LDR回路と動作原理

名前が示すように、LDRまたは光依存抵抗器は、その表面に入射する光の強度に応じて幅広い抵抗値を示す一種の抵抗器です。抵抗範囲の変動は、数百オームから数メガオームまでのどこかになります。

それらはフォトレジスターとしても知られています。 LDRの抵抗値は、LDRに当たる光の強度に反比例します。つまり、光が少ないほど抵抗は大きくなり、その逆も同様です。

LDR内部構造

次の図は、LDRデバイスの内部解剖図を示しています。ここでは、光伝導性物質がジグザグまたはコイル状のパターン内に適用され、セラミック絶縁ベース上に埋め込まれ、エンドポイントがデバイスのリードとして終端されています。

このパターンは、結晶性光伝導性材料とそれらを分離する電極との間の最大の接触と相互作用を保証します。

光伝導性材料は、一般に硫化カドミウム（CdS）またはセレン化カドミウム（CdSe）で構成されます。

材料の種類と厚さ、およびその堆積層の幅は、LDR抵抗値の範囲と、処理できるワット数を指定します。

デバイスの2つのリード線は、不透明な非導電性ベース内に埋め込まれ、光導電性層の上に絶縁された透明コーティングが施されています。

LDRの回路図記号を以下に示します。

LDRサイズ

フォトセルまたはLDRの直径は、1/8インチ（3 mm）から1インチ（25 mm）以上の範囲です。通常、これらは3/8インチ（10 mm）の直径で入手できます。

これよりも小さいLDRは、スペースが問題になる可能性がある場合、またはSMDベースのボードで一般的に使用されます。小さいバリアントは、より低い散逸を示します。また、過酷で望ましくない環境下でも信頼性の高い動作を保証するために密閉されたいくつかのバリエーションが見つかる場合があります。

LDR特性と人間の目との比較

上のグラフは、感光性デバイスと私たちの目の特性の比較を示しています。グラフは、300〜1200ナノメートル（nm）の波長に対する相対スペクトル応答のプロットを示しています。

点線のベル型の曲線で示される人間の目の特徴的な波形は、私たちの目が電磁スペクトルの比較的狭い帯域（約400〜750 nm）に対する感度を高めているという事実を示しています。

曲線のピークは、550nmの範囲内の緑色光スペクトルで最大値を示します。これは、片側が400〜450nmの範囲の紫色のスペクトルにまで広がります。反対側では、これは700〜780nmの範囲の暗赤色光領域にまで及びます。

上の図は、硫化カドミウム（CdS）フォトセルが光制御回路アプリケーションで人気がある理由を正確に示しています。Cdsのスペクトル応答曲線のピークは600 nmに近く、この仕様は人間の目の範囲とまったく同じです。

実際、セレン化カドミウム（CdSe）の応答曲線のピークは、720nmを超えることさえあります。

LDR抵抗対ライトグラフ

とはいえ、CdSeは可視光スペクトルのほぼ全範囲に対してより高い感度を示す可能性があります。一般に、CdSフォトセルの特性曲線は次の図のようになります。

光がない場合の抵抗は約5メガオームであり、100ルクスの光強度または最適に照らされた部屋と同等の光レベルの存在下では約400オームに低下し、光強度の場合は約50オームに低下する可能性があります。 8000ルクスもの高さです。通常、直射日光から得られます。

ルクスは、1平方メートルの表面に均等に広がる1ルーメンの光束によって生成される照度のSI単位です。最新のフォトセルまたはLDRは、通常の固定タイプの抵抗と同等の電力と電圧に対して適切な定格があります。

標準のLDRの消費電力容量は、約50ミリワットと500ミリワットになる可能性があります。これは、検出器に使用される材料の品質によって異なります。

おそらく、LDRまたはフォトレジスターについてあまり良くない唯一のことは、光の変化に対するそれらの遅い応答仕様です。セレン化カドミウムで構築されたフォトセルは、通常、硫化カドミウムフォトセルよりも時定数が短くなります（100ミリ秒とは対照的に約10ミリ秒）。

また、これらのデバイスの抵抗が低く、感度が高く、温度抵抗係数が高い場合があります。

フォトセルが通常実装される主なアプリケーションは、写真露出計です。 明暗作動スイッチ 制御するため 街灯 、および盗難警報。一部の光作動アラームアプリケーションでは、システムは光線の遮断によってトリガーされます。

