Ljósfruma, eða ljósháð viðnám (LDR), er lítill hluti sem breytir viðnámi sínu eftir ljósinu í kringum það. Í myrkri er viðnám mikið og í björtu ljósi lækkar það lágt. Þessi einfalda aðgerð gerir ljóssellur gagnlegar í tækjum sem þurfa að vinna sjálfkrafa með ljósi, eins og götuljós, garðlampa og birtustýringar skjásins. Í þessari grein útskýrum við hvernig ljósfrumur virka, úr hverju þær eru gerðar, eiginleikar þeirra og hvar þær eru notaðar.
Yfirlit yfir ljósfrumu
Ljóssella, einnig kölluð ljósviðnám eða ljósháð viðnám (LDR), er rafeindahluti sem breytir því hversu mikið hann þolir rafflæði eftir ljósinu sem lendir á honum. Þegar það er mjög lítið ljós verður viðnám þess mjög mikið og nær stundum upp í milljónir ohma. Þegar það er bjart ljós verður viðnám þess mjög lágt, stundum aðeins nokkur hundruð ohm. Þessi breyting á viðnámi gerir ljósfrumur gagnlegar í rafrásum sem þurfa að bregðast við ljósstigi án mannlegrar stjórnunar. Þeir vinna hljóðlega í bakgrunni og stilla hvernig rafmagn flæðir út frá magni ljóss í kringum þá. Vegna þessa eru þau notuð í mörgum kerfum þar sem sjálfvirk ljósstýring er krafist.
Rekstur ljósfrumu
Þessi skýringarmynd sýnir hvernig ljósfruma (ljósháð viðnám eða LDR) virkar í gegnum meginregluna um ljósleiðni. Þegar ljóseindir lenda á yfirborði kadmíumsúlfíðs (CdS) efnisins örva þær rafeindir frá gildisbandinu inn í leiðnibandið. Þetta ferli myndar frjálsar rafeindir og göt inni í efninu.
Frelsuðu rafeindirnar auka leiðni CdS leiðarinnar milli málmrafskautanna. Eftir því sem fleiri ljóseindir frásogast myndast fleiri hleðsluberar, sem lækkar heildarviðnám ljósfrumunnar. Í myrkri eru mjög fáar rafeindir tiltækar þannig að viðnámið helst hátt. Við bjarta lýsingu minnkar viðnám verulega, sem gerir meiri straumi kleift að fara framhjá.
Ljósfrumuefni og smíði
Þessi mynd sýnir innri byggingu og efni ljósfrumu. Í kjarna þess er þunnt lag af kadmíumsúlfíði (CdS filmu) sett á keramik undirlag. Þetta CdS lag er ljósnæmt efni sem viðnám þess breytist með lýsingu.
Málmrafskaut eru mynstruð ofan á CdS filmuna til að safna og flytja rafmerki sem myndast þegar ljós örvar efnið. Þessum rafskautum er vandlega raðað til að tryggja hámarks snertingu við CdS lagið, bæta næmi og svörun.
Öll samsetningin er lokuð inni í gagnsæju hlífðarhlíf sem verndar íhlutina fyrir ryki, raka og vélrænum skemmdum en hleypir samt ljósi í gegnum. Þessi smíði tryggir endingu, áreiðanleika og stöðuga frammistöðu ljóssellunnar við ýmsar lýsingar- og umhverfisaðstæður.
Rafmagns upplýsingar
| Breyta | Verðmæti |
|---|---|
| Dark Resistance | ≥ 1 MΩ (í algjöru myrkri) |
| Létt viðnám | 10–20 kΩ @ 10 lux |
| Gamma (γ) | 0,6–0,8 |
| Hækkun / falltími | 20–100 ms |
| Litrófstoppur | 540–560 nm |
| Hámarks spenna | 90–100 V |
| Hámarks afldreifni | \~100 mW |
Litrófssvörun ljósfrumna
• Hámarksnæmi: Ljósfrumur bregðast sterkast við á græn-gula bilinu (540–560 nm), sem er einnig það svæði þar sem sjón manna er næmast.
• Lítið næmi fyrir IