Circuitos LDR e Princípio de Funcionamento

Como o nome sugere, um LDR ou Resistor Dependente de Luz é um tipo de resistor que exibe uma ampla gama de valores de resistência dependendo da intensidade da luz incidente em sua superfície. A variação na faixa de resistência pode ser de algumas centenas de ohms a muitos megaohms.

Eles também são conhecidos como fotoresistores. O valor da resistência em um LDR é inversamente proporcional à intensidade da luz que incide sobre ele. Ou seja, quando a luz é menor, a resistência é maior e vice-versa.

Construção interna LDR

A figura a seguir mostra a vista dissecada interna de um dispositivo LDR, em que podemos ver a substância fotocondutora aplicada dentro do ziguezague ou padrão enrolado, embutida sobre uma base isolante de cerâmica e com os pontos finais terminados como condutores do dispositivo.

O padrão garante máximo contato e interação entre o material fotocondutor cristalino e os eletrodos que os separam.

O material fotocondutor geralmente consiste em sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe).

O tipo e a espessura do material e a largura de sua camada depositada especificam a faixa do valor de resistência LDR e também a quantidade de watts que ele pode suportar.

Os dois terminais do dispositivo estão embutidos em uma base opaca não condutora com um revestimento transparente isolado sobre a camada fotocondutora.

O símbolo esquemático de um LDR é mostrado abaixo:

Tamanhos LDR

O diâmetro das fotocélulas ou LDRs pode variar de 1/8 polegada (3 mm) a acima de uma polegada (25 mm). Normalmente, estão disponíveis com diâmetros de 3/8 pol. (10 mm).

LDRs menores do que isso geralmente são usados ​​onde o espaço pode ser uma preocupação ou em placas baseadas em SMD. As variantes menores apresentam menor dissipação. Você também pode encontrar algumas variantes que são hermeticamente seladas para garantir um trabalho confiável mesmo em ambientes hostis e indesejáveis.

Comparando características de LDR com olho humano

O gráfico acima fornece a comparação entre as características dos dispositivos fotossensíveis e o nosso olho. O gráfico mostra a plotagem da resposta espectral relativa em relação ao comprimento de onda de 300 a 1200 nanômetros (nm).

A forma de onda característica do olho humano indicada pela curva pontilhada em forma de sino revela o fato de que nosso olho aumentou a sensibilidade para uma banda relativamente mais estreita do espectro eletromagnético, aproximadamente entre 400 e 750 nm.

O pico da curva tem um valor máximo no espectro de luz verde na faixa de 550 nm. Isso se estende até o espectro violeta com uma faixa entre 400 a 450 nm de um lado. Por outro lado, isso se estende para a região da luz vermelha escura com uma faixa entre 700 a 780 nm.

A figura acima também revela exatamente por que as fotocélulas de sulfeto de cádmio (CdS) tendem a ser as favoritas na aplicação de circuitos controlados por luz: os picos da curva de resposta espectral para Cds são próximos a 600 nm, e esta especificação é bastante idêntica ao alcance do olho humano.

Na verdade, os picos da curva de resposta do seleneto de cádmio (CdSe) podem se estender além de 720 nm.

Resistência LDR vs. Gráfico de luz

Isso dito CdSe pode exibir maior sensibilidade para quase toda a gama do espectro de luz visível. Em geral, a curva característica de uma fotocélula CdS pode ser conforme a figura a seguir.

Sua resistência na ausência de luz pode ser em torno de 5 megohms, que pode cair para cerca de 400 ohms na presença de intensidade de luz de 100 lux ou um nível de luz equivalente a uma sala iluminada de forma ideal, e cerca de 50 ohms quando a intensidade da luz é tão alto quanto 8.000 lux. tipicamente obtido de uma luz solar direta e brilhante.

O lux é a unidade SI para iluminância gerada por um fluxo luminoso de 1 lúmen uniformemente espalhado sobre uma superfície de 1 metro quadrado. As fotocélulas ou LDRs modernos são adequadamente classificados para potência e tensão, em paridade com resistores normais do tipo fixo.