また、フォトセルを使用した反射ベースの煙警報器に出くわすこともあります。

LDRアプリケーション回路

次の画像は、興味深い実用的なフォトセルアプリケーション回路のいくつかを示しています。

光活性化リレー

トランジスタは、BC547などの任意の小さな信号タイプにすることができます

上の図に示されている単純なLDR回路は、通常は暗い空洞、たとえばボックスやハウジングの内部に設置されたLDRに光が当たったときに応答するように構築されています。

フォトセルR1と抵抗R2は、Q1のベースバイアスを固定する分圧器を作成します。暗くなると、フォトセルの抵抗が増加し、Q1のベースのバイアスがゼロになります。これにより、Q1とリレーRY1はオフのままになります。

フォトセルLDRで適切なレベルの光が検出された場合、その抵抗レベルはすぐにいくつかの低い大きさに低下します。バイアス電位はQ1のベースに到達することができます。これにより、外部回路または負荷を制御するために接点が使用されるリレーRY1がオンになります。

闇活性化リレー

次の図は、最初の回路を暗闇で作動するリレー回路に変換する方法を示しています。

この例では、LDRに光がない場合にリレーがアクティブになります。 R1は、回路の感度の設定を調整するために使用されます。抵抗R2とフォトセルR3は分圧器のように機能します。

R2とR3の接合部の電圧は、R3に光が当たると上昇します。 エミッタフォロワ Q1。 Q1ドライブのエミッタ出力 エミッタ接地アンプ Q2はR4を介して、それに応じてリレーを制御します。

高精度LDR光検出器

上記のLDR回路は単純ですが、電源電圧の変化や周囲温度の変化に対して脆弱です。

次の図は、電圧や温度の変動の影響を受けずに機能する高感度の光活性化回路を介して、この欠点にどのように対処できるかを示しています。

この回路では、LDR R5、ポットR6、および抵抗R1とR2は、ホイートストンブリッジネットワークの形で相互に構成されています。

オペアンプICIとトランジスタQ1および リレーRY1作業 非常に敏感なバランス検出スイッチのように。

供給電圧や気温の変動に関係なく、ブリッジの平衡点は影響を受けません。

これは、ブリッジネットワークに関連付けられているコンポーネントの相対値の変更によってのみ影響を受けます。

この例では、LDRR5とポットR6がホイートストンブリッジの1つのアームを構成しています。 R1とR2は、ブリッジの2番目のアームを形成します。これらの2つのアームは分圧器のように機能します。 R1 / R2アームは、オペアンプの非反転入力への一定の50％供給電圧を確立します。

ポットとLDRによって形成される分圧器は、オペアンプの反転入力に光に依存する可変電圧を生成します。

回路のセットアップであるポットR6は、必要な量の周囲光がLDRに当たったときに、R5とR6の接合部の電位がピン3の電位よりも高くなるように調整されます。

これが発生すると、オペアンプの出力は瞬時に正から0Vに状態を変更し、Q1と接続されたリレーをオンにします。リレーは、ランプである可能性のある負荷をアクティブにしてオフにします。

このオペアンプベースのLDR回路は非常に正確であり、人間の目では検出できない光強度のわずかな変化にも応答します。

上記のオペアンプの設計は、以下に示すように、ピン2とピン3の接続を交換するか、R5とR6の位置を交換することにより、暗闇で作動するリレーに簡単に変換できます。

ヒステリシス機能の追加

必要に応じて、このLDR回路をアップグレードできます。 ヒステリシス機能 次の図に示すように。これは、ICの出力ピンとピン3の間にフィードバック抵抗R5を導入することによって行われます。

この設計では、光の強度がプリセットレベルを超えると、リレーは正常に作動します。ただし、LDRのライトがドロップしてプリセット値よりも減少すると、リレーがオフになりません。 ヒステリシス効果 。

リレーは、ライトがR5の値によって決定される大幅に低いレベルに低下した場合にのみオフになります。値を小さくすると、遅延ラグ（ヒステリシス）が大きくなり、その逆も同様です。

