Αντιστάτης Εξαρτώμενος από το Φως (LDR): Αρχή Λειτουργίας, Σχεδίαση Κύκλωσης, Δοκιμή και Επιλογή

Ένας αντιστάτης εξαρτώμενος από το φως, ή LDR, είναι ένας παθητικός αισθητήρας φωτός του οποίου η αντίσταση πέφτει καθώς αυξάνεται η φωτεινότητα. Η μη γραμμική απόκριση του, η ευαισθησία στο μήκος κύματος, η καθυστέρηση, η ανοχή και οι συνθήκες δοκιμής καθορίζουν αν μπορεί να παρέχει ένα σταθερό κατώφλι ενεργοποίησης ή χρήσιμη είσοδο ADC. Ένας αξιόπιστος σχεδιασμός ξεκινά με την προοριζόμενη πηγή φωτός και την περίβληση, στη συνέχεια επιλέγει τον LDR, τον αντιστάτη διαχωριστή, τη μέθοδο κατωφλίου και τη διαδικασία επικύρωσης από καταγεγραμμένες τιμές.

Κατάλογος

Εικόνα 1. LDR Από το Φως στην Έξοδο Κυκλώματος

Βασικές Αρχές LDR και Γρήγορη Αναφορά

Ένας αντιστάτης εξαρτώμενος από το φως ονομάζεται επίσης φωτοαντίσταση, φωτοαγωγός, ή φωτοκύτταρο. Είναι μία συσκευή δύο ακίδων, κανονικά μη πολωμένη, της οποίας η αντίσταση αλλάζει με τη φωτεινότητα. Ο LDR δεν παράγει ανεξάρτητα μια βαθμονομημένη τάση ή ανάγνωση λουξ. Ένας διαχωριστής τάσης, γέφυρα, συγκριτής, ή διεπαφή ADC μετατρέπει την αντίστασή του σε ένα χρησιμό υπο διάσιμο ηλεκτρικό σήμα.

Οι LDR ταιριάζουν σε χαμηλού κόστους σχετική ανίχνευση φωτός, σταδιακό έλεγχο φωτεινότητας, και ενεργοποίηση με φως ή σκοτάδι. Ένας φωτοδιόδος, φωτοτρανζίστορ ή IC περιβάλλοντος φωτός είναι συνήθως προτιμότερος όταν η εφαρμογή απαιτεί βαθμονομημένη φωτεινότητα, γρήγορη ανίχνευση παλμών, ανίχνευση υπέρυθρης, χαμηλή μεταβλητότητα δείγματος, ή μια ψηφιακή διεπαφή χωρίς αναλογική βαθμονόμηση.

Πώς η Συμπεριφορά του LDR Επηρεάζει τη Σχεδίαση Κυκλώματος

Ένας LDR λειτουργεί μέσω φωτοαγωγιμότητας. Τα φωτόνια που απορροφώνται από το φωτοευαίσθητο ημιαγωγό αυξάνουν τον αριθμό των κινητών φορέων φορτίου, πράγμα που αυξάνει την αγωγιμότητα και μειώνει την αντίσταση. Αυτός ο μηχανισμός διαφέρει από τη φωτοβολταϊκή μετατροπή. Ένας LDR δεν λειτουργεί ως ηλιακό κύτταρο ή δεν παράγει μια χρήσιμη τάση εξόδου μόνος του, έτσι ώστε το γύρω κύκλωμα να πρέπει να παρέχει ηλεκτρική προτίμηση.

Εικόνα 2. Κατασκευή LDR και Φωτοαγωγιμότητα

Ένας κοινός LDR θειούχου καδμίου χρησιμοποιεί μια σπειροειδή φωτοευαίσθητη διαδρομή σε ένα μονωτικό υπόστρωμα. Μεταλλικοί ηλεκτρόδιοι συνδέουν την διαδρομή σε δύο ακίδες, και μια επικάλυψη που επιτρέπει την διέλευση του φωτός προστατεύει την επιφάνεια ανίχνευσης. Η μακρά σπειροειδής διαδρομή παρέχει μια χρήσιμη περιοχή αντίστασης εντός ενός συμπαγούς χώρου, αλλά η σύνθεση του υλικού, η γεωμετρία της διαδρομής, η κατασκευή της συσκευασίας και οι διαδικασίες κατασκευής διαφέρουν μεταξύ των προϊόντων.