A capacidade de dissipação de energia para um LDR padrão pode ser em torno de 50 e 500 miliwatts, o que pode depender da qualidade do material usado para o detector.

Talvez a única coisa não tão boa sobre LDRs ou fotorresistores seja sua especificação de resposta lenta às mudanças de luz. As fotocélulas construídas com seleneto de cádmio normalmente apresentam constantes de tempo mais curtas do que as fotocélulas de sulfeto de cádmio (aproximadamente 10 milissegundos em contraste com 100 milissegundos).

Você também pode descobrir que esses dispositivos têm resistências mais baixas, maior sensibilidade e coeficiente de resistência de temperatura elevada.

As principais aplicações nas quais as fotocélulas são normalmente implementadas são em medidores de exposição fotográfica, interruptores ativados de luz e escuridão para controlar luzes da rua e alarmes contra roubo. Em algumas aplicações de alarmes ativados por luz, o sistema é acionado por meio de uma interrupção do feixe de luz.

Você também pode encontrar alarmes de fumaça baseados em reflexão usando fotocélulas.

Circuitos de aplicações LDR

As imagens a seguir mostram alguns dos interessantes circuitos de aplicação de fotocélula prática.

Relé Ativado por Luz

O TRANSISTOR PODE SER QUALQUER PEQUENO TIPO DE SINAL, COMO BC547

O circuito LDR simples indicado na figura acima é construído para responder sempre que a luz incide sobre o LDR instalado em uma cavidade normalmente escura, por exemplo, dentro de uma caixa ou caixa.

A fotocélula R1 e o resistor R2 criam um divisor de potencial que fixa a polarização de base de Q1. Ao escurecer, a fotocélula apresenta um aumento da resistência, levando a um viés de zero na base de Q1, devido ao qual Q1 e o relé RY1 permanecem desligados.

Caso seja detectado um nível adequado de luz na fotocélula LDR, seu nível de resistência cai rapidamente para algumas magnitudes mais baixas. e um potencial de polarização é permitido atingir a base de Q1. Isso liga o relé RY1, cujos contatos são usados ​​para controlar um circuito externo ou carga.

Relé ativado pela escuridão

A próxima figura mostra como o primeiro circuito pode ser transformado em um circuito de relé ativado pela escuridão.

Neste exemplo, o relé é ativado na ausência de luz no LDR. R1 é usado para ajustar a configuração da sensibilidade do circuito. O resistor R2 e a fotocélula R3 funcionam como um divisor de tensão.

A tensão na junção de R2 e R3 aumenta quando a luz incide sobre o R3, que é protegido por seguidor de emissor T1. A saída do emissor das unidades Q1 amplificador emissor comum Q2 via R4 e, correspondentemente, controla o relé.

Detector de luz LDR de precisão

Embora simples, os circuitos LDR acima são vulneráveis ​​a mudanças de tensão de alimentação e também a mudanças de temperatura ambiente.

O próximo diagrama mostra como a desvantagem poderia ser resolvida por meio de um circuito ativado por luz de precisão sensível que funcionaria sem ser afetado por variações de tensão ou temperatura.

Neste circuito, o LDR R5, o potenciômetro R6 e os resistores R1 e R2 são configurados entre si na forma de uma rede de ponte de Wheatstone.

O op amp ICI junto com o transistor Q1 e relé RY1 trabalho como um interruptor de detecção de equilíbrio muito sensível.

O ponto de equilíbrio da ponte não é afetado, independentemente das variações da tensão de alimentação ou da temperatura atmosférica.

É afetado apenas pelas mudanças nos valores relativos dos componentes associados à rede de bridge.

Neste exemplo, o LDR R5 e o pote R6 constituem um braço da ponte Wheatstone. R1 e R2 formam o segundo braço da ponte. Esses dois braços atuam como divisores de tensão. O braço R1 / R2 estabelece uma tensão de alimentação constante de 50% para a entrada não inversora do amplificador operacional.

O divisor de potencial formado pelo potenciômetro e o LDR gera uma voltagem variável dependente da luz para a entrada inversora do amplificador operacional.