ライトとダークのアクティベーション機能を1つに組み合わせる

この設計は、前述の暗スイッチ回路と明スイッチ回路を組み合わせて設計された精密な明暗リレーです。基本的にそれは ウィンドウコンパレータ 回路。

リレーRY1は、LDRの光レベルがポット設定の1つを超えるか、他のポット設定値を下回ると、スイッチがオンになります。

ポットR1は暗さのアクティブ化レベルを決定し、ポットR3はリレーの光レベルのアクティブ化のしきい値を設定します。ポットR2は、回路への供給電圧を調整するために使用されます。

セットアップ手順には、LDRが通常の強度レベルの光を受け取ったときに、LDRR6とポットR2の接合部に約半分の供給電圧が導入されるように最初のプリセットポットR2を調整することが含まれます。

続いて、ポテンショメータR1は、LDRが好ましい暗さレベルを下回る光を検出するとすぐにリレーRY1がオンになるように調整されます。

同様に、ポットR3は、リレーRY1が意図した輝度レベルでオンになるように設定できます。

光トリガー警報回路

次に、LDRを光で作動するアラーム回路として適用する方法を見てみましょう。

警報ベルまたはブザーは断続的なタイプである必要があります。つまり、オン/オフを連続して繰り返すことを意味し、2アンペア未満の電流で動作する定格です。 LDRR3と抵抗R2は分圧器ネットワークを構成します。

暗い場所では、フォトセルまたはLDRの抵抗が高く、R3とR2の接合部の電圧が不足して接続されたSCR1ゲートをトリガーできません。

入射光が明るくなると、LDR抵抗がSCRをトリガーするのに十分なレベルまで低下し、SCRがオンになり、アラームがアクティブになります。

反対に、暗くなるとLDR抵抗が増加し、SCRとアラームがオフになります。

ここでのSCRがオフになるのは、アラームが断続的なタイプであり、ゲート電流がない場合にSCRのラッチを解除して、SCRをシャットオフするのに役立つためです。

感度制御の追加

上記のSCRLDRアラーム回路は非常に粗雑で、感度が非常に低く、感度制御もありません。次の図は、前述の機能を使用して設計を強化する方法を示しています。

ここで、前の図の固定抵抗はポットR6に置き換えられ、バッファBJTステージがQ1を介してSCRのゲートとLDR出力の間に導入されています。

さらに、ベルまたは警報装置と平行にスイッチA1およびR4をオフにするプッシュを見ることができます。この段階では、ベルデバイスの断続的な性質に関係なく、ユーザーはシステムをラッチアラームに変換できます。

抵抗R4は、ベルが自己遮断音で鳴っている間でも、ラッチングアノード電流が遮断されることはなく、SCRは一度トリガーされるとラッチされたままになることを保証します。

S1は、ラッチを手動で解除し、SCRとアラームをシャットダウンするために使用されます。

上記で説明したSCRライト作動アラームを精度を向上させてさらに強化するために、以下に示すようにオペアンプベースのトリガーを追加できます。回路の動作は、前述のLDRライト起動設計と同様です。

パルストーン出力のLDRアラーム回路

これは、ラウドスピーカーを駆動するための統合された低電力800Hzパルスジェネレーターを備えたさらに別の暗活性化アラーム回路です。

2つのNORゲートIC1-cおよびICI-dは、800Hzの周波数を生成するための非安定マルチバイブレータとして構成されています。この周波数は、BJTQ1を使用して小信号増幅器を介してスピーカーに供給されます。

上記のNORゲート段は、IC1-bの出力がローまたは0Vになるまでアクティブになります。他の2つのNORゲートIC1-aおよびIC1-bは、6 Hzのパルス出力を生成するための非安定マルチバイブレータとして同様に接続され、ゲートピン1がローまたは0Vに引き下げられた場合にのみ有効になります。

ピン1は、LDRR4とポットR5によって形成された分圧器ジャンクションでリギングされているのがわかります。

これは次のように機能します。LDRのライトが十分に明るい場合、接合部電位が高くなり、両方の非安定マルチバイブレータが無効になります。つまり、スピーカーからの音声出力がありません。

ただし、光レベルがプリセットレベルを下回ると、R4 / R5ジャンクションが十分に低くなり、6Hzが非安定にアクティブになります。この非安定は、6Hzのレートで800Hzの非安定のゲーティングまたは切り替えを開始します。これにより、スピーカーに800 Hzの多重化トーンが発生し、6Hzでパルス化されます。

