Circuitos LDR y principio de funcionamiento

Como su nombre indica, un LDR o resistencia dependiente de la luz es un tipo de resistencia que exhibe una amplia gama de valores de resistencia dependiendo de la intensidad de la luz incidente en su superficie. La variación en el rango de resistencia puede oscilar entre unos pocos cientos de ohmios y muchos megaohmios.

También se conocen como fotorresistores. El valor de resistencia en un LDR es inversamente proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre él. Es decir, cuando la luz es menor, la resistencia es mayor y viceversa.

Construcción interna LDR

La siguiente figura muestra la vista interna disecada de un dispositivo LDR donde podemos ver la sustancia fotoconductora aplicada dentro del patrón en zigzag o enrollado, incrustada sobre una base aislante de cerámica, y con los extremos terminados como cables del dispositivo.

El patrón asegura el máximo contacto e interacción entre el material fotoconductor cristalino y los electrodos que los separan.

El material fotoconductor generalmente consiste en sulfuro de cadmio (CdS) o seleniuro de cadmio (CdSe).

El tipo y grosor del material y el ancho de su capa depositada especifican el rango del valor de resistencia LDR y también la cantidad de vatios que puede manejar.

Los dos cables del dispositivo están incrustados dentro de una base opaca no conductora con un revestimiento transparente aislado sobre la capa fotoconductora.

El símbolo esquemático de un LDR se muestra a continuación:

Tamaños LDR

El diámetro de las fotocélulas o LDR puede variar desde 1/8 de pulgada (3 mm) hasta más de una pulgada (25 mm). Por lo general, están disponibles con diámetros de 10 mm (3/8 de pulgada).

Los LDR más pequeños que este se utilizan generalmente cuando el espacio puede ser un problema o en placas basadas en SMD. Las variantes más pequeñas presentan menor disipación. También puede encontrar algunas variantes que están selladas herméticamente para garantizar un trabajo confiable incluso en entornos hostiles e indeseables.

Comparación de las características de LDR con el ojo humano

El gráfico anterior proporciona la comparación entre las características de los dispositivos fotosensibles y nuestro ojo. El gráfico muestra el trazado de la respuesta espectral relativa frente a la longitud de onda de 300 a 1200 nanómetros (nm).

La forma de onda característica del ojo humano indicada por la curva punteada en forma de campana revela el hecho de que nuestro ojo tiene una mayor sensibilidad a una banda relativamente más estrecha del espectro electromagnético, aproximadamente entre 400 y 750 nm.

El pico de la curva tiene un valor máximo en el espectro de luz verde dentro del rango de 550 nm. Esto se extiende hacia el espectro violeta que tiene un rango entre 400 y 450 nm en un lado. Por otro lado, esto se extiende a la región de luz roja oscura que tiene un rango entre 700 y 780 nm.

La figura anterior también revela exactamente por qué las fotocélulas de sulfuro de cadmio (CdS) tienden a ser las favoritas en la aplicación de circuitos controlados por luz: los picos de la curva de respuesta espectral para Cds están cerca de 600 nm, y esta especificación es bastante idéntica al rango del ojo humano.

De hecho, los picos de la curva de respuesta de seleniuro de cadmio (CdSe) pueden incluso extenderse más allá de 720 nm.

Resistencia LDR Vs Gráfico de luz

Dicho esto, CdSe puede exhibir una mayor sensibilidad a casi todo el rango del espectro de luz visible. En general, la curva característica de una fotocélula de CdS puede ser la que se muestra en la siguiente figura.

Su resistencia en ausencia de luz puede rondar los 5 megaohmios, que puede descender a unos 400 ohmios en presencia de una intensidad de luz de 100 lux o un nivel de luz equivalente a una habitación con iluminación óptima, y ​​alrededor de 50 ohmios cuando la intensidad de la luz es tan alto como 8000 lux. típicamente obtenido de una luz solar directa brillante.

El lux es la unidad SI para la iluminancia generada por un flujo luminoso de 1 lumen distribuido uniformemente sobre una superficie de 1 metro cuadrado. Las fotocélulas modernas o LDR están adecuadamente clasificadas para potencia y voltaje, a la par de las resistencias normales de tipo fijo.

