Circuitos LDR e princípio de operação

Como o nome indica, um LDR ou resistor dependente da 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 variar de algumas centenas de ohms a muitos megaohms.

Eles também são conhecidos como fotorresistores. O valor da resistência em um LDR é inversamente proporcional à intensidade da luz que cai 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 na qual podemos ver a substância fotocondutora aplicada dentro do padrão em zigue-zague ou espiral, embutida em uma base isolante de cerâmica e com os pontos finais terminados como cabos do dispositivo.

O padrão garante o 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 da resistência ao LDR e também a quantidade de watts que ele pode suportar.

Os dois cabos do dispositivo são embutidos dentro de uma base não condutora opaca 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 LDR pode variar de 1/8 de polegada (3 mm) a mais de uma polegada (25 mm). Eles geralmente estão disponíveis com diâmetros de 3/8 de polegada (10 mm).

LDRs menores que isso geralmente são usados ​​onde o espaço pode ser uma preocupação ou em placas baseadas em SMD. Variantes menores exibem menos dissipação. Você também pode encontrar algumas variantes hermeticamente fechadas para garantir um trabalho confiável, mesmo em ambientes agressivos e indesejáveis.

Comparação das características do LDR com o olho humano

O gráfico acima fornece a comparação entre as características dos dispositivos fotossensíveis e o nosso olho. O gráfico mostra o gráfico 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 do sino revela o fato de que nosso olho melhorou a sensibilidade a 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 dentro da faixa de 550 nm. Isso se estende pelo espectro violeta que tem um intervalo entre 400 e 450 nm de um lado. Por outro lado, isso se estende à região da luz vermelha escura que tem um intervalo entre 700 e 780 nm.

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

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

Gráfico LDR contra luz de resistência

Dito isto, o CdSe pode exibir sensibilidade aumentada para quase toda a faixa do espectro de luz visível. Em geral, a curva característica de uma fotocélula CdS pode ser a apresentada na figura a seguir.

Sua resistência na ausência de luz pode ser de cerca de 5 megaohms, que podem cair para cerca de 400 ohms na presença de uma intensidade de luz de 100 lux ou um nível de luz equivalente a uma sala com iluminação ideal e cerca de 50 ohms quando a intensidade da luz é tão alta quanto 8000 lux. normalmente como obtido da luz direta do sol.

O lux é a unidade SI para a iluminação gerada por um fluxo luminoso de 1 lúmen distribuído uniformemente sobre uma superfície de 1 metro quadrado. As fotocélulas modernas ou LDRs são adequadamente classificadas em termos de potência e tensão, a par dos resistores normais do tipo fixo.

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

Talvez a única coisa que não seja tão boa nos LDRs ou nos fotorresistores seja a resposta lenta à especificação de mudança de luz. As fotocélulas construídas com seleneto de cádmio geralmente apresentam constantes de tempo mais curtas do que as fotocélulas de sulfeto de cádmio (aproximadamente 10 milissegundos versus 100 milissegundos).

Você também pode achar que esses dispositivos têm resistências mais baixas, maior sensibilidade e coeficiente de resistência a temperaturas elevadas.


As principais aplicações nas quais as células fotoelétricas são normalmente implantadas são medidores de exposição fotográfica, interruptores ativados pela luz e pela escuridão para controlar as luzes da rua e alarmes contra roubo. Em algumas aplicações de alarme ativado por luz, o sistema é acionado interrompendo o feixe de luz.

Você também pode encontrar detectores de fumaça baseados em reflexos usando fotocélulas.

Circuitos de Aplicação LDR

As imagens a seguir mostram alguns dos interessantes circuitos práticos de aplicação de fotocélulas.

Relé ativado por luz

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

O circuito LDR simples indicado na figura acima foi projetado para responder quando a luz cair sobre o LDR instalado em uma cavidade normalmente escura, por exemplo, dentro de uma caixa ou estojo.

A fotocélula R1 e o resistor R2 criam um divisor de potencial que corrige o viés de base de Q1. Quando escura, a fotocélula exibe resistência aumentada, levando a um viés zero na base de Q1, devido ao qual Q1 e o relé RY1 permanecem desligados.