Η αντίσταση δεν πέφτει σε άμεση αναλογία με τη φωτεινότητα. Σε περιορισμένο εύρος, πολλοί LDR ακολουθούν περίπου μια σχέση νόμου δυνάμεως, οπότε ίσες αυξήσεις σε λουξ δεν δημιουργούν ίσες αλλαγές στην αντίσταση ή στην τάση διαχωριστή. Οι υπολογισμοί διαχωριστή πρέπει να χρησιμοποιούν την περιοχή αντίστασης γύρω από το προοριζόμενο κατώφλι ή εύρος μέτρησης παρά να υποθέτουν μια γραμμική μετατροπή λουξ. Η παρεμβολή είναι μόνο υπερασπίσιμη εντός καταγεγραμμένων ή μετρημένων συνθηκών και δεν μετατρέπει έναν μη βαθμονομημένο LDR σε μετρητή λουξ.

Κατανόηση των προδιαγραφών φύλλου δεδομένων LDR

Οι προδιαγραφές LDR είναι σημαντικές μόνο με την δηλωμένη φωτεινότητα, το φάσμα πηγής ή τη θερμοκρασία χρώματος, την καθυστέρηση, τη θερμοκρασία και τις συνθήκες κατεύθυνσης. Ο πίνακας συγκρίνει τα τρέχοντα φύλλα δεδομένων Advanced Photonix PDV-P8103 Rev. B και PDV-P9203 Rev. A και εξηγεί πώς επηρεάζει κάθε στοιχείο το σχεδιασμό.

Προδιαγραφή	PDV-P8103 Rev. B	PDV-P9203 Rev. A	Συνθήκη και Σημασία Σχεδίασης
Υλικό και έξοδος	CdS μεταβλητή αντίσταση	CdS μεταβλητή αντίσταση	Παθητική αντίσταση εξόδου; απαιτεί ένα εξωτερικό κύκλωμα
Αντίσταση φωτός	16 έως 33 kΩ	10 έως 30 kΩ	10 lux, 2856 K; η ανοχή του προϊόντος επηρεάζει άμεσα την τάση διαχωριστή
Ελάχιστη σκούρα αντίσταση	0.5 MΩ	5 MΩ	Μετρήθηκε μετά την δηλωμένη συνθήκη αποκατάστασης 10 δευτερολέπτων του φύλλου δεδομένων
Ευαισθησία S	0.75 τυπική	0.90 τυπική	S = [log(R10) - log(R100)] / [log(E100) - log(E10)]. S είναι ασκέπτης. Η μονάδα Ω/lux που εκτυπώνεται στα φύλλα δεδομένων είναι ασυνεπής με αυτή τη λογαριθμική αναλογία και δεν θα πρέπει να θεωρείται ως αντίσταση ανά lux.
Φασματική απάντηση	400 έως 700 nm; κορυφή δεν αναφέρεται	400 έως 700 nm; 570 nm κορυφή τυπική	Διάφορα φάσματα λαμπτήρων και LED μπορούν να παράγουν διαφορετική αντίσταση στην ίδια ανάγνωση lux
Χρόνος απάντησης	60 ms άνοδος; 25 ms πτώση τυπική	60 ms άνοδος; 25 ms πτώση τυπική	10 lux, 2856 K; η άνοδος και η πτώση είναι ξεχωριστές και ειδικές για το προϊόν
Τάση και ισχύς	150 V κορυφή; 90 mW	150 V; 90 mW	Απόλυτες μέγιστες βαθμολογίες, όχι προτιμώμενα σημεία λειτουργίας
Θερμοκρασία	-30°C έως +75°C λειτουργία	-30°C έως +75°C λειτουργία	Η θερμοκρασία και η προηγούμενη φωτιστικότητα μπορούν να μετατοπίσουν την αντίσταση και την αποκατάσταση
Συσκευασία και συναρμολόγηση	2-πολική κεραμική	2-πολική κεραμική	Οι οδηγίες του κατασκευαστή αποκλείουν τη συγκόλληση φάσης ατμού και ενσωμάτωσης για αυτά τα μέρη CdS

Σχεδίαση ενός διαχωριστή τάσης LDR

Έξοδοι φωτεινής-άνοδος και σκούρας-άνοδος

Η θέση του LDR καθορίζει την κατεύθυνση εξόδου. Με το LDR συνδεδεμένο στην θετική τροφοδοσία και μια σταθερή αντίσταση συνδεδεμένη στη γη, η αύξηση του φωτός αυξάνει την τάση εξόδου. Η αναστροφή των δύο συστατικών καθιστά την αύξηση του φωτός να μειώνει την τάση εξόδου.