La capacidad de disipación de potencia para un LDR estándar podría estar entre 50 y 500 milivatios, lo que puede depender de la calidad del material utilizado para el detector.

Quizás lo único que no es tan bueno de los LDR o fotorresistores es su especificación de respuesta lenta a los cambios de luz. Las fotocélulas construidas con seleniuro de cadmio típicamente exhiben constantes de tiempo más cortas que las fotocélulas de sulfuro de cadmio (aproximadamente 10 milisegundos en contraste con 100 milisegundos).

También puede encontrar que estos dispositivos tienen resistencias más bajas, mayor sensibilidad y coeficiente de resistencia a la temperatura elevado.

Las principales aplicaciones en las que normalmente se implementan las Fotocélulas son en exposímetros fotográficos, interruptores activados claros y oscuros para controlar luces de la calle y alarmas antirrobo. En algunas aplicaciones de alarmas activadas por luz, el sistema se activa mediante una interrupción del haz de luz.

También puede encontrar detectores de humo basados ​​en reflexión que utilizan fotocélulas.

Circuitos de aplicaciones LDR

Las siguientes imágenes muestran algunos de los interesantes circuitos prácticos de aplicación de fotocélulas.

Relé activado por luz

EL TRANSISTOR PUEDE SER CUALQUIER TIPO DE SEÑAL PEQUEÑO, COMO EL BC547

El sencillo circuito LDR indicado en la figura anterior está diseñado para responder siempre que la luz incida sobre el LDR instalado en una cavidad normalmente oscura, por ejemplo, el interior de una caja o carcasa.

La fotocélula R1 y la resistencia R2 crean un divisor de potencial que fija el sesgo de base de Q1. Cuando está oscuro, la fotocélula presenta una resistencia aumentada, lo que conduce a un sesgo cero en la base de Q1, por lo que Q1 y el relé RY1 permanecen apagados.

En caso de que se detecte un nivel de luz adecuado en la fotocélula LDR, su nivel de resistencia cae rápidamente a algunas magnitudes menores. y se permite que un potencial de polarización alcance la base de Q1. Esto enciende el relé RY1, cuyos contactos se utilizan para controlar un circuito externo o una carga.

Relé activado por la oscuridad

La siguiente figura muestra cómo el primer circuito se puede transformar en un circuito de relé activado por oscuridad.

En este ejemplo, el relé se activa en ausencia de luz en el LDR. R1 se utiliza para ajustar la configuración de la sensibilidad del circuito. La resistencia R2 y la fotocélula R3 funcionan como un divisor de voltaje.

El voltaje en la unión de R2 y R3 aumenta cuando la luz cae sobre el R3, que está amortiguado por seguidor emisor Q1. La salida del emisor de las unidades Q1 amplificador de emisor común Q2 a través de R4 y, en consecuencia, controla el relé.

Detector de luz de precisión LDR

Aunque simples, los circuitos LDR anteriores son vulnerables a los cambios de voltaje de suministro y también a los cambios de temperatura ambiente.

El siguiente diagrama muestra cómo se podría abordar el inconveniente a través de un circuito activado por luz de precisión sensible que funcionaría sin verse afectado por las variaciones de voltaje o temperatura.

En este circuito, el LDR R5, el potenciómetro R6 y las resistencias R1 y R2 se configuran entre sí en forma de una red de puente de Wheatstone.

El amplificador operacional ICI junto con el transistor Q1 y relé RY1 trabajo como un interruptor de detección de equilibrio muy sensible.

El punto de equilibrio del puente no se ve afectado, independientemente de las variaciones en la tensión de alimentación o la temperatura atmosférica.

Solo se ve afectado por los cambios en los valores relativos de los componentes asociados con la red de puente.

En este ejemplo, el LDR R5 y el potenciómetro R6 constituyen un brazo del puente de Wheatstone. R1 y R2 forman el segundo brazo del puente. Estos dos brazos actúan como divisores de voltaje. El brazo R1 / R2 establece un voltaje de suministro constante del 50% a la entrada no inversora del amplificador operacional.

El divisor de potencial formado por la olla y el LDR genera un voltaje variable dependiente de la luz a la entrada inversora del amplificador operacional.

