Фоторезистор (Датчик освітленості)

Фоторезистор (LDR, Light Depender Resistor) - компонент, що змінює опір залежно від кількості світла, що падає на нього. У повній темряві він має максимальний опір у сотні кілоОм, а зі зростанням освітленості опір зменшується до десятків кілоОм.

Розрізняються фоторезистори за діапазоном опору. Наприклад:

Загальний пристрій.

Найпростіший спосіб подивитися на роботу фоторезистора – підключити до нього мультиметр та стежити за зміною опору (1MΩ..1KΩ), закриваючи фоторезистор рукою.

Так як це підвид резисторів, він не має полярності. Можна підключати у будь-якому напрямку.

Зберемо конструкцію за схемою.

Схема макетної плати.

Макетна плата з фоторезистором

З порту 5V йде харчування першу ніжку фоторезистора. До другої ніжки приєднуються резистор, який з'єднується з GND та окремий провід, що йде на порт A0. Виходить класичний дільник напруги.
Якщо запустити скетч та відкрити вікно Serial Monitor, ми можемо спостерігати зміни значень залежно від ступеня освітленості. Показання залежатимуть від другого резистора. Можете спробувати замінити резистор з іншим маркуванням та перевірити результат. У разі використовувався резистор на 1 ком. При цьому показання змінювалися від 4 до 158 зимового дня, коли вже починало темніти, а світло в кімнаті ще не вмикалося. Якщо світити на фоторезистор ліхтариком, то значення збільшувалося до 918 одиниць.

Застосування світлодіоду

Переконавшись, що фоторезистор працює та видає результат, можна використовувати програму.Припустимо, ми хочемо, щоб із настанням темряви на дачі вмикався ліхтарик, який висвітлить дорогу в лазню. Як ліхтар буде використовувати вбудований світлодіод.

int ledPin = 13; // використовуємо вбудований світлодіод на виводі 13 void setup() <pinMode(ledPin, OUTPUT); >void loop() < // зчитуємо показання з аналогового виведення A0 int sensorValue = analogRead(A0); if(sensorValue < 50)< // Якщо потемніло, то включаємо світлодіод digitalWrite(ledPin, HIGH); >else < // Якщо світло, то вимикаємо світлодіод digitalWrite(ledPin, LOW); >>

Змінюємо величину, яка буде відповідати сутінкам і включаємо світлодіод при досягненні цієї величини. Тепер ліхтар на дачі вмикатиметься без нашої участі.

Плавне регулювання світлодіоду

Якщо ми хочемо змінювати яскравість світлодіоду плавно, то вбудований світлодіод не підійде. Нам знадобиться висновок із символом ~, тому додамо свій світлодіод із резистором на макетну плату.

Ми можемо явно вказати діапазон, що відстежується, наприклад, від 4 до 200. Але показання можуть бути меншими або більшими від цих значень і нам потрібно написати умови, які враховували б цю ситуацію. На щастя, є готова функція constrain()яка робить цю роботу за нас. Далі ці значення потрібно розподілити між діапазоном від 0 до 255 за допомогою функції map(), оскільки світлодіод працює лише у цьому діапазоні. Але якщо ми залишимо як є, то 4 буде відповідати 0, а 200 буде відповідати 255. При такому рішенні світлодіод горітиме яскравіше при хорошому освітленні і тьмяніше при поганому освітленні. А нам потрібна зворотна ситуація. Тому функції ми застосовуємо зворотний порядок від 255 до 0. Таким чином, код вийде наступним.

int ledPin = 10; // використовуємо світлодіод з тильдою void setup() < pinMode(ledPin, OUTPUT); діапазон sensorValue = constrain(sensorValue, 4, 200); Відобразимо значення від 4 до 200 як від 255 до 0 int ledLevel = map(sensorValue, 4, 200, 255, 0);

Калібрівка

Якщо датчик може працювати в широких межах, має сенс визначити його справжні можливості в реальній обстановці. Наприклад, при роботі з датчиком освітленості в коридорі ми можемо оцінити, скільки світла зазвичай буває при включеній лампі і темряві і відштовхуватися від отриманих результатів, відсікаючи зайві показання. .

Запустимо скетч File | Examples |.

