Na tej stronie
LDR oznacza fotorezystor (ang. Light-Dependent Resistor). Jest to pasywny, dwuzaciskowy czujnik światła, którego rezystancja elektryczna zazwyczaj maleje wraz ze wzrostem natężenia światła padającego na jego powierzchnię czułą. LDR nazywany jest również fotorezystorem, ogniwem fotoprzewodzącym, a czasami fotokomórką.
W przeciwieństwie do fotodiody lub fototranzystora, LDR sam w sobie nie generuje określonego prądu wyjściowego. Zachowuje się jak rezystor zmienny, dlatego w praktycznych układach łączy się go zazwyczaj z rezystorem stałym, komparatorem, tranzystorem, przekaźnikiem lub wejściem sterownika.
| Szybki fakt o LDR | Odpowiedź |
|---|---|
| Pełna nazwa | Fotorezystor |
| Typ komponentu | Pasywny czujnik fotoprzewodzący |
| Terminale | Dwa |
| Biegunowość | Nic |
| Większa ilość światła zazwyczaj powoduje | Niższą rezystancję |
| Mniejsza ilość światła zazwyczaj powoduje | Wyższą rezystancję |
| Typowa rola w obwodzie | Jeden z elementów dzielnika napięcia |
| Główne ograniczenie | Nieliniowa i stosunkowo wolna odpowiedź w porównaniu z półprzewodnikowymi fotodetektorami |
LDR jest jednym ze skrótów zawartych w VIOX Odniesienie do pełnych nazw elektrycznych. Niniejszy artykuł wyjaśnia zachowanie elektryczne stojące za tą definicją.
Co oznacza LDR w pracy elektrycznej i elektronicznej?
Nazwa opisuje ten komponent bezpośrednio:
- Światłoczuły oznacza, że jego rezystancja zmienia się wraz z padającym na niego światłem.
- Rezystor oznacza, że wielkością elektryczną jest rezystancja, mierzona w omach.
W ciemności w materiale światłoczułym dostępnych jest stosunkowo niewiele nośników ładunku, więc rezystancja jest wysoka. Gdy materiał pochłania odpowiednie światło, dostępne stają się dodatkowe nośniki ładunku i przewodność wzrasta. W rezultacie rezystancja spada.
Ta odwrotna zależność jest cechą charakterystyczną:
Wyższe natężenie oświetlenia zazwyczaj powoduje niższą rezystancję LDR; niższe natężenie oświetlenia zazwyczaj powoduje wyższą rezystancję LDR.
Słowo “zazwyczaj” ma znaczenie. Dokładna rezystancja zależy od materiału urządzenia, długości fali światła, natężenia oświetlenia, temperatury, wcześniejszej ekspozycji oraz metody testowej określonej przez producenta.
Czy LDR to to samo co fotorezystor?
Tak. LDR oraz fotorezystorem zazwyczaj odnoszą się do tej samej klasy komponentów. “Fotokomórka” to bardziej opisowy termin techniczny, ponieważ urządzenie działa w oparciu o zjawisko fotoprzewodnictwa.
“Fotokomórka” może również oznaczać fotorezystor (LDR), ale jest to pojęcie szersze i może odnosić się do innych urządzeń światłoczułych lub kompletnych układów sterowania. Dlatego zestawienie materiałów powinno zawierać precyzyjną nazwę komponentu i numer części, zamiast polegać wyłącznie na określeniu “fotokomórka”.
Jak działa LDR?
LDR wykorzystuje światłoczułą ścieżkę półprzewodnikową utworzoną między dwoma zaciskami przewodzącymi. Ścieżka ta jest często ułożona w kształcie serpentyny, aby zapewnić użyteczną rezystancję na niewielkim obszarze czujnika.
Jego działanie opiera się na fotoprzewodnictwie:
- W słabym oświetleniu materiał posiada niewiele ruchomych nośników ładunku i wykazuje wysoką rezystancję.
- Padające fotony przekazują energię elektronom w materiale światłoczułym.
- Fotony o wystarczającej energii zwiększają liczbę dostępnych nośników ładunku.
- Przewodność rośnie, więc rezystancja maleje.
- Po usunięciu źródła światła urządzenie powraca do swojej rezystancji w ciemności, jednak nie natychmiastowo.