A configuração do circuito, potenciômetro R6, é ajustado de forma que o potencial na junção de R5 e R6 seja maior do que o potencial no pino 3 quando a quantidade desejada de luz ambiente incide sobre o LDR.

Quando isso acontece, a saída do amplificador operacional muda instantaneamente de estado de positivo para 0 V, ligando Q1 e o relé conectado. O relé ativa e DESLIGA a carga que poderia ser uma lâmpada.

Este circuito LDR baseado em amp op é muito preciso e responderá mesmo a mudanças mínimas nas intensidades de luz, que não podem ser detectadas pelo olho humano.

O design do amplificador operacional acima pode ser facilmente transformado em um relé ativado pela escuridão, trocando as conexões pin2 e pin3, ou trocando as posições R5 e R6, conforme demonstrado abaixo:

Adicionando recurso de histerese

Se necessário, este circuito LDR pode ser atualizado com um recurso de histerese conforme mostrado no próximo diagrama. Isso é feito introduzindo um resistor de feedback R5 no pino de saída e no pino 3 do IC.

Neste projeto, o relé atua normalmente quando a intensidade da luz ultrapassa o nível predefinido. No entanto, quando a luz no LDR cai e diminui do que o valor predefinido, ele não desliga o relé devido ao efeito de histerese .

O relé é DESLIGADO somente quando a luz cai para um nível significativamente mais baixo, que é determinado pelo valor de R5. Valores mais baixos introduzirão mais retardo de atraso (histerese) e vice-versa.

Combinando recursos de ativação claro e escuro em um

Este projeto é um relé claro / escuro de precisão que combina os circuitos de interruptor claro e escuro explicados anteriormente. Basicamente, é um comparador de janela o circuito.

O relé RY1 é LIGADO quando o nível de luz no LDR ultrapassa uma das configurações do potenciômetro ou cai abaixo do outro valor de configuração do potenciômetro.

O potenciômetro R1 determina o nível de ativação de escuridão, enquanto o potenciômetro R3 define o limite para a ativação do nível de luz do relé. O potenciômetro R2 é usado para ajustar a tensão de alimentação para o circuito.

O procedimento de configuração inclui o ajuste do primeiro potenciômetro predefinido R2 de modo que aproximadamente metade da tensão de alimentação seja introduzida no LDR R6 e na junção do potenciômetro R2, quando o LDR recebe luz em algum nível de intensidade normal.

O potenciômetro R1 é subsequentemente ajustado de forma que o relé RY1 LIGUE assim que o LDR detecta uma luz abaixo do nível de escuridão preferido.

Da mesma forma, o potenciômetro R3 pode ser configurado de forma que o relé RY1 seja ligado no nível de brilho pretendido.

Circuito de alarme disparado por luz

Agora vamos ver como um LDR pode ser aplicado como um circuito de alarme ativado por luz.

A campainha ou campainha de alarme deve ser do tipo intermitente, o que significa que soa com repetições ON / OFF contínuas e deve funcionar com corrente inferior a 2 amp. LDR R3 e resistor R2 fazem uma rede divisora ​​de tensão.

Sob condições de pouca luz, a fotocélula ou resistência LDR é alta, o que faz com que a tensão na junção R3 e R2 seja insuficiente para acionar a porta SCR1 anexada.

Quando a luz incidente é mais forte, a resistência do LDR cai a um nível suficiente para acionar o SCR, que liga e ativa o alarme.

Ao contrário, quando escurece, a resistência LDR aumenta, desligando o SCR e o alarme.

É importante notar que aqui o SCR desliga apenas porque o alarme é do tipo intermitente que ajuda a quebrar a trava do SCR na ausência de corrente de porta, desligando o SCR.

Adicionando um Controle de Sensibilidade

O circuito de alarme SCR LDR acima é bastante rudimentar e apresenta sensibilidade muito baixa, e também carece de um controle de sensibilidade. A próxima figura abaixo revela como o design pode ser aprimorado com os recursos mencionados.