Протягом перших п'яти секунд ми записуємо дані з датчика. Найбільше і найменше значення потрапляють у змінні.

const int sensorPin = A0; //Аналоговий висновок A0 const int ledPin = 9; // Висновок 9 для світлодіода int sensorValue = 0; // значення датчика int sensorMin = 1023; //Мінімальне значення int sensorMax = 0; // максимальне значення void setup() < // включаємо світлодіод під час калібрування pinMode(13, OUTPUT); digitalWrite(13, HIGH); // калібрування протягом 5 секунд while (millis() < 5000) < sensorValue = analogRead(sensorPin); // записуємо максимально отриманий результат if (sensorValue > sensorMax) < sensorMax = sensorValue; >// записуємо мінімально отриманий результат if (sensorValue < sensorMin) < sensorMin = sensorValue; >> // вимикаємо світлодіод digitalWrite(13, LOW); > void loop() < // знімаємо показання датчика sensorValue = analogRead(sensorPin); // застосовуємо показання з урахуванням мінімального та максимального значень sensorValue = map(sensorValue, sensorMin, sensorMax, 0, 255); // Якщо показання виходять межі калібрування, то зрізаємо зайве sensorValue = constrain(sensorValue, 0, 255); //Змінюємо інтенсивність світлодіода в залежності від каліброваних показань analogWrite(ledPin, sensorValue); >

Перемикання

Тепер ви легко зрозумієте код з прикладу File | Examples | 05.Control | switchCase. Досвідченим шляхом з'ясовується, що показання фоторезистора коливаються від 0 до 600 (у вас можуть бути інші значення тоді змініть). Ділимо інтервал на чотири частини за допомогою map()Осі: темно, серпанок, середньо, яскраво. За допомогою оператора вибору switch вибираємо потрібне значення та виводимо повідомлення. Схема залишається незмінною.

const int sensorMin = 0; //Мінімальне значення датчика const int sensorMax = 600; // максимальне значення датчика void setup() < Serial.begin(9600); >void loop() < // отримуємо дані від датчика int sensorReading = analogRead(A0); // ділимо дані на чотири інтервали int range = map (sensorReading, sensorMin, sensorMax, 0, 3); // порівнюємо значення та виводимо потрібне повідомлення switch (range) <case 0: // рукою закриваємо датчик Serial.println("dark"); break; case 1: // подаємо трохи світла Serial.println("dim"); break; case 2: // ще більше світла Serial.println("medium"); break; case 3: // датчик під лампою Serial.println("bright"); break; >delay(1); // Пауза для стабільності >

Модуль KY-018

Може випускатися у вигляді готового модуля KY-018.

Модуль датчика освітленості KY-018

У модуля між висновками «S» та виведенням живлення +5 В (середній висновок) впаяний резистор 10 кОм, що разом із самим фоторезистором утворює дільник напруги, який зручно підключити до аналогового входу Arduino.

KY-018 | Arduino ------------- - | GND+ | 5V S | D

Фоторезистор та його застосування

Багато сучасних систем рідко обходяться без таких радіодеталей, як фотоелементи. Різні датчики та вимірювачі освітленості містять фоторезистори. Вони добре підходять для виміру світлових величин. З чого вони складаються, як влаштовані і що таке фоторезистор - це в нашому огляді.

Термін

Фоторезистор за своєю суттю це напівпровідниковий прилад, який під впливом світла здатний змінювати свою провідність або опір.

Їх відрізняє відсутність p-n переходу, що вільно використовується в сонячних фотопластинках.

А якщо немає p-n переходу, то такий елемент має властивість пропускати струм незважаючи на його спрямованість.Ця риса дає можливість використовувати їх в електричних ланцюгах змінного або постійного струму.

Пристрій

Від моделі до моделі змінюється форма корпусу або активний шар, але залишається незмінно.

Це основа – підкладка з керамічного матеріалу.

На підкладці змійкою наносять методом напилення найтонший шар провідника із золота або платини.

Також як напівпровідники можуть бути використані різні типи фоторезистивних матеріалів.

Якщо необхідно зафіксувати видиме світло з довгої хвилі:

То найчастіше застосовується селенід кадмію та сульфід кадмію.

Для фіксації інфрачервоного випромінювання пластини можуть бути зроблені з:

• германію в чистому вигляді або з додаванням невеликих домішок;
• кремнієвими;
• сульфіду свинцю та інших хімічних поєднань на його основі.