Odpowiedź zależy zarówno od natężenia światła, jak i długości fali. Urządzenie, które silnie reaguje na światło widzialne zielone, może zachowywać się inaczej w świetle podczerwonym, nawet jeśli uniwersalny luksomierz wskazuje podobne natężenie oświetlenia.
Zależność rezystancji od natężenia oświetlenia jest nieliniowa
Fotorezystor (LDR) nie jest precyzyjnym liniowym czujnikiem natężenia oświetlenia. W określonym zakresie producenci mogą przedstawiać jego charakterystykę za pomocą zależności empirycznej, takiej jak:
R = A × E^(-γ)gdzie:
Rto rezystancja ogniwa;Eto natężenie oświetlenia;Ajest stałą zależną od urządzenia;γopisuje nachylenie krzywej rezystancji w funkcji natężenia oświetlenia.
Obie stałe zależą od modelu i warunków. Równanie to jest przydatne do szacowania zachowania obwodu tylko wtedy, gdy jest dopasowane do krzywej z karty katalogowej wybranego urządzenia lub zmierzonych próbek. Nie należy go traktować jako uniwersalnego wzoru dla fotorezystora (LDR).
Symbol i polaryzacja LDR
Symbol obwodowy opiera się na symbolu rezystora z dwiema strzałkami skierowanymi w jego stronę. Strzałki reprezentują padające światło. W zależności od przyjętej konwencji rysunkowej, rezystor i strzałki mogą znajdować się wewnątrz okręgu.
Zwykły LDR posiada brak zacisku dodatniego lub ujemnego. Każde z wyprowadzeń można podłączyć do zasilania lub masy. Tym, co zmienia reakcję obwodu, nie jest polaryzacja LDR, lecz jego położenie w obwodzie.
To rozróżnienie zapobiega powszechnemu nieporozumieniu: odwrócenie LDR nie zmienia jego działania detekcyjnego, ale zamiana miejscami LDR i rezystora stałego w dzielniku napięcia odwraca kierunek zmiany napięcia wyjściowego.
Jak działa LDR w dzielniku napięcia
Sterownik zazwyczaj nie może mierzyć rezystancji bezpośrednio na standardowym wejściu napięciowym. Powszechnym rozwiązaniem jest połączenie LDR z rezystorem stałym i przekształcenie zmiany rezystancji w zmianę napięcia.
LDR podłączony do zasilania
Jeśli LDR jest podłączony pomiędzy Vin a węzłem wyjściowym, a rezystor stały jest podłączony pomiędzy wyjściem a masą:
Vout = Vin × Rfixed / (RLDR + Rfixed)W miarę wzrostu natężenia światła, RLDR spada. Mianownik staje się mniejszy, więc napięcie wyjściowe rośnie.
LDR podłączony do masy
Jeśli rezystor stały jest podłączony do Vin a LDR jest podłączony między wyjściem a masą:
Vout = Vin × RLDR / (Rfixed + RLDR)W miarę wzrostu natężenia światła, RLDR spada, więc napięcie wyjściowe spada.
| Pożądana reakcja na wzrost natężenia światła | Układ dzielnika |
|---|---|
| Napięcie wyjściowe powinno wzrosnąć | LDR w stronę zasilania, rezystor stały w stronę masy |
| Napięcie wyjściowe powinno spaść | Rezystor stały w stronę zasilania, LDR w stronę masy |
Rezystor stały określa użyteczny zakres detekcji. Praktycznym punktem wyjścia jest często rezystancja zbliżona do oczekiwanej wartości LDR przy zamierzonym progu przełączania, po czym następuje weryfikacja w rzeczywistym widmie lampy, geometrii montażu, temperaturze oraz warunkach obudowy.
Jak czytać kartę katalogową LDR
Nie należy wybierać LDR wyłącznie na podstawie średnicy lub reklamowanej “rezystancji świetlnej”. Warunki testowe przypisane do każdej wartości znamionowej stanowią część specyfikacji.