Σχήμα 3. Διαχωριστές φωτεινής-άνοδος και σκούρας-άνοδος

Εξισώσεις τάσης εξόδου

Για τη διάταξη φωτεινής-άνοδος:

V_OUT = V_S × R_F / (R_LDR + R_F)

Για τη διάταξη σκούρας-άνοδος:

V_OUT = V_S × R_LDR / (R_F + R_LDR)

όπου VS είναι η τροφοδοσία του διαχωριστή σε βολτ, VOUT είναι η έξοδος σε βολτ, RF είναι η σταθερή αντίσταση σε ohms, και RLDR είναι η αντίσταση LDR στην αξιολογούμενη συνθήκη. Αυτές οι εξισώσεις υποθέτουν ότι ο διαχωριστής είναι χωρίς φορτίο. Η διαρροή εισόδου ADC, η χωρητικότητα δειγματοληψίας και η εξωτερική φόρτιση μπορούν να αλλάξουν το αποτέλεσμα.

Επιλογή σταθερής αντίστασης

Μια σταθερή αντίσταση 10 kΩ είναι κοινή σε οδηγούς, αλλά δεν είναι καθολική. Η αντίσταση θα πρέπει να τοποθετεί την αναμενόμενη ζώνη εξόδου μέσα στην ζώνη ADC ή συγκριτή κοντά στο προοριζόμενο σημείο λειτουργίας. Μια λογαριθμική κεντρική υποκειμενικότητα χρησιμοποιεί:

R_F ≈ sqrt(R_min × R_max)

Εδώ, Rmin και Rmax περιγράφουν την περιοχή LDR στη στοχοθετημένη φωτεινότητα, όχι την πλήρη φωτεινή-σκούρα περιοχή. Ένα κατώφλι στα 10 lux και ένα κατώφλι στα 100 lux μπορεί να απαιτεί διαφορετικές τιμές αντίστασης.

Παράδειγμα λειτουργίας ADC 3.3 V

Αυτό το υπολογισμένο παράδειγμα χρησιμοποιεί το PDV-P8103, μια τροφοδοσία 3.3 V, και την περιοχή 16 kΩ έως 33 kΩ του φύλλου δεδομένων στα 10 lux.

R_target = sqrt(16 kΩ × 33 kΩ) = 22.98 kΩ

Η επιλεγμένη τυπική τιμή είναι RF = 22 kΩ.

Αξιολογούμενη Συνθήκη	Αντίσταση LDR	Υπολογισμένη Έξοδος
10 lux, χαμηλό όριο αντίστασης	16 kΩ	1.91 V
10 lux, υψηλό όριο αντίστασης	33 kΩ	1.32 V
Ελάχιστη σκούρα αντίσταση	500 kΩ	Όχι περισσότερο από 0.139 V

Στην ίδια δηλωμένη συνθήκη 10 lux, η ανοχή του μονάδας παράγει μια υπολογισμένη ζώνη εξόδου από 1.32 V έως 1.91 V. Ένα σταθερό κατώφλι firmware μέσα σε αυτή τη ζώνη θα μπορούσε να ταξινομήσει δύο συμβατές συσκευές διαφορετικά.

Η μέγιστη διάχυση LDR σε αυτόν τον διαχωριστή συμβαίνει όταν RLDR = RF:

P_LDR,max = V_S² / (4R_F) = (3.3 V)² / (4 × 22 kΩ) = 0.124 mW

Η υπολογισμένη διάχυση είναι πολύ κάτω από την απόλυτη μέγιστη τιμή 90 mW, αλλά δεν αντικαθιστά τους ελέγχους θερμοκρασίας και συνθηκών σφάλματος.

Εύρος ADC, Φόρτωση και Φιλτράρισμα

Η αντίσταση Thevenin του διαχωριστή είναι:

R_TH = (R_LDR × R_F) / (R_LDR + R_F)

Για αυτό το παράδειγμα, το RTH κυμαίνεται από περίπου 9.3 kΩ σε RLDR = 16 kΩ έως 21.1 kΩ σε RLDR = 500 kΩ. Το επιλεγμένο φύλλο δεδομένων του ADC πρέπει να επιτρέπει επαρκή χρόνο απόκτησης για να σταθεροποιηθεί ο πυκνωτής δειγματοληψίας σε αυτήν την πηγή αντίστασης.

Ένας πρόσθετος πυκνωτής μπορεί να μειώσει τον θόρυβο, αλλά επιβραδύνει επίσης την απόκριση:

τ = R_THC

Η χωρητικότητα θα πρέπει να ακολουθεί την επιτρεπόμενη καθυστέρηση απόκρισης αντί για μια αυθαίρετη τιμή φίλτρου.