La configuración del circuito, el potenciómetro R6 se ajusta para que el potencial en la unión de R5 y R6 sea más alto que el potencial en el pin3 cuando la cantidad deseada de luz ambiental cae sobre el LDR.

Cuando esto sucede, la salida del amplificador operacional cambia instantáneamente de estado de positivo a 0 V, activando Q1 y el relé adjunto. El relé activa y apaga la carga que podría ser una lámpara.

Este circuito LDR basado en amplificador operacional es muy preciso y responderá incluso a cambios mínimos en la intensidad de la luz, que el ojo humano no puede detectar.

El diseño del amplificador operacional anterior se puede transformar fácilmente en un relé activado por la oscuridad, ya sea intercambiando las conexiones pin2 y pin3, o intercambiando las posiciones R5 y R6, como se muestra a continuación:

Agregar función de histéresis

Si es necesario, este circuito LDR se puede actualizar con un característica de histéresis como se muestra en el siguiente diagrama. Esto se hace introduciendo una resistencia de retroalimentación R5 a través del pin de salida y el pin3 del IC.

En este diseño, el relé se activa normalmente cuando la intensidad de la luz supera el nivel preestablecido. Sin embargo, cuando la luz en el LDR cae y disminuye que el valor preestablecido, no apaga el relé debido a la efecto de histéresis .

El relé se apaga solo cuando la luz ha caído a un nivel significativamente más bajo, que está determinado por el valor de R5. Los valores más bajos introducirán más retardo de retardo (histéresis) y viceversa.

Combinando funciones de activación de luz y oscuridad en una

Este diseño es un relé de luz / oscuridad de precisión que está diseñado combinando los circuitos de interruptores de luz y oscuridad explicados anteriormente. Básicamente es un comparador de ventana circuito.

El relé RY1 se enciende cuando el nivel de luz en el LDR supera uno de los ajustes de la olla o cae por debajo del otro valor de configuración de la olla.

El potenciómetro R1 determina el nivel de activación de oscuridad, mientras que el potenciómetro R3 establece el umbral para la activación del nivel de luz del relé. El potenciómetro R2 se utiliza para ajustar el voltaje de suministro al circuito.

El procedimiento de configuración incluye ajustar el primer potenciómetro R2 preestablecido de modo que se introduzca aproximadamente la mitad del voltaje de suministro en la unión del LDR R6 y el potenciómetro R2, cuando el LDR recibe luz a un nivel de intensidad normal.

El potenciómetro R1 se ajusta posteriormente de manera que el relé RY1 se enciende tan pronto como el LDR detecta una luz por debajo del nivel de oscuridad preferido.

Asimismo, el potenciómetro R3 se puede configurar de modo que el relé RY1 se encienda en el nivel de brillo deseado.

Circuito de alarma activada por luz

Ahora veamos cómo se puede aplicar un LDR como un circuito de alarma activado por luz.

La campana de alarma o el zumbador debe ser de tipo intermitente, lo que significa que suena con repeticiones continuas de encendido / apagado, y debe funcionar con una corriente de menos de 2 amperios. LDR R3 y la resistencia R2 forman una red divisoria de voltaje.

En condiciones de poca luz, la resistencia de la fotocélula o LDR es alta, lo que hace que el voltaje en la unión R3 y R2 sea insuficiente para activar la puerta SCR1 adjunta.

Cuando la luz incidente es más brillante, la resistencia de LDR cae a un nivel suficiente para activar el SCR, que se enciende y activa la alarma.

De manera opuesta, cuando oscurece, la resistencia del LDR aumenta, apagando el SCR y la alarma.

Es importante notar que el SCR aquí se apaga solo porque la alarma es de tipo intermitente que ayuda a romper el pestillo del SCR en ausencia de una corriente de puerta, apagando el SCR.

Agregar un control de sensibilidad

El circuito de alarma SCR LDR anterior es bastante tosco y presenta una sensibilidad muy baja, y también carece de un control de sensibilidad. La siguiente figura a continuación revela cómo se podría mejorar el diseño con las características mencionadas.

Aquí, la resistencia fija en el diagrama anterior se reemplaza con un potenciómetro R6 y una etapa BJT de búfer introducida a través de Q1 entre la puerta del SCR y la salida LDR.