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

Relé ativado pela escuridão

A figura a seguir mostra como o primeiro circuito pode ser transformado em um circuito de relé ativado escuro.

Neste exemplo, o relé é ativado na ausência de luz no LDR. R1 é usado para ajustar as configurações de 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 cai sobre R3, que é protegida pelo emissor seguidor Q1. A saída do emissor de Q1 aciona o amplificador emissor comum de Q2 a R4 e, consequentemente, controla o relé.

Detector de luz de precisão LDR

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

O diagrama a seguir mostra como o problema poderia ser solucionado através de um circuito ativado por luz de precisão sensível que operaria sem ser afetado por variações de tensão ou temperatura.

Nesse circuito, o LDR R5, o potenciômetro R6 e os resistores R1 e R2 são configurados juntos na forma de uma rede de pontes Wheatstone.

O amplificador operacional ICI, em conjunto com o transistor Q1 e o relé RY1, funciona como uma chave de detecção de equilíbrio muito sensível.

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

Ele é afetado apenas por alterações nos valores relativos dos componentes associados à rede de pontes.

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

O divisor de potencial formado pelo pote e pelo LDR gera uma tensão variável dependente da luz na entrada inversora do amplificador operacional.

Ao configurar o circuito, o potenciômetro R6 é ajustado para que o potencial na junção de R5 e R6 seja maior que o potencial no pino3 quando a quantidade desejada de luz ambiente cai no LDR.

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

Este circuito LDR baseado em op-amp é altamente preciso e responderá a mudanças mínimas nas intensidades de luz, que o olho humano não pode detectar.

O projeto anterior do amplificador operacional pode ser facilmente transformado em um relé ativado escuro, trocando as conexões pin2 e pin3 ou trocando as posições R5 e R6, conforme demonstrado abaixo:

Adicionar recurso de histerese

Se necessário, este circuito LDR pode ser atualizado com uma função de histerese, conforme mostrado no diagrama a seguir. Isso é feito através da introdução de um resistor de realimentação R5 no pino de saída e no pino3 do IC.

Nesse projeto, o relé opera normalmente quando a intensidade da luz excede o nível predefinido. No entanto, quando a luz no LDR cai e diminui mais do que o valor predefinido, ela não desliga o relé devido ao efeito de histerese.

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

Combinando funções de ativação claras e escuras em um

Esse design é um relé claro / escuro de precisão projetado combinando os circuitos de interruptor claro e escuro explicados acima. Basicamente, é um circuito comparador de janelas.

O relé RY1 acende quando o nível de luz no LDR excede uma das configurações do pote ou cai abaixo do outro valor de configuração do pote.

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

O procedimento de configuração inclui o ajuste do primeiro potenciômetro R2 predefinido para que aproximadamente metade da tensão de alimentação seja inserida na junção LDR R6 e pot pot R2, quando o LDR recebe luz em um nível de intensidade normal.

O potenciômetro R1 é subsequentemente ajustado para que o relé RY1 seja ligado assim que o LDR detectar uma luz abaixo do nível de escuridão preferido.

Da mesma forma, o potenciômetro R3 pode ser configurado para que o relé RY1 seja LIGADO no nível de brilho desejado.

Circuito de alarme ativado por luz

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

A campainha ou alarme sonoro deve ser do tipo intermitente, o que significa que soa com repetições ON / OFF contínuas e deve ser classificada para operação com corrente menor que 2 amperes. O LDR R3 e o resistor R2 formam uma rede divisora ​​de tensão.

Em condições de pouca luz, a resistência da fotocélula ou LDR é alta, fazendo com que a tensão nas junções R3 e R2 seja insuficiente para ativar a porta SCR1 conectada.

Quando a luz incidente é mais brilhante, a resistência do LDR cai para um nível suficiente para ativar o SCR, que liga e aciona o alarme.

Por outro lado, quando escurece, a resistência do LDR aumenta, desligando o SCR e o alarme.

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

Adicionar um controle de sensibilidade

O circuito de alarme SCR LDR acima é bastante grosseiro e possui uma sensibilidade muito baixa e também não possui controle de sensibilidade. A figura a seguir mostra como o design pode ser aprimorado com os recursos mencionados.