Κυκλώματα Εναλλαγής Ενεργοποιημένα από Φως και Σκοτάδι

Σχήμα 4. Πλήρης Συγκριτής LDR και Οδηγός Ρελέ

Μέθοδοι Συγκριτή και Μικροελεγκτή

Μέθοδος	Κύριο Όφελος	Κύριο Περιορισμό
Συγκριτής	Άμεσος εναλλαγή ορίου χωρίς λογισμικό	Αναφορά, υστέρηση και στάδιο εξόδου απαιτούν σχεδίαση υλικού
Μικροελεγκτής ADC	Καλιμπράρισμα, μέσος όρος, καθυστέρηση και προγραμματιζόμενα όρια	Απαιτεί επιβεβαίωση εύρους ADC, χρονοδιαγράμματος και λογισμικού

Ένας συγκριτής ταιριάζει σε μια σταθερή απόφαση φως-εναντίον-σκοταδιού. Ένας ADC παρέχει περισσότερη έλεγχο όταν το κύκλωμα πρέπει να ταξινομήσει αρκετές ζώνες φωτός, να αντισταθμίσει κάθε συναρμολογημένη μονάδα ή να εφαρμόσει έναν κανόνα εναλλαγής με χρονοδιάγραμμα.

Σχεδίαση Ορίου και Υστέρησης

Ένα μόνο όριο εναλλαγής μπορεί να προκαλέσει ταχεία εναλλαγή όταν η ανιχνευόμενη τάση βρίσκεται κοντά στα όρια. Διαχωρισμένα όρια ενεργοποίησης και απενεργοποίησης δημιουργούν υστέρηση. Το κενό του ορίου πρέπει να υπερβαίνει τον αναμενόμενο θόρυβο, τη διακύμανση, την οπτική παραλλαγή και την κατανομή των συστατικών. Το λογισμικό μπορεί να εφαρμόσει την ίδια συμπεριφορά με διαφορετικά όρια ADC για την είσοδο και την έξοδο από μια κατάσταση.

Πλήρης Συγκριτής και Οδηγός Ρελέ

Το Σχήμα 4 δείχνει ένα πλήρες παράδειγμα εναλλαγής με σκοτάδι. Οι LDR1 και R1 παράγουν SENSE, ενώ οι R2 και R3 καθορίζουν το VREF. Η R4 ανατροφοδοτεί την έξοδο για να δημιουργήσει υστέρηση. Το TLV7041 έχει έξοδο ανοιχτού αποστραγγιστή, επομένως η R5 παρέχει την απαιτούμενη έλξη. Η C1 είναι ένας πυκνωτής παράκαμψης 100 nF συνδεδεμένος μεταξύ της τροφοδοσίας του συγκριτή και τοποθετημένος κοντά στο U1.

Η R6 περιορίζει το ρεύμα φόρτισης της πύλης και η R7 διατηρεί το MOSFET N-channel απενεργοποιημένο όταν η έξοδος του συγκριτή δεν είναι ενεργοποιημένη. Η K1 συνδέεται στην τροφοδοσία του φορτίου της, και η D1 περιορίζει την τάση της πηνίου του ρελέ όταν η Q1 απενεργοποιείται. Η καθόλου του διόδου συνδέεται στο +VLOAD, και η ανόδου της συνδέεται στο αποβαθμισμένο MOSFET. Ο MOSFET, η δίοδος, το ρελέ και η τροφοδοσία πρέπει να επιλεγούν για το πραγματικό ρεύμα πηνίου, την τάση, τον ρυθμό εναλλαγής και τη θερμοκρασία.

Απαιτήσεις Σχεδίασης LDR για Συγκεκριμένες Εφαρμογές

Ελεγκτής Φωτισμού από Σούρουπο έως Αυγή. Η απαιτούμενη απόκριση είναι συνήθως αρκετά αργή ώστε να απορρίψει τα φώτα αυτοκινήτων, τις κινούμενες σκιές και τις σύντομες αλλαγές καιρού. Καλιμπράρετε τα όρια ημέρας και νύχτας με την τελική γεωμετρία παραθύρου και εγκατάστασης. Οι κύριοι κίνδυνοι αποτυχίας είναι η ανατροφοδότηση από τον λαμπτήρα, η βρωμιά, η συμπύκνωση, η παραλλαγή αντικατάστασης και η ψευδής εναλλαγή από τοπικές πηγές φωτός. Ένας ψηφιακός αισθητήρας περιβαλλοντικού φωτός είναι προτιμότερος όταν ο ελεγκτής χρειάζεται καλιμπραρισμένα όρια lux ή επαναλαμβανόμενη συμπεριφορά μέσω ενός καθορισμένου οπτικού παραθύρου.