上記の設計にラッチ機能を追加するには、以下に示すように、スイッチS1と抵抗R1を追加するだけです。

スピーカーから大きなブーストサウンドを得るには、以下に示すように、同じ回路を強化された出力トランジスタステージでアップグレードできます。

以前の説明では、オペアンプを使用してLDR光検出の精度を高める方法を学びました。上記の設計にも同じことが当てはまり、超精密パルストーン光検出回路を作成できます。

LDR盗難警報回路

簡単なLDR光線遮断盗難警報回路を以下に示します。

通常、フォトセルまたはLDRは、設置された光源を介して必要な量の光を受け取ります。これはからである可能性があります レーザービーム ソースも。

これにより、抵抗が低く保たれ、ポットR4とフォトセルR5の接合部での電位が不十分になります。このため、SCRとベルは非アクティブのままです。

ただし、光線が遮断されると、LDR抵抗が増加し、R4とR5の接合電位が大幅に上昇します。

これにより、SCR1が即座にアラームベルをオンにします。スイッチS1と直列の抵抗R3は、アラームの永続的なラッチを可能にするために導入されています。

LDR仕様の要約

フォトレジスター、フォトセル、光伝導体セル、光伝導体などの名前を含む、LDR（光依存抵抗器）が知られている多くの異なる名前があります。

通常、説明書やデータシートで最も一般的で最も一般的に使用されている用語は、「フォトセル」という名前です。

LDRまたはフォトレジスターは、感光性に優れており、低コストでも入手できるため、さまざまな用途に使用できます。

したがって、LDRは長期間人気があり、写真用露出計、泥棒および煙探知器、照明を制御する街灯、火炎検出器、カードリーダーなどのアプリケーションで広く使用される可能性があります。

「フォトセル」の総称は、一般的な文献の中で光依存抵抗器に使用されています。

LDRの発見

上で議論したように、LDRは長い間フォトセルの間でお気に入りであり続けました。フォトレジスターの初期の形態は、19世紀初頭に製造され、市場に導入されました。

これは、1873年にスミスという科学者が「セレンの光伝導性」を発見したことで製造されました。

それ以来、さまざまな光伝導デバイスが製造されてきました。この分野での重要な進歩は、20世紀初頭、特に1920年に有名な科学者T.W.によってなされました。光伝導現象を研究した事例と彼の論文「ThalofideCell-新しい光電セル」は1920年に出版されました。

1940年代と1930年代の次の20年間に、PbTe、PbS、およびPbSeを含むフォトセルを開発するために他のさまざまな関連物質が研究されました。さらに1952年に、これらのデバイスの半導体バージョンの光伝導体は、ゲルマニウムとシリコンを使用してSimmonsとRollinによって開発されました。

光依存抵抗器のシンボル

フォトレジスタまたは光依存抵抗器に使用される回路記号は、フォトレジスタが本質的に感光性であることを示すためにアニメーション化された抵抗器の組み合わせです。

光依存抵抗器の基本的な記号は、LDRの抵抗器の機能を表す長方形で構成されています。シンボルはさらに、入力方向の2つの矢印で構成されます。

同じ記号は、フォトトランジスタとフォトダイオードの光に対する感度を表すために使用されます。

上記の「抵抗器と矢印」の記号は、ほとんどのアプリケーションで光依存抵抗器によって使用されます。

ただし、光依存抵抗器で使用されている記号が、円で囲まれた抵抗器を表している場合はほとんどありません。これは、回路図を描いた場合に明らかです。

しかし、抵抗器の周りに円がない記号は、フォトレジスターによって使用されるより一般的な記号です。

技術仕様

LDRの表面は、人間の目のそれに匹敵するスペクトル応答を持つ2つの硫化カドミウム（cds）光伝導セルで構築されています。セルの抵抗は、その表面の光強度が増加するにつれて直線的に低下します。

2つの接点の間に配置された光伝導体は、フォトセルまたはフォトレジスタによって主要な応答コンポーネントとして使用されます。ザ・ フォトレジスタの抵抗が変化します フォトレジスターが光にさらされたとき。