| Parametr karty katalogowej | Co ci mówi | Dlaczego warunki testowe mają znaczenie |
|---|---|---|
| Rezystancja w stanie oświetlenia | Rezystancja przy określonym natężeniu oświetlenia | Poziom luksów, widmo źródła lub temperatura barwowa oraz tolerancja wpływają na tę wartość |
| Rezystancja w ciemności | Rezystancja po usunięciu oświetlenia | Producenci mogą określać zdefiniowany okres ciemności przed pomiarem |
| Stosunek rezystancji lub współczynnik czułości | Zmiana między dwoma określonymi poziomami oświetlenia | Przydatne dla zakresu progowego i porównywania elementów między sobą |
| Charakterystyka widmowa | Zakres długości fali i szczytowa czułość | Urządzenie może reagować w różny sposób na światło dzienne, diody LED oraz źródła podczerwieni |
| Czas narastania i opadania | Szybkość reakcji przy przejściu ze stanu jasnego w ciemny i z ciemnego w jasny | Oba kierunki mogą mieć różne czasy reakcji |
| Maksymalne napięcie i moc | Graniczne wartości obciążeń elektrycznych | Przekroczenie którejkolwiek z tych wartości może spowodować uszkodzenie lub rozregulowanie ogniwa |
| Temperatura pracy | Dopuszczalny zakres temperatury otoczenia lub temperatury korpusu | Rezystancja i próg przełączania mogą zmieniać się wraz z temperaturą |
Na przykład, Luna Optoelectronics PDV-P9001 karta katalogowa określa rezystancję przy oświetleniu 10 luksów ze źródła 2856 K, rezystancję w ciemności po określonym czasie, charakterystykę widmową oraz oddzielne czasy narastania i opadania. Wartości te są przydatne dla tego modelu, ponieważ warunki są zdefiniowane; nie są to uniwersalne wartości dla fotorezystorów (LDR). Zobacz karta katalogowa producenta PDV-P9001.
Gdzie stosuje się fotorezystory (LDR)?
Fotorezystory (LDR) sprawdzają się, gdy obwód wymaga ekonomicznego wskazania jasności otoczenia, a szybki lub precyzyjny pomiar optyczny nie jest wymagany.
| Zastosowanie | Jak stosować fotorezystor (LDR) | Uwagi projektowe |
|---|---|---|
| Automatyczne oświetlenie od zmierzchu do świtu | Wykrywa moment, w którym oświetlenie otoczenia przekracza próg | Należy dodać histerezę lub opóźnienie, aby zapobiec drganiom styków w pobliżu punktu przełączania |
| Regulacja jasności wyświetlacza | Dostosowuje podświetlenie do oświetlenia w pomieszczeniu | Należy uwzględnić okna obudowy oraz światło emitowane przez sam wyświetlacz |
| Alarmy świetlne i dźwiękowe | Zmienia stan komparatora, gdy światło jest blokowane lub doprowadzane | Osłonić czujnik przed niepożądanymi źródłami światła |
| Sterowanie kamerą lub urządzeniami konsumenckimi | Zapewnia ogólny wskaźnik oświetlenia otoczenia | Kalibracja i szybkość reakcji mogą ograniczać dokładność |
| Edukacyjne obwody sterowania | Demonstruje wykrywanie, dzielniki, przełączanie tranzystorowe lub sterowanie przekaźnikowe | Należy unikać przepływu prądu obciążenia przez LDR i zastosować odpowiedni stopień sterujący |
LDR należy zazwyczaj traktować jako element czujnikowy, a nie jako urządzenie bezpośrednio załączające lampę, silnik, cewkę stycznika lub inne obciążenie. Wyjście dzielnika może sterować komparatorem, tranzystorem, wejściem mikrokontrolera lub innym interfejsem dobranym do obciążenia.
LDR a fotodioda a fototranzystor
Wszystkie te urządzenia reagują na światło, ale nie zapewniają takiego samego sygnału wyjściowego.
| Urządzenie | Podstawowe zachowanie wyjścia | Względna szybkość | Najlepsze dopasowanie |
|---|---|---|---|
| LDR / fotorezystor | Rezystancja zmienia się wraz z oświetleniem | Stosunkowo wolny | Jasność otoczenia i prosta regulacja progowa |
| Fotodioda | Światło wytwarza prąd zależny od wejścia optycznego | Szybko | Pomiar, komunikacja i szybka detekcja |
| Fototranzystor | Światło steruje prądem tranzystora | Szybszy niż typowy fotorezystor (LDR), z wzmocnieniem | Detekcja obiektów i przełączanie tam, gdzie przydatna jest większa czułość |
| Cyfrowy czujnik światła otoczenia | Skalibrowane wyjście cyfrowe lub przetworzone | Zależne od urządzenia | Systemy wymagające powtarzalności, integracji cyfrowej lub danych zorientowanych na luks |
Wybierz LDR, gdy prostota i wykrywanie szerokiego zakresu światła otoczenia są ważniejsze niż szybkość, liniowość i skalibrowany pomiar. Wybierz inny czujnik optyczny, gdy aplikacja wymaga szybkiej reakcji, powtarzalnych odczytów w luksach, określonego dopasowania widmowego lub komunikacji cyfrowej.