Σχήμα 5. Τοποθέτηση Αισθητήρα Σούρουπου σε Εξωτερικούς Χώρους

Ταξινομητής Φωτισμού Δωματίου Μικροελεγκτή. Η απόκριση θα πρέπει να ακολουθεί τις κανονικές αλλαγές φωτισμού δωματίου χωρίς να αντιδρά σε κάθε σύντομη σκιά. Καλιμπράρετε τις σκοτεινές, αποχρωματισμένες, κανονικές και φωτεινές ζώνες σε κάθε συναρμολογημένο σχέδιο ή σε αντιπροσωπευτικά δείγματα παραγωγής. Ο κύριος κίνδυνος αποτυχίας είναι η τοποθέτηση σταθερών ορίων ADC εντός του εύρους ανοχής της συσκευής. Ένα IC περιβαλλοντικού φωτός είναι προτιμότερο όταν οι μονάδες πρέπει να αναφέρουν συγκρίσιμες τιμές lux χωρίς ατομική αναλογική καλιμπράρισμα.

Αυτόματος Έλεγχος Φωτεινότητας Οθόνης. Η απόκριση θα πρέπει να φιλτράρεται επιτηρημένα ώστε η οθόνη να αλλάζει ομαλά. Η καλιμπράρισμα πρέπει να χρησιμοποιεί το τελικό παράθυρο προϊόντος ενώ οι οθόνες και οι ενδεικτικές LED είναι ενεργές. Ο κύριος κίνδυνος αποτυχίας είναι η οπτική ανατροφοδότηση από την οθόνη, οι εσωτερικές ανακλάσεις ή τα διαφορετικά φάσματα πηγών. Ένα IC περιβαλλοντικού φωτός που έχει ταιριάξει με το ανθρώπινο μάτι είναι προτιμότερο όταν απαιτείται συνεπής απόκριση υπό φωτισμό ημέρας, φθορισμού και LED.

Ανιχνευτής Διακοπής Δέσμης. Η απόκριση του αισθητήρα πρέπει να σταθεροποιηθεί εντός του ελάχιστου χρονικού διαστήματος διακοπής της δέσμης με περιθώριο. Καλιμπράρετε χρησιμοποιώντας το τελικό μήκος κύματος εκπομπής, την απόσταση, την ευθυγράμμιση, το άνοιγμα και το κατώφλι του δέκτη. Οι κύριοι κίνδυνοι αποτυχίας είναι η καθυστέρηση του LDR, η παρεμβολή του περιβαλλοντικού φωτός και η μηχανική εσφαλμένη ευθυγράμμιση. Ένας φωτονιοδός ή φωτοτρανζίστορ που έχει ταιριάξει με το μήκος κύματος είναι προτιμότερος για σύντομες παλμούς, κωδικοποιημένο φως, υπέρυθρες δέσμες ή υψηλούς ρυθμούς επανάληψης.

Σύγκριση LDR με εναλλακτικούς αισθητήρες φωτός

Σύγκριση LDR, Φωτοδιόδου, Φωτοτρανζίστορ και IC περιβάλλοντος φωτός

Οι όροι απόκρισης και ακρίβειας δεν είναι άμεσα εναλλάξιμοι μεταξύ των κατηγοριών αισθητήρων. Ο χρόνος ολοκλήρωσης ενός IC περιβάλλοντος φωτός, για παράδειγμα, δεν είναι η ίδια προδιαγραφή με τον χρόνο ανόδου ή καθόδου ενός LDR.