У чистому вигляді германій або кремній зустрічається в деталях, що мають внутрішній фотоефект.

Інші домішки можуть бути застосовані в пристроях із зовнішнім фотоефектом.

Виробництво перших серійних сірчисто-вісмутових фоторезисторів у нашій країні було налагоджено у 1948 р.

Пізніше їх замінили на сернисто-кадмієві та селенисто-кадмієві моделі, у яких виявилися набагато кращі параметри.

У будь-якому випадку властивості залишаються незмінними.

Напилені, таким чином, шари, мають виведення на електроди, якими потрапляє електричний струм.

Зверху всю конструкцію вміщують у корпус, захищений тонким шаром прозорого пластику, через який потрапляють світлові потоки.

Форма розміри та матеріал захисного корпусу можуть бути різними. Ці параметри визначаються виробником виходячи з призначення фоторезистора і виглядають по-різному.

Пристрій звичайного фоторезистора може бути різного виконання:

• у металевому корпусі;
• у пластиковому корпусі;
• відкритого типу.

Не завжди застосовується напилення металів. Струмопровідний шар може бути вирізаний із тонкого шару напівпровідника.

Зустрічаються варіанти та плівкових фотодатчиків.

Позначення на схемах

Фоторезистор на принциповій схемі позначається майже як і стандартний резистор. Але є невелика відмінність. Це той самий прямокутник, але у колі, зовні якого є зображення двох стрілок під кутом в 45°. Ці стрілки – символічно показують падаючий елемент потік випромінювання.

Таке позначення прийнято міжнародною електротехнічною комісією IEC (International Electrotechnical Commission).

В іноземних джерелах можна побачити й іншу умовну позначку. Фотоелемент умовно показаний у вигляді ламаної лінії. Це застаріле умовне позначення, але його можна зустріти на схемах досить часто.

Принцип роботи

Розберемо як працює фоторезистор?

Коли він неактивний це, насправді, діелектрик. Щоб пристрій почав проводити струм на нього має бути зовнішнє вплив. Теплове або, як у нашому випадку, світлове.

Фотони світла, потрапляючи на активний шар, насичують його електронами, і тепер з'являється здатність пропускати електричний струм. Виникає пряма залежність, яку можна відобразити на графіку.

З графіка добре видно, що чим більше утворюється електронів, тим менший електричний опір напівпровідника. На цій властивості фоторезистора і ґрунтується принцип його роботи.

Причому ефект утворення електронів здатний викликати видимий спектр випромінювання і інфрачервоний. В останньому варіанті вони здатні створювати значно більшу енергію.

Сприйнятливість фоторезистивного шару можна підняти за рахунок його легування різними добавками. Після такої обробки зменшуються фотоопір, але підвищується фоточутливість у видимих ​​спектрах світла.

Цим елементам характерний процес старіння. Він виражається:

• у зниженні омічного опору;
• змінюється фотострум;
• зростає чутливість.

Цей процес нетривалий за часом — кілька сотень годин і потім параметри стають стабільними.

Види

Загалом усі фотодатчики поділені на дві основні групи:

1. Деталі, що мають внутрішній фотоефект.
2. Деталі із зовнішнім фотоефектом.

Їх відрізняє одна від одної технологія виробництва, а якщо точніше — сам склад фоторезистивного шару.

Якщо у перших при виготовленні застосовані найчистіші хімічні складові, без домішок. Таким чином, у датчика змінюються характеристики фоторезистор практично не реагує на видиме світло, але добре працює в інфрачервоному діапазоні.

То другі, навпаки, містять домішки у напівпровідниковій речовині. За рахунок цього розширюється спектр чутливості в зоні видимого світла і захоплює навіть інфрачервоний діапазон (теплові промені).

Хоча за принципом спрацьовування і як підключити ці два види не відрізняються — внутрішній опір зменшується зі збільшенням інтенсивності світлового потоку, що падає на них.

Власне, ця властивість допомагає при монтажі плат з фотодатчиками. Питання, як перевірити фоторезистор, вирішується перевіркою його опору мультиметром. У робочому елементі має бути більший опір за відсутності освітлення. Якщо з його чутливий елемент подати світло, то опір миттєво знизиться за кілька ком.

Область застосування

У світі область застосування цих радіодеталей значно розширено.