Además, podemos ver un interruptor de apagado A1 y R4 paralelo al timbre o al dispositivo de alarma. Esta etapa permite al usuario convertir el sistema en una alarma de enclavamiento independientemente de la naturaleza intermitente del dispositivo de timbre.

La resistencia R4 asegura que incluso mientras la campana suena con un sonido que se interrumpe automáticamente, la corriente del ánodo de enganche nunca se interrumpe y el SCR permanece enganchado una vez que se activa.

S1 se utiliza para romper el pestillo manualmente y apagar el SCR y la alarma.

Para mejorar aún más la alarma activada por luz SCR explicada anteriormente con una precisión mejorada, se puede agregar un disparo basado en amplificador operacional como se muestra a continuación. El funcionamiento del circuito es similar al de los diseños activados por luz LDR discutidos anteriormente.

Circuito de alarma LDR con salida de tono pulsado

Este es otro circuito de alarma activado en la oscuridad que presenta un generador de pulsos de 800 Hz de baja potencia integrado para activar un altavoz.

Dos puertas NOR IC1-c e ICI-d están configuradas como un multivibrador astable para generar una frecuencia de 800 Hz. Esta frecuencia se alimenta al altavoz a través de un pequeño amplificador de señal utilizando el BJT Q1.

La etapa de puerta NOR anterior se activa solo mientras la salida de IC 1-b sea baja o 0V. Las otras dos puertas NOR IC 1-a e IC1-b están conectadas de manera similar como multivibrador astable para producir una salida de pulso de 6 Hz y también se habilitan solo cuando el pin 1 de la puerta está bajo o en 0V.

Pin1 se puede ver aparejado con la unión divisora ​​de potencial formada por el LDR R4 y el potenciómetro R5.

Funciona así: cuando la luz en el LDR es lo suficientemente brillante, el potencial de unión es alto, lo que mantiene desactivados los dos multivibradores astables, lo que significa que no hay salida de sonido por el altavoz.

Sin embargo, cuando el nivel de luz cae por debajo del nivel preestablecido, la unión R4 / R5 baja lo suficiente, lo que activa el astable de 6 Hz. Este astable ahora comienza a activar o cambiar el astable de 800 Hz a una frecuencia de 6 Hz. Esto da como resultado un tono multiplexado de 800 Hz en el altavoz, pulsado a 6 Hz.

Para agregar una función de enclavamiento al diseño anterior, simplemente agregue el interruptor S1 y la resistencia R1 como se indica a continuación:

Para obtener un sonido fuerte y realzado del altavoz, el mismo circuito se puede actualizar con una etapa de transistor de salida mejorada como se muestra a continuación:

En nuestra discusión anterior, aprendimos cómo se puede usar un amplificador operacional para mejorar la precisión de detección de luz LDR. Lo mismo se puede aplicar en el diseño anterior para crear un circuito detector de luz de tono de pulso de súper precisión

Circuito de alarma antirrobo LDR

A continuación se puede ver un circuito simple de alarma antirrobo con interrupción del haz de luz LDR.

Normalmente, la fotocélula o el LDR recibe la cantidad de luz requerida a través de la fuente de haz de luz instalada. Esto puede ser de un rayo laser fuente también.

Esto mantiene que su resistencia sea baja y esto también produce un potencial insuficientemente bajo en la unión del potenciómetro R4 y la fotocélula R5. Debido a esto, el SCR junto con la campana permanecen desactivados.

Sin embargo, en caso de que el haz de luz se interrumpa, la resistencia LDR aumenta, lo que aumenta significativamente el potencial de unión de R4 y R5.

Esto activa inmediatamente el SCR1 encendiendo la campana de alarma. Se introducen las resistencias R3 en serie con el interruptor S1 para permitir el enclavamiento permanente de la alarma.

Resumen de las especificaciones de LDR

Hay muchos nombres diferentes por los que se conocen los LDR (resistencias dependientes de la luz), que incluyen nombres como fotorresistor, fotocélula, celda fotoconductora y fotoconductor.

Normalmente, el término que prevalece y se usa más popularmente en las instrucciones y las hojas de datos es el nombre 'fotocélula'.