Αισθητήρας	Έξοδος	Διασύνδεση	Χαρακτηριστικά Απόκρισης	Κατάλληλες Εφαρμογές
LDR	Μεταβλητή αντίσταση	Διαχωριστής με ADC ή συγκριτή	Μη γραμμικός, εξαρτώμενος από το φάσμα και συγκριτικά αργός; μεγάλη μεταβλητότητα προϊόντος και δείγματος	Έλεγχος λυκόφωτος, σχετική ανίχνευση ορατού φωτός, αργός έλεγχος φωτεινότητας
Φωτοδιόδος	Φωτορεύμα	Αντίσταση φορτίου ή ενισχυτής μετατροπής	Γρήγορη απόκριση και επιλέξιμο φάσμα συχνοτήτων; το σήμα ρεύματος μπορεί να απαιτεί ενίσχυση	Οπτική μέτρηση, ανίχνευση παλμού, επικοινωνία, ανίχνευση IR
Φωτοτρανζίστορ	Ενισχυμένο φωτορεύμα	Αντίσταση φορτίου ή στάδιο διακοπής	Περισσότερη ενίσχυση από μια φωτοδιόδο αλλά μεγαλύτερη μεταβολή στην ενίσχυση και τη θερμοκρασία	Διακοπή δέσμης, ανίχνευση αντικειμένου, απλός διακόπτης φωτός
IC περιβάλλοντος φωτός	Ανάλογο ή ψηφιακό αποτέλεσμα φωτεινότητας	ADC, I²C, ή SMBus ανάλογα με τη συσκευή	Καθορισμένο εύρος, χρόνος ολοκλήρωσης και οπτική απόκριση; ακρίβεια συγκεκριμένη στο προϊόν	Έλεγχος οθόνης, μετρημένο περιβάλλον φωτός, επαναλαμβανόμενα κατώφλια, καταγραφή δεδομένων

Δημοσιευμένες Μελέτες Περίπτωσης LDR

Εκατοντάδες LDR για Μετρήσεις Οπτικής

Ο Marinho και οι συνεργάτες του καλιμπράρισαν έναν LDR 0.4 × 0.5 cm² χρησιμοποιώντας μια κόκκινη λάμπα LED 6 W και ένα εμπορικό μετρητή lux τοποθετημένο κοντά στον αισθητήρα. Μεταβλήθηκαν οι αποστάσεις της πηγής και προσαρμόστηκαν οι μετρήσεις με ln(R) = a + b ln(I), αποκτώντας a = 3.95 ± 0.02 και b = -0.727 ± 0.005 για αυτόν τον αισθητήρα. Οι συγγραφείς ανέφεραν ένα λειτουργικό εύρος 10 έως 10³ lux και περίπου 5% ακρίβεια από την αβεβαιότητα καλιμπράρισματος για την κόκκινη πηγή. Οι άλλες διαστάσεις του αισθητήρα τους παρήγαγαν διαφορετικούς συντελεστές προσαρμογής, κάτι που δείχνει γιατί μια καλιμπράρισμα θα πρέπει να παραμένει συνδεδεμένη με τον επιλεγμένο LDR, φάσμα, γεωμετρία και εύρος φωτεινότητας.

Πηγή: Marinho, F., Carvalho, C. M., Apolinário, F. R., και Paulucci, L., Μετρήσεις Φωτός με Αντιστάτες Εξαρτώμενους από το Φως: Μια Εύκολη Προσέγγιση για Πειράματα Οπτικής, Ευρωπαϊκό Περιοδικό Φυσικής, 40, 035801, 2019, doi:10.1088/1361-6404/ab11f1.

Πείραμα Ιχνηλάτη Ηλίου CdS-LDR

Ο Dadi και ο Peravali ανέπτυξαν έναν αισθητήρα κατεύθυνσης ήλιου CdS-LDR για έναν διπλό άξονα φωτοβολταϊκού ιχνηλάτη. Η προσαρμοσμένη τους σχέση μεταξύ ηλιακής έντασης και φωτοαντίστασης είχε R² = 0.99, και το πλήρες σύστημα ιχνηλάτη παρήγαγε αναφερόμενη αύξηση ενέργειας 50.63% σχετικά με τον σταθερό πίνακα στην πειραματική τους εργασία. Τα δεδομένα συλλέγονταν κάθε 2 έως 3 δευτερόλεπτα από τις 06:32:00 έως τις 17:38:33, περιλαμβάνοντας περιόδους που επηρεάζονταν από σκιές σύννεφων. Το αποτέλεσμα υποστηρίζει την καλιμπραρισμένη διαφορική απόσπαση LDR για αργό ιχνηλάτη ήλιου, αλλά η αναφερόμενη αύξηση του συστήματος εξαρτάται επίσης από τον πίνακα, τη μηχανική, τον αλγόριθμο ελέγχου, τον καιρό και τη διάταξη αναφοράς και δεν πρέπει να θεωρείται ως μια καθολική τιμή απόδοσης LDR.

Πηγή: Dadi, V., και Peravali, S., Βελτίωση του Αισθητήρα Αντίστασης Εξαρτώμενης από το Φως για την Εφαρμογή Συστήματος Ιχνηλάτη Ηλιακής Ενέργειας, SN Applied Sciences, 2, 1499, 2020, doi:10.1007/s42452-020-03293-x.