Aqui, o resistor fixo no diagrama acima é substituído por um potenciômetro R6, e um estágio de buffer BJT é inserido através de Q1 entre a porta SCR e a saída LDR.

Além disso, podemos ver uma chave de desligamento A1 e R4 paralela à campainha ou dispositivo de alarme. Esse estágio permite ao usuário converter o sistema em um alarme de trava, independentemente da natureza intermitente do dispositivo de campainha.

O resistor R4 garante que, mesmo quando a campainha tocar com um som de desligamento automático, a corrente do ânodo de retenção nunca se quebre e o SCR permanecerá bloqueado quando ativado.

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

Para aprimorar ainda mais o alarme acionado por luz SCR explicado acima com precisão aprimorada, um acionador baseado em amplificador operacional pode ser adicionado como mostrado abaixo. A operação do circuito é semelhante aos projetos ativados por luz LDR discutidos acima.

Circuito de alarme LDR com saída de tom pulsado

Este é outro circuito de alarme ativado por escuridão que possui um gerador de pulsos de 800Hz 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 ao alto-falante através de um pequeno amplificador de sinal usando o BJT Q1.

O estágio da porta NOR acima é ativado apenas enquanto a saída do IC 1-b for baixa ou 0V. Os outros dois portões NOR IC 1-a e IC1-b são conectados de forma semelhante como um multivibrador astável para produzir uma saída de pulso de 6 Hz e também são ativados apenas quando o pino do portão 1 é abaixado ou em 0V.

O Pino1 pode ser visto emparelhado com a junção divisória potencial formada pelo LDR R4 e pelo potenciômetro R5.

Funciona assim: quando a luz no LDR é brilhante o suficiente, o potencial de ligação é alto, mantendo os multivibradores astáveis ​​desligados, o que significa que nenhum som é emitido pelo alto-falante.

No entanto, quando o nível de luz cai abaixo do nível predefinido, a junção R4 / R5 é abaixada o suficiente, o que ativa a tabela de 6 Hz. Essa tabela agora começa a ativar ou alterar a tabela de 800 Hz a uma velocidade 6 Hz. Isso resulta em um tom multiplexado de 800 Hz no alto-falante, pulsado em 6 Hz.

Para adicionar uma função de bloqueio ao projeto acima, basta adicionar a chave S1 e o resistor R1 como abaixo:

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

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

Circuito de alarme anti-roubo LDR

Abaixo está um circuito simples de alarme de interrupção do feixe de luz LDR.

Normalmente, a fotocélula ou LDR recebe a quantidade necessária de luz através da fonte de feixe de luz instalada. Isso também pode ser de uma fonte de feixe de laser.

Isso mantém sua resistência baixa e também produz potencial insuficientemente baixo na junção do potenciômetro R4 e da fotocélula R5. Por esse motivo, o SCR junto com o exaustor permanece desativado.

No entanto, no caso de o feixe de luz ser interrompido, a resistência ao LDR aumenta, o que aumenta significativamente o potencial de ligação de R4 e R5.

Isso ativa imediatamente o SCR1, que ativa a campainha de alarme. O resistor R3 em série com o interruptor S1 é inserido para permitir o bloqueio permanente do alarme.

Resumo das especificações do LDR

Existem muitos nomes diferentes pelos quais os LDRs (resistores dependentes da luz) são conhecidos, incluindo nomes como fotoresistor, fotocélula, célula fotocondutora e fotocondutor.

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

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

Portanto, o LDR pode permanecer popular por um longo período de tempo e amplamente utilizado em aplicações como fotômetros, detectores de roubo e fumaça, em iluminação pública para controlar a iluminação, detectores de chamas e leitores de cartões.

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

Imagem LDR

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

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

O símbolo “resistor e setas”, como descrito acima, é usado por resistores dependentes de luz na maioria de suas aplicações.

Porém, existem poucos casos em que o símbolo usado pelos resistores dependentes de luz representa a resistência dentro de um círculo. Isso é evidente no caso de desenhar diagramas de circuitos.

Mas o símbolo onde não há círculo ao redor da resistência é um símbolo mais comum usado pelos fotorresistores.