Aqui, o resistor fixo no diagrama anterior é substituído por um potenciômetro R6 e um estágio BJT do buffer introduzido por meio de Q1 entre a porta do SCR e a saída LDR.

Além disso, podemos ver um interruptor para desligar A1 e R4 paralelo à campainha ou ao dispositivo de alarme. Este estágio permite que o usuário converta o sistema em um alarme de travamento, independentemente da natureza intermitente do dispositivo de campainha.

O resistor R4 garante que, mesmo enquanto a campainha toca em um som de autointerrupção, a corrente do ânodo de travamento nunca é interrompida e o SCR permanece travado uma vez ligado.

S1 é usado para quebrar a trava manualmente e desligar o SCR e o alarme.

A fim de melhorar ainda mais o alarme ativado por luz SCR explicado acima com precisão aprimorada, um acionamento baseado em amplificador operacional pode ser adicionado como mostrado abaixo. O funcionamento do circuito é semelhante aos projetos ativados por luz LDR discutidos anteriormente.

Circuito de alarme LDR com saída de tom pulsado

Este é mais um circuito de alarme ativado pelo escuro com um gerador de pulsos de 800 Hz de baixa potência integrado para acionar um alto-falante.

Duas portas NOR IC1-c e ICI-d são configuradas como um multivibrador astável para gerar uma frequência de 800 Hz. Essa frequência é alimentada no alto-falante por meio de um pequeno amplificador de sinal usando o BJT Q1.

O estágio de porta NOR acima é ativado apenas enquanto a saída de IC 1-b torna-se baixa ou 0V. As outras duas portas NOR IC 1-a e IC1-b são similarmente conectadas como multivibrador astável para produzir uma saída de pulso de 6 Hz e também são habilitadas apenas quando o pino da porta 1 é puxado para baixo ou em 0V.

O Pin1 pode ser visto equipado com a junção divisora ​​de potencial formada pelo LDR R4 e o potenciômetro R5.

Funciona assim: Quando a luz no LDR é suficientemente brilhante, o potencial de junção é alto, o que mantém ambos os multivibradores astáveis ​​desativados, o que significa que não há saída de som do alto-falante.

No entanto, quando o nível de luz cai abaixo do nível predefinido, a junção R4 / R5 fica suficientemente mais baixa, o que ativa o astável 6 Hz. Este astável agora começa a ativar ou alternar o astável de 800 Hz a uma taxa de 6 Hz. Isso resulta em um tom multiplexado de 800 Hz no alto-falante, pulsado a 6 Hz.

Para adicionar um mecanismo de travamento ao design acima, basta adicionar a chave S1 e o resistor R1 conforme indicado abaixo:

Para obter um som alto e reforçado do alto-falante, o mesmo circuito pode ser atualizado com um estágio de transistor de saída aprimorado, conforme mostrado abaixo:

Em nossa discussão anterior, aprendemos como um amplificador operacional pode ser usado para aumentar a precisão da detecção de luz LDR. O mesmo pode ser aplicado no design acima para criar um circuito detector de luz de tom de pulso de superprecisão

Circuito de alarme contra roubo LDR

Um circuito de alarme contra roubo de interrupção de feixe de luz LDR simples pode ser visto abaixo.

Normalmente, a fotocélula ou o LDR recebe a quantidade necessária de luz através da fonte de feixe de luz instalada. Isso pode ser de um Raio Laser fonte também.

Isso mantém sua resistência baixa e também produz um potencial insuficientemente baixo no potenciômetro R4 e na junção da fotocélula R5. Devido a isso, o SCR junto com a campainha permanecem desativados.

No entanto, em um evento o feixe de luz é interrompido faz com que a resistência LDR aumente, aumentando significativamente o potencial de junção de R4 e R5.

Isso aciona imediatamente o SCR1, ligando a campainha de alarme. O resistor R3 em série com a chave S1 é introduzido para permitir o travamento permanente do alarme.

Resumindo as especificações LDR

Existem muitos nomes diferentes pelos quais os LDR (Resistores Dependentes de Luz) são conhecidos, que incluem nomes como fotorresistor, fotocélula, célula fotocondutora e fotocondutor.