Αντιμετώπιση Προβλημάτων Κυκλώματος LDR

Ανάγνωση ADC Κοντά στο Μηδέν ή στην Πλήρη Κλίμακα

Ελέγξτε την κατεύθυνση του διαχωριστή, την σταθερή αντίσταση, την παροχή, την αναφορά ADC και την συνδεσμολογία. Υπολογίστε την αναμενόμενη τάση από την μετρημένη αντίσταση LDR πριν αλλάξετε το λογισμικό. Υπερβολική αντίσταση πηγής μπορεί να απαιτήσει μεγαλύτερο χρόνο απόκτησης ADC ή έναν μπουφέ.

Αντιστροφή Φωτεινής και Σκοτεινής Απόκρισης

Ο κύκλος είναι συνήθως λειτουργικός αν η τάση αλλάζει την αντίθετη κατεύθυνση. Ανταλλάξτε τις θέσεις του LDR και της σταθερής αντίστασης ή αναστρέψτε την ερμηνεία του λογισμικού. Μην αναστρέφετε την πολικότητα του αισθητήρα γιατί ο LDR είναι μη πολωμένος.

Ασταθής Διακοπή Κοντά στο Κατώφλι

Καταγράψτε την αρχική τάση του διαχωριστή ενώ η έξοδος εναλλάσσεται. Προσθέστε υλικό ή υλισμικό ισχυρισμού, κατόπιν ελέγξτε τις κινούμενες σκιές, τον θόρυβο παροχής, την ανατροφοδότηση από τη λάμπα και τις ανακλαστικές επιφάνειες. Μόνο η μέση τιμή μπορεί να καθυστερήσει την αστοχία χωρίς να δημιουργήσει σταθερό κενό κατωφλιού.

Αργή Ανάκαμψη Μετά το Σκοτάδι

Συγκρίνετε την παρατηρούμενη μετάβαση με τις χρονικές συνθήκες του επιλεγμένου μέρους. Η προηγούμενη φωτεινότητα, η θερμοκρασία, η καθυστέρηση δοκιμής και το επιλεγμένο κατώφλι μπορούν να αλλάξουν τον φαινομενικό χρόνο ανάκαμψης. Αντικαταστήστε την τεχνολογία του αισθητήρα αν η απαιτούμενη απόκριση παραμένει εκτός του επιβεβαιωμένου εύρους.

Διαφορετικές Μετρήσεις Μεταξύ LDRs

Επιβεβαιώστε τον αριθμό μέρους, την πηγή φωτός, τη θερμοκρασία, τη θέση του αισθητήρα, τον μετρητή και την καθυστέρηση. Η ανοχή των στοιχείων μπορεί να εξηγήσει τη διαφορά ακόμη και όταν και τα δύο μέρη συμμορφώνονται με το φύλλο δεδομένων τους. Η βαθμονόμηση της μονάδας ή ευρύτερα όρια μπορεί να είναι απαραίτητες.

Κακή Αντίδραση σε LED ή Υπέρυθρο Φως

Συγκρίνετε το μήκος κύματος του εκπεμψἠα με τα δεδομένα φασματικής-απόκρισης του LDR. Ένα ορατό φως μέρος CdS μπορεί να αντιδρά διαφορετικά σε διάφορα φάσματα LED και δεν είναι γενικός υπέρυθρος δέκτης. Χρησιμοποιήστε μια φωτοδίοδο ή φωτοτρανζίστορ προσαρμοσμένη σε μήκος κύματος για ανίχνευση IR.

Συμπέρασμα

Ένα LDR λειτουργεί καλά για ανίχνευση σχετικού φωτός χαμηλού κόστους όταν η εύρος αντίστασής του, η φασματική του απόκριση, ο χρόνος και η ανοχή του ταιριάζουν με το κύκλωμα. Οι υπολογισμοί διαίρεσης πρέπει να καλύπτουν την κατανομή προϊόντων, ενώ τα όρια απαιτούν περιθώριο, υστέρηση και ρεαλιστική οπτική τοποθέτηση. Η βαθμονομημένη μέτρηση lux, οι σύντομες φωτεινές παλμοί, η ανίχνευση υπέρυθρων ή η χαμηλή παραλλαγή αντικατάστασης μπορεί να δικαιολογούν άλλη τεχνολογία αισθητήρα, και η τελική έγκριση θα πρέπει να ακολουθεί δοκιμές σε αντιπροσωπευτικό υλικό υπό τις πραγματικές συνθήκες πηγής, θερμοκρασίας, παραθύρου και θήκης.