As especificações técnicas

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

O fotocondutor que é colocado entre os dois contatos é usado como um componente de resposta primário pela fotocélula ou fotorresistor. a a resistência dos fotorresistores sofre uma mudança quando houver exposição do fotorresistor à luz.

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

Embora os materiais utilizados pelos fotorresistores possam ser diferentes, na maioria são semicondutores.

Quando usados ​​na forma de fotorresistores, esses materiais agem como elementos resistivos apenas quando não há junções PN. Isso resulta na natureza completamente passiva do dispositivo.

Os fotorresistores ou fotocondutores são basicamente de dois tipos:

Fotoresistor intrínseco: O material fotocondutor que utiliza um tipo específico de fotorresistor permite que os portadores de carga se excitem e pulem nas bandas de condução a partir de suas ligações iniciais de valência, respectivamente.

Fotoresistor extrínseco: O material fotocondutor que utiliza um tipo específico de fotoresistor permite que os portadores de carga se excitem e pulem nas bandas de condução a partir de suas ligações de valência ou impurezas iniciais, respectivamente.

Esse processo requer impurezas não ionizadas que também são superficiais e exige que isso ocorra quando a luz estiver presente.

O projeto de fotocélulas extrínsecas ou fotorresistentes é realizado especificamente, levando em consideração a radiação de ondas longas, como a radiação infravermelha, na maioria dos casos.

Mas o projeto também considera o fato de que qualquer tipo de geração térmica precisa ser evitado, pois é necessário operar em temperaturas relativamente baixas.

Estrutura básica do LDR

O número de métodos naturais comumente observados para a fabricação de fotorresistores ou resistores dependentes da luz é muito pequeno.

Os resistores dependentes da luz usam um material resistivo sensível à luz para exposição constante à luz. Como discutido acima, há uma seção específica que é processada pelo material resistivo sensível à luz que é necessário estar em contato com uma ou ambas as extremidades dos terminais.

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

Para fornecer à camada de condutividade o nível necessário para a camada semicondutora, a primeira é levemente dopada. Posteriormente, os terminais estão conectados corretamente pelas duas extremidades.

Uma das questões-chave na estrutura básica do resistor dependente da luz ou fotocélula é a resistência do seu material.

A área de contato do material resistivo é minimizada para garantir que, quando o dispositivo seja exposto à luz, ele sofra uma mudança eficiente na resistência. Para atingir esse estado, é garantido que a área circundante dos contatos seja dopada fortemente, resultando em resistência reduzida na área especificada.

A forma da área de contato ao redor foi projetada para ser principalmente no padrão interdigital ou em zigue-zague.

Isso permite a maximização da área exposta juntamente com a redução nos níveis de resistência espúria, o que, por sua vez, resulta em um ganho aprimorado, reduzindo a distância entre os dois contatos do fotorresistor e diminuindo o tamanho.

Existe também a possibilidade de usar o material semicondutor, como o semicondutor policristalino que o deposita em um substrato. Um dos substratos que pode ser usado para isso é a cerâmica. Isso permite que o resistor dependente da luz seja barato.

Onde fotorresistores são usados

O ponto mais atraente sobre o resistor dependente da luz ou o fotorresistor é que ele é barato e, portanto, amplamente utilizado em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos.

Além disso, suas características robustas e estrutura simples também lhes proporcionam uma vantagem.

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

Portanto, o LDR tem sido usado continuamente por um longo período de tempo em várias aplicações, como medidores de luz fotográficos, detectores de roubo e fumaça, em iluminação pública para controlar a iluminação, detectores de chamas e leitores de cartões.

O fator que determina as propriedades fotorresistentes é o tipo de material usado e, portanto, as propriedades podem variar de acordo. Alguns dos materiais utilizados pelos fotorresistores têm constantes de tempo prolongadas.

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

Final

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

Os circuitos LDR discutidos acima são apenas alguns exemplos que explicam a maneira básica de usar um LDR em circuitos práticos. Os dados discutidos podem ser estudados e personalizados de várias maneiras para muitas aplicações interessantes. Você tem perguntas? Sinta-se livre para expressar através da caixa de comentários.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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