono specifiche per l'applicazione.
Queste limitazioni non rendono un LDR inadatto. Definiscono i compiti che svolge bene: rilevamento luce/buio a basso costo e controllo approssimativo della luce ambientale con un circuito progettato attorno alle sue tolleranze.
Domande Frequenti
Qual è il significato dell'acronimo LDR?
LDR sta per Fotoresistenza. È anche nota come fotoresistenza o cella fotoconduttiva.
La resistenza di una LDR aumenta o diminuisce con la luce?
Per una LDR convenzionale, la resistenza diminuisce all'aumentare della luce incidente e aumenta al diminuire del livello di luce.
Una LDR ha polarità?
No. Una LDR di base a due morsetti non è polarizzata, quindi ciascun morsetto può essere collegato in entrambe le direzioni. La sua posizione rispetto al resistore fisso determina se la tensione di uscita di un partitore aumenta o diminuisce con la luce.
Una LDR è un componente attivo o passivo?
Una LDR è un componente passivo. Cambia la resistenza in risposta alla luce ma non fornisce guadagno di potenza o un'uscita digitale autoalimentata.
Un LDR può misurare i lux con precisione?
Un LDR può indicare variazioni relative di luce e può essere calibrato su un intervallo limitato, ma generalmente non è la prima scelta per una misurazione precisa dei lux. La sua risposta non lineare, la tolleranza, la sensibilità spettrale, la dipendenza dalla temperatura e il tempo di risposta devono essere tutti presi in considerazione.
Sintesi
LDR significa Fotoresistenza. Il componente utilizza la fotoconducibilità: una maggiore luce incidente crea più portatori di carica, aumentando la conducibilità e riducendo la resistenza. Dispone di due morsetti non polarizzati ed è comunemente utilizzato in un partitore di tensione per convertire le variazioni di luce in una tensione misurabile.
Per una progettazione affidabile, selezionare un LDR in base alla sua resistenza illuminata in condizioni dichiarate, resistenza al buio, risposta spettrale, tempo di risposta, limiti di tensione e potenza, intervallo di temperatura e documentazione di conformità dei materiali. Non applicare la resistenza “tipica” di un modello a ogni LDR.