Normalmente, o termo mais prevalente e usado mais popularmente nas instruções e nas folhas de dados é o nome “fotocélula”.

Há uma variedade de usos para os quais o LDR ou fotorresistor pode ser aplicado, uma vez que esses dispositivos são bons com suas propriedades fotossensíveis e também estão disponíveis a baixo custo.

Assim, o LDR pode permanecer popular por um longo período de tempo e amplamente utilizado em aplicações como medidores de luz fotográficos, detectores de ladrão e fumaça, em postes de luz para controlar a iluminação, detectores de chamas e leitores de cartão.

O termo genérico de “fotocélula” é usado para os resistores dependentes de luz na literatura geral.

Descoberta de LDR

Como discutido acima, o LDR permaneceu o favorito entre as fotocélulas por um longo período de tempo. As primeiras formas de fotoresistores foram fabricadas e introduzidas no mercado no início do século XIX.

Este foi fabricado através da descoberta da 'fotocondutividade do selênio' em 1873 pelo cientista chamado Smith.

Uma boa variedade de diferentes dispositivos fotocondutores foi fabricada desde então. Um importante progresso neste campo foi feito no início do século XX, especialmente em 1920, pelo renomado cientista T.W. Case que trabalhou no fenômeno da fotocondutividade e seu artigo, “Célula Thalofide - uma nova célula fotoelétrica” foi publicado em 1920.

Durante as duas décadas seguintes nas décadas de 1940 e 1930, uma série de outras substâncias relevantes foram estudadas para o desenvolvimento de fotocélulas, que incluíam PbTe, PbS e PbSe. Mais tarde, em 1952, os fotocondutores - a versão semicondutora desses dispositivos foram desenvolvidos por Simmons e Rollin usando germânio e silício.

Símbolo dos resistores dependentes de luz

O símbolo do circuito que é usado para o fotorresistor ou o resistor dependente da luz é uma combinação do resistor animado para indicar que o fotorresistor é sensível à luz por natureza.

O símbolo básico do resistor dependente da luz consiste em um retângulo que simboliza a função do resistor do LDR. O símbolo adicionalmente consiste em duas setas na direção de entrada.

O mesmo símbolo é usado para simbolizar a sensibilidade à luz nos fototransistores e fotodiodos.

O símbolo do “resistor e setas” conforme descrito acima é usado pelos resistores dependentes de luz na maioria de suas aplicações.

Mas existem poucos casos em que o símbolo usado pelos resistores dependentes de luz representa o resistor envolto em um círculo. Isso é evidente no caso em que os diagramas de circuito são desenhados.

Mas o símbolo onde há ausência de círculo ao redor do resistor é um símbolo mais comum usado pelos fotorresistores.

Especificações técnicas

A superfície do LDR é construída com duas células fotocondutoras de sulfureto de cádmio (cds) com respostas espectrais comparáveis ​​às do olho humano. A resistência das células diminui linearmente à medida que a intensidade da luz aumenta em sua superfície.

O fotocondutor que é colocado entre os dois contatos é usado como um componente responsivo principal pela fotocélula ou fotorresistor. O a resistência dos fotoresistores sofre uma mudança quando há uma exposição do fotorresistor à luz.

Fotocondutividade: Os portadores de elétrons são gerados quando os materiais semicondutores do fotocondutor usados ​​absorvem os fótons, e isso resulta no mecanismo que funciona por trás dos resistores dependentes de luz.

Embora você possa descobrir que os materiais usados ​​pelos fotorresistores são diferentes, eles são quase todos semicondutores.

Quando são usados ​​na forma de fotoresistores, esses materiais atuam como elementos resistivos apenas onde há ausência de junções PN. Isso faz com que o dispositivo se torne totalmente passivo por natureza.

Os fotorresistores ou fotocondutores são basicamente de dois tipos:

Fotorresistor intrínseco: O material fotocondutor que é usado por um tipo específico de fotoresistor permite que os portadores de carga fiquem excitados e saltem para as bandas de condução de suas ligações de valência iniciais, respectivamente.