Τεχνικές Αναφορές:

• Advanced Photonix, PDV-P8103 Rev. B Φύλλο Δεδομένων.

• Advanced Photonix, PDV-P9203 Rev. A Φύλλο Δεδομένων.

• Texas Instruments, TLV703x και TLV704x Φύλλο Δεδομένων Χαμηλής Τάσης Συγκριτών.

• Texas Instruments, Μη-Αναστρέψιμος Συγκριτής με Κύκλωμα Υστέρησης, Rev. A.

• Texas Instruments, Χρήση Κινητήρων για την Οδήγηση Σολεννοειδών.

Συχνές Ερωτήσεις [FAQ]

1. Μπορεί ένα LDR να Συνδεθεί Άμεσα με την Τάση Ρεύματος;

Όχι. Ένας εκτεθειμένος διαχωριστής LDR και η ηλεκτρονική του έλεγχος δεν πρέπει να συνδεθούν άμεσα με την τροφοδοσία χωρίς σωστά απομονωμένο και ασφαλώς πιστοποιημένο σχέδιο. Η εναλλαγή τροφοδοσίας απαιτεί εγκεκριμένη απομόνωση, μόνωση, απόσταση, προστασία και εξαρτήματα ελέγχου φορτίου.

2. Μπορεί μια Εφαρμογή Lux-Meter στο Τηλέφωνο να Καλιμπράρει ένα LDR;

Μια εφαρμογή τηλεφώνου μπορεί να υποστηρίζει αδρή σύγκριση, αλλά δεν αποτελεί αναφορικό σημείο καλιμπράρισμα. Οι αισθητήρες τηλεφώνων διαφέρουν σε φάσμα, τοποθέτηση, οπτική φίλτρα και επεξεργασία λογισμικού. Ένας καλιμπραρισμένος μετρητής lux είναι προτιμότερος όταν η αριθμητική ακρίβεια φωτεινότητας είναι σημαντική.

3. Πώς θα Πρέπει να Συνδεθεί ένα Απομακρυσμένο LDR μέσω Μακριού Καλωδίου;

Μακριά καλώδια προσθέτουν σειριακή αντίσταση, διαρροές μόνωσης και ηλεκτρικό θόρυβο. Η σειριακή αντίσταση έχει μεγαλύτερη επιρροή όταν η αντίσταση του φωτισμένου LDR είναι χαμηλή, ενώ η διαρροή μπορεί να κυριαρχήσει σε σκοτεινές μετρήσεις υψηλής αντίστασης. Χρησιμοποιήστε καθαρούς συνδέτες, συμπλεγμένους αγωγούς, φίλτρο στην πλευρά λήψης όταν επιτρέπεται από τον στόχο απόκρισης και επιβεβαίωση με το τελικό μήκος καλωδίου και περιβάλλον.

4. Ποιες Μετρήσεις Υποδηλώνουν Ανοιχτό ή Βραχυκυκλωμένο LDR;

Σε μια φωτεινή διαίρεση με τον LDR στη πλευρά τροφοδοσίας, ένας ανοιχτός LDR επιτρέπει στον σταθερό αντιστάτη να τραβήξει την έξοδο κοντά στο έδαφος, ενώ ένας βραχυκυκλωμένος LDR οδηγεί την έξοδο κοντά στην τροφοδοσία. Ένας αναστραμμένος διαχωριστής αναιρεί αυτά τα συμπτώματα. Αποσυνδέστε την τροφοδοσία πριν μετρήσετε τον LDR απευθείας με ένα ωμόμετρο.

5. Μπορούν Δύο LDR να Συνδεθούν Σε Σειρά ή Παράλληλα;

Ναι. Η σειριακή σύνδεση αυξάνει τη συνολική αντίσταση, ενώ η παράλληλη σύνδεση τη μειώνει. Το αποτέλεσμα ακολουθεί τις ατομικές τιμές αντίστασης και φωτισμού, οπότε η ανοχή και η ανισοκατανομή φωτός μπορεί να παράγουν μεγάλη παραλλαγή. Ένας ανιχνευτής δύο αισθητήρων κατεύθυνσης χρειάζεται συνήθως μια καθορισμένη γέφυρα ή διαφορικό κύκλωμα και καλιμπράρισμα αντί για μια υπονοούμενη σειριακή ή παράλληλη απόκριση.