光伝導性： 電子キャリアは、使用される光伝導体の半導体材料が光子を吸収するときに生成されます。これにより、光依存抵抗の背後で機能するメカニズムが生まれます。

フォトレジスターで使用される材料が異なる場合がありますが、ほとんどはすべて半導体です。

それらがフォトレジスタの形で使用される場合、これらの材料は、PN接合がない場合にのみ抵抗素子として機能します。これにより、デバイスは本質的に完全にパッシブになります。

フォトレジスターまたは光伝導体には、基本的に2つのタイプがあります。

固有のフォトレジスタ： 特定のフォトレジスタタイプで使用される光伝導性材料により、電荷キャリアが励起され、それぞれの初期原子価結合から伝導帯にジャンプすることができます。

外因性フォトレジスター： 特定のフォトレジスタタイプで使用される光伝導性材料により、電荷キャリアが励起され、それぞれの初期原子価結合または不純物から伝導帯にジャンプすることができます。

このプロセスでは、イオン化されていない不純物ドーパントも必要であり、これも浅く、光が存在するときにこれを行う必要があります。

フォトセルまたは外因性フォトレジスターの設計は、ほとんどの場合、赤外線などの長波長放射を特に考慮して行われます。

しかし、設計では、非常に比較的低い温度で動作する必要があるため、あらゆるタイプの熱生成を回避する必要があるという事実も考慮しています。

LDRの基本構造

フォトレジスターまたは光依存抵抗器の製造で一般的に観察される自然な方法の数は非常に少ない。

光に敏感な抵抗材料は、光に常にさらされるように光依存抵抗器によって採用されています。上で論じたように、端子の両端または一端と接触する必要がある感光性抵抗材料によって処理される特定のセクションがあります。

本質的に活性である半導体層は、フォトレジスタまたは光依存抵抗器の一般的な構造で使用され、絶縁基板は、半導体層を堆積するためにさらに使用される。

半導体層に必要なレベルの導電性を提供するために、前者は軽くドープされます。その後、端子は両端に適切に接続されます。

光依存抵抗器またはフォトセルの基本構造における重要な問題の1つは、その材料の抵抗です。

抵抗性材料の接触面積を最小限に抑えて、デバイスが光にさらされたときに、抵抗が効率的に変化するようにします。この状態を実現するために、接点の周囲の領域が高濃度にドープされ、その結果、特定の領域の抵抗が減少することが保証されます。

接点の周囲の形状は、ほとんどがインターデジタルパターンまたはジグザグ形状になるように設計されています。

これにより、スプリアス抵抗のレベルを下げるとともに、露光領域を最大化することができ、フォトレジスタの2つの接点間の距離を縮めて小さくすることで、ゲインを向上させることができます。

また、多結晶半導体などの半導体材料を基板上に蒸着して使用する可能性もあります。これに使用できる基板の1つはセラミックです。これにより、光に依存する抵抗器を低コストにすることができます。

フォトレジスターが使用される場所

光依存抵抗器またはフォトレジスターの最も魅力的な点は、低コストであるため、さまざまな電子回路設計で広く使用されていることです。

これとは別に、彼らの頑丈な機能とシンプルな構造も彼らに利点を提供します。

フォトレジスターには、フォトトランジスターやフォトダイオードに見られるさまざまな機能がありませんが、それでもさまざまなアプリケーションに理想的な選択肢です。

このように、LDRは、照明を制御する街灯、火炎検出器、カードリーダーなど、写真用露出計、泥棒、煙探知器などのさまざまなアプリケーションで長期間継続的に使用されてきました。

フォトレジスタの特性を決定する要因は、使用される材料の種類であるため、特性はそれに応じて変化する可能性があります。フォトレジスターによって使用されるいくつかの材料は、非常に長い時間の定数を持っています。

したがって、フォトレジスタのタイプが特定のアプリケーションまたは回路用に慎重に選択されていることが典型的です。

まとめ

光依存抵抗またはLDRは、光強度を処理するためにさまざまな方法で実装できる非常に便利なセンシングデバイスの1つです。このデバイスは他の光センサーに比べて安価ですが、必要なサービスを最大限の効率で提供することができます。

上記のLDR回路は、実際の回路でLDRを使用する基本モードを説明するほんの数例です。議論されたデータは、多くの興味深いアプリケーションのためにいくつかの方法で研究およびカスタマイズすることができます。質問がありますか？コメント欄でお気軽にご連絡ください。