Fotorresistor extrínseco: O material fotocondutor que é usado por um tipo específico de fotorresistor permite que os portadores de carga fiquem excitados e pule para as bandas de condução de suas ligações de valência ou impureza iniciais, respectivamente.

Este processo requer dopantes de impureza não ionizados que também são rasos e requer que isso ocorra quando houver luz.

O desenho das fotocélulas ou fotoresistores extrínsecos é feito especificamente considerando as radiações de longo comprimento de onda, como as radiações infravermelhas na maioria dos casos.

Mas o projeto também considera o fato de que qualquer tipo de geração térmica deve ser evitado, uma vez que são obrigados a operar em temperaturas que são relativamente baixas.

Estrutura Básica do LDR

O número de métodos naturais que são comumente observados para a fabricação de fotoresistores ou resistores dependentes de luz é muito pequeno.

Um material resistivo sensível à luz é empregado pelos resistores dependentes de luz para exposição constante à luz. Conforme discutido acima, há uma seção específica que é processada pelo material resistivo sensível à luz que deve estar em contato com ambas ou uma das extremidades dos terminais.

Uma camada semicondutora que é ativa na natureza é usada em uma estrutura geral de um fotorresistor ou um resistor dependente de luz e um substrato isolante é ainda usado para depositar a camada semicondutora.

A fim de fornecer à camada semicondutora a condutividade do nível necessário, a primeira é levemente dopada. Depois disso, os terminais são conectados de forma apropriada nas duas extremidades.

Um dos principais problemas na estrutura básica do resistor dependente de luz ou fotocélula é a resistência de seu material.

A área de contato do material resistivo é minimizada para garantir que, quando o dispositivo for exposto à luz, sofra uma alteração em sua resistência de forma eficiente. Para atingir este estado, é assegurado que a zona envolvente dos contactos seja fortemente dopada o que resulta na redução da resistência na zona determinada.

A forma da área circundante do contato é projetada para ser principalmente no padrão interdigital ou em zigue-zague.

Isso permite a maximização da área exposta junto com a redução nos níveis de resistência espúria que por sua vez resulta no aumento do ganho, reduzindo a distância entre os dois contatos dos fotoresistores e tornando-a pequena.

Também existe a possibilidade de utilização do material semicondutor, como o semicondutor policristalino, depositando-o sobre um substrato. Um dos substratos que podem ser usados ​​para isso é a cerâmica. Isso permite que o resistor dependente de luz seja de baixo custo.

Onde fotorresistores são usados

O ponto mais atraente do resistor dependente de luz ou fotorresistor é que ele é de baixo custo e, portanto, é amplamente utilizado em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos.

Além disso, seus recursos robustos e estrutura simples também oferecem uma vantagem.

Embora o fotorresistor não tenha vários recursos que são encontrados em um fototransistor e um fotodiodo, ainda é uma escolha ideal para uma variedade de aplicações.

Assim, o LDR tem sido continuamente usado por um longo período de tempo em uma variedade de aplicações, como medidores de luz fotográficos, detectores de ladrão e fumaça, em postes de luz para controlar a iluminação, detectores de chamas e leitores de cartão.

O fator que determina as propriedades do fotorresistor é o tipo de material usado e, portanto, as propriedades podem variar de acordo. Alguns dos materiais usados ​​pelos fotoresistores possuem constantes de muito tempo.

Assim, é essencial que o tipo de fotorresistor si seja selecionado cuidadosamente para aplicações ou circuitos específicos.

Empacotando

O resistor dependente de luz ou LDR é um dos dispositivos de detecção muito úteis que podem ser implementados de muitas maneiras diferentes para processar a intensidade da luz. O dispositivo é mais barato em comparação com outros sensores de luz, mas é capaz de fornecer os serviços necessários com a máxima eficiência.

Os circuitos LDR discutidos acima são apenas alguns exemplos que explicam o modo básico de usar um LDR em circuitos práticos. Os dados discutidos podem ser estudados e personalizados de várias maneiras para muitas aplicações interessantes. Tem perguntas? Sinta-se à vontade para expressar através da caixa de comentários.