Hay una variedad de usos a los que se puede aplicar el LDR o fotorresistor, ya que estos dispositivos son buenos con su propiedad fotosensible y también están disponibles a bajo costo.

Por lo tanto, LDR podría seguir siendo popular durante un largo período de tiempo y ampliamente utilizado en aplicaciones como fotómetros fotográficos, detectores de humo y ladrones, en farolas para controlar la iluminación, detectores de llamas y lectores de tarjetas.

El término genérico de 'fotocélula' se utiliza para las resistencias dependientes de la luz dentro de la literatura general.

Descubrimiento de LDR

Como se mencionó anteriormente, la LDR se ha mantenido como la favorita entre las fotocélulas durante un largo período de tiempo. Las primeras formas de fotorresistores se fabricaron e introdujeron en el mercado a principios del siglo XIX.

Esto fue fabricado a través del descubrimiento de la 'fotoconductividad del selenio' en 1873 por el científico llamado Smith.

Desde entonces se ha fabricado una buena gama de diferentes dispositivos fotoconductores. Un importante avance en este campo se logró a principios del siglo XX, especialmente en 1920 por el renombrado científico T.W. Case, que trabajó en el fenómeno de la fotoconductividad y su artículo, 'Thalofide Cell- una nueva célula fotoeléctrica' ​​fue publicado en 1920.

Durante las siguientes dos décadas, en las décadas de 1940 y 1930, se estudió una variedad de otras sustancias relevantes para desarrollar fotocélulas que incluían PbTe, PbS y PbSe. Además, en 1952, Simmons y Rollin desarrollaron los fotoconductores, la versión semiconductora de estos dispositivos, utilizando germanio y silicio.

Símbolo de las resistencias dependientes de la luz

El símbolo del circuito que se utiliza para el fotorresistor o el resistor dependiente de la luz es una combinación del resistor animado para indicar que el fotorresistor es de naturaleza sensible a la luz.

El símbolo básico de la resistencia dependiente de la luz consiste en un rectángulo que simboliza la función de la resistencia del LDR. Además, el símbolo consta de dos flechas en la dirección de entrada.

El mismo símbolo se utiliza para simbolizar la sensibilidad a la luz en los fototransistores y fotodiodos.

Las resistencias dependientes de la luz utilizan el símbolo de 'resistencia y flechas' como se describe anteriormente en la mayoría de sus aplicaciones.

Pero hay pocos casos en los que el símbolo utilizado por las resistencias dependientes de la luz representa la resistencia encerrada dentro de un círculo. Esto es evidente en el caso en el que se dibujan los diagramas de circuitos.

Pero el símbolo donde hay ausencia de círculo alrededor de la resistencia es un símbolo más común utilizado por los fotorresistores.

Especificaciones técnicas

La superficie de LDR está construida con dos células fotoconductoras de sulfuro de cadmio (cds) que tienen respuestas espectrales comparables a las del ojo humano. La resistencia de las células cae linealmente a medida que aumenta la intensidad de la luz en su superficie.

El fotoconductor que se coloca entre los dos contactos se utiliza como componente sensible principal por la fotocélula o el fotorresistor. los la resistencia de los fotorresistores sufre un cambio cuando hay una exposición del fotorresistor a la luz.

Fotoconductividad: Los portadores de electrones se generan cuando los materiales semiconductores del fotoconductor utilizados absorben los fotones, y esto da como resultado el mecanismo que funciona detrás de las resistencias dependientes de la luz.

Aunque puede encontrar que los materiales que utilizan los fotorresistores son diferentes, en su mayoría son todos semiconductores.

Cuando se utilizan en forma de fotorresistores, estos materiales actúan como elementos resistivos solo cuando no hay uniones PN. Esto da como resultado que el dispositivo se vuelva completamente pasivo por naturaleza.

Los fotorresistores o los fotoconductores son básicamente de dos tipos:

Fotorresistor intrínseco: El material fotoconductor que utiliza un tipo de fotorresistencia específico permite que los portadores de carga se exciten y salten a las bandas de conducción desde sus enlaces de valencia iniciales, respectivamente.

Fotorresistor extrínseco: El material fotoconductor que es utilizado por un tipo de fotoresistor específico permite que los portadores de carga se exciten y salten a las bandas de conducción desde sus enlaces de valencia o impurezas iniciales, respectivamente.