Ważne ograniczenia LDR
Projekt z wykorzystaniem LDR powinien uwzględniać następujące ograniczenia:
- Nieliniowość: rezystancja nie zmienia się proporcjonalnie do wartości w luksach.
- Opóźnienie odpowiedzi: rezystancja potrzebuje czasu na ustabilizowanie się po zmianie oświetlenia.
- Tolerancja elementu: urządzenia z tej samej rodziny mogą mieć szeroki zakres rezystancji.
- Zależność temperaturowa: próg przełączania może przesuwać się wraz ze zmianą temperatury.
- Zależność widmowa: światło dzienne i różne technologie lamp mogą nie wywoływać równoważnych odpowiedzi.
- Historia i skutki starzenia: wcześniejsze warunki oświetlenia i eksploatacji mogą wpływać na powtarzalność.
- Zgodność materiałowa: wiele tradycyjnych fotorezystorów wykorzystuje siarczek kadmu. Należy zweryfikować deklarację materiałową wybranego elementu, status zgodności z dyrektywą RoHS (Restriction of Hazardous Substances), wyłączenia oraz wymagania rynku docelowego, zamiast zakładać zgodność na podstawie nazwy komponentu. Baza danych Europejskiej Agencji Chemikaliów dotycząca wyłączeń RoHS pokazuje, że wyłączenia dotyczące kadmu są specyficzne dla danego zastosowania.
Ograniczenia te nie sprawiają, że LDR jest nieprzydatny. Definiują one zadania, w których sprawdza się dobrze: niskokosztowa detekcja światła/ciemności oraz przybliżona regulacja oświetlenia otoczenia za pomocą układu zaprojektowanego z uwzględnieniem jego tolerancji.
Pytania i odpowiedzi
Co oznacza skrót LDR?
LDR oznacza Fotorezystor. Jest on również znany jako fotorezystor lub ogniwo fotoprzewodzące.
Czy rezystancja LDR rośnie czy maleje wraz z oświetleniem?
W przypadku konwencjonalnego LDR rezystancja maleje wraz ze wzrostem natężenia światła padającego i rośnie, gdy poziom oświetlenia spada.
Czy LDR posiada polaryzację?
Nie. Podstawowy dwuzaciskowy LDR jest niepolaryzowany, więc każdy zacisk można podłączyć w dowolnym kierunku. Jego położenie względem rezystora stałego decyduje o tym, czy napięcie wyjściowe dzielnika rośnie, czy maleje wraz ze światłem.
Czy LDR jest elementem aktywnym czy pasywnym?
LDR jest elementem pasywnym. Zmienia on rezystancję w odpowiedzi na światło, ale nie zapewnia wzmocnienia mocy ani cyfrowego sygnału wyjściowego z własnym zasilaniem.
Czy fotorezystor (LDR) może dokładnie mierzyć natężenie oświetlenia w luksach?
Fotorezystor (LDR) może wskazywać względne zmiany oświetlenia i być kalibrowany w ograniczonym zakresie, jednak zazwyczaj nie jest pierwszym wyborem do dokładnego pomiaru natężenia oświetlenia w luksach. Należy wziąć pod uwagę jego nieliniową charakterystykę, tolerancję, czułość widmową, zależność od temperatury oraz czas odpowiedzi.
Podsumowanie
LDR oznacza Fotorezystor. Element ten wykorzystuje zjawisko fotoprzewodnictwa: większe natężenie padającego światła generuje więcej nośników ładunku, zwiększając przewodność i obniżając rezystancję. Posiada dwa niepolaryzowane zaciski i jest powszechnie stosowany w dzielniku napięcia w celu przekształcenia zmian oświetlenia na mierzalne napięcie.
W celu zapewnienia niezawodności projektu należy dobrać fotorezystor (LDR) na podstawie jego rezystancji w stanie oświetlenia w określonych warunkach, rezystancji w ciemności, charakterystyki widmowej, czasu odpowiedzi, limitów napięcia i mocy, zakresu temperatur oraz dokumentacji zgodności materiałowej. Nie należy stosować “typowej” rezystancji jednego modelu do każdego fotorezystora (LDR).