Застосування різноманітних фоторезисторів, що працюють у видимому діапазоні досить широко. Це можуть бути:

1. Системи автоматичних вимикачів світла.
2. Рахункові пристрої.
3. Датчики обриву полотна чи паперу.
4. Датчики проникнення.
5. У приладах, оснащених експонометрами. Наприклад, такі елементи могли використовуватися в типових камерах-мильницях.

Самі по собі вони лише елемент складних фотоприймальних пристроїв, в яких крім фотодетектора може бути:

• інтегральний підсилювач;
• мікросхема, що відповідає за автоматичне регулювання освітлення;
• схеми ланцюгів живлення доповнені системою охолодження на елементах Пельтьє.

Все це різноманіття елементів для фотодекторів полягає в невеликому герметичному корпусі.

Якщо ці прилади працюють в ІЧ-діапазоні, їх сфера застосування трохи інша. Вони використовуються як частина складних пристроїв, таких як:

• датчики виявлення полум'я;
• системи безконтактного виміру температури;
• системи відстеження рівня вологості;
• застосовуються виявлення вуглекислих газів;
• у приладах інфрачервоних аналізаторів газів;
• використовується в датчиках обриву паперової стрічки в друкарні або паперової промисловості;
• у промисловій електроніці підключення фоторезистора може застосовуватися для автоматичного підрахунку виробів, що рухаються транспортерною стрічкою.

Відповідно, виходячи з того, що буде керуватися таким резистором, розраховуються і його параметри.

Наприклад, як у практиці використовується цей елемент, подивимося схему фотореле, управляючу вуличним освітленням.

Автоматика вуличного освітлення

Автомати, що включають вуличне освітлення, здатні виявити наявність/відсутність сонячного світла.

Ось типова схема реалізації підключення фоторезистора для автоматичної активації нічного освітлювального приладу.

Загалом принцип дії схеми.

З настанням сутінків і в нічний час опір LDR підвищується, що спричиняє зниження напруги на змінному резисторі R2. Транзистор VT1 закритий, а VT2 відкривається і таким чином подається напруга на реле, що включає лампу.

Це цілком робоча схема фотореле, але її основний недолік - відсутність гістерези. Це викликає короткочасне деренчання реле в сутінковий час, коли є незначні зміни в освітленості.

Ця електронна деталь допомагає відстежити рівень освітленості навколишнього середовища.

Датчики наявності інших умов

У поліграфічній промисловості конструкції на спеціальному фоторезисторі відстежують урвище паперового рулону. Також з їх допомогою можна вести підрахунок паперових листів на конвеєрі.

Підключення фоторезистора до ардуїно

Датчики освітленості, які можуть використовувати фоторезистори, можуть бути реалізовані своїми руками на базі плат ардуїно.

Такі схеми досить прості, не виникає питання «де взяти», оскільки вони доступні в інтернет-магазинах, а їхня ціна не відлякує клієнтів.

Саморобний модуль дає можливість контролювати рівень освітленості і прореагувати на його зміну.

Маючи на руках таку плату Arduino, легко реалізувати такі проекти як:

• датчик освітлення;
• для включення/вимкнення реле;
• запускає двигуни і таке інше.

Перед вами типовий приклад застосування детектора освітленості на базі плати Arduino.

Переваги та недоліки

Ці елементи мають суттєвий недолік — гранична частота.Вона задає максимальну частоту синусоїдального сигналу, яким регулюється світловий потік.

В результаті істотно знижується чутливість приладу. Відповідно знижується і швидкодія приладів, де потрібно реагувати близько десятка мікросекунд — 10^(−5) з.

Також проявляється деяка інерційність датчиків з урахуванням фоторезисторів. Відбувається запізнення сигналу, а це негативно впливає на швидкодію пристроїв.

Але є й позитивні сторони.

При низькому порозі чутливості фоторезистор недорогий та його підключення виправдане високою надійністю. Найчастіше, навіть корисно, що спрацювання фотоелемента відбувається не миттєво, а по наростаючій, поступово. Ця особливість дає можливість застосування цих деталей у приладах аналогового типу – різноманітні датчики та вимірювачі освітленості.

Висновок

Побудувати прилад із датчиком освітленості у комплексі з фоторезистором досить просто. Якщо є бажання, ви самі можете повторити аналогічну схему своїми руками на базі плат ардуїно. При цьому вартість кінцевого виробу буде дуже низькою.