Este proceso requiere dopantes de impurezas no ionizadas que también son poco profundos y requiere que esto tenga lugar cuando hay luz.

El diseño de las fotocélulas o fotorresistores extrínsecos se realiza específicamente considerando las radiaciones de longitud de onda larga como las radiaciones infrarrojas en la mayoría de los casos.

Pero el diseño también considera el hecho de que debe evitarse cualquier tipo de generación térmica, ya que deben operar a temperaturas que son relativamente bajas.

Estructura básica de LDR

El número de métodos naturales que se observan comúnmente para la fabricación de fotorresistores o resistencias dependientes de la luz es muy reducido.

Las resistencias dependientes de la luz emplean un material resistivo sensible a la luz para una exposición constante a la luz. Como se discutió anteriormente, hay una sección específica que es procesada por el material resistivo sensible a la luz que se requiere que esté en contacto con ambos o uno de los extremos de los terminales.

Una capa semiconductora que es de naturaleza activa se usa en una estructura general de un fotorresistor o una resistencia dependiente de la luz y se usa además un sustrato aislante para depositar la capa semiconductora.

Con el fin de proporcionar a la capa semiconductora la conductividad del nivel requerido, la primera se dopa ligeramente. A partir de entonces, los terminales se conectan adecuadamente a través de los dos extremos.

Una de las cuestiones clave en la estructura básica de la fotocélula o resistencia dependiente de la luz es la resistencia de su material.

El área de contacto del material resistivo se minimiza para garantizar que cuando el dispositivo se expone a la luz, experimenta un cambio en su resistencia de manera eficiente. Para lograr este estado, se asegura que el área circundante de los contactos esté fuertemente dopada, lo que da como resultado la reducción de la resistencia en el área dada.

La forma del área circundante del contacto está diseñada para estar principalmente en el patrón interdigital o en forma de zigzag.

Esto permite la maximización del área expuesta junto con la reducción en los niveles de la resistencia espuria que a su vez da como resultado la mejora de la ganancia al contraer la distancia entre los dos contactos de los fotorresistores y hacerla pequeña.

También existe la posibilidad de utilizar el material semiconductor, como el semiconductor policristalino, depositándolo sobre un sustrato. Uno de los sustratos que se puede utilizar para ello es la cerámica. Esto permite que la resistencia dependiente de la luz sea de bajo costo.

Dónde se utilizan fotorresistores

El punto más atractivo de la resistencia dependiente de la luz o fotorresistencia es que es de bajo costo y, por lo tanto, se usa ampliamente en una variedad de diseños de circuitos electrónicos.

Aparte de esto, sus características resistentes y su estructura simple también les proporcionan una ventaja.

Aunque el fotorresistor carece de varias características que se encuentran en un fototransistor y un fotodiodo, sigue siendo una opción ideal para una variedad de aplicaciones.

Por lo tanto, el LDR se ha utilizado continuamente durante un largo período de tiempo en una gama de aplicaciones como fotómetros fotográficos, detectores de humo y ladrones, en farolas para controlar la iluminación, detectores de llamas y lectores de tarjetas.

El factor que determina las propiedades del fotoresistor es el tipo de material que se utiliza y, por lo tanto, las propiedades pueden variar en consecuencia. Algunos de los materiales utilizados por los fotorresistores poseen constantes de muy largo tiempo.

Por lo tanto, es esencial que el tipo de fotorresistencia se seleccione cuidadosamente para aplicaciones o circuitos específicos.

Terminando

La resistencia dependiente de la luz o LDR es uno de los dispositivos de detección muy útiles que se puede implementar de muchas formas diferentes para procesar la intensidad de la luz. El dispositivo es más económico en comparación con otros sensores de luz, pero es capaz de proporcionar los servicios necesarios con la máxima eficiencia.

Los circuitos LDR discutidos anteriormente son solo algunos ejemplos que explican el modo básico de usar un LDR en circuitos prácticos. Los datos discutidos se pueden estudiar y personalizar de varias formas para muchas aplicaciones interesantes. ¿Tiene preguntas? Siéntete libre de expresarte a través del cuadro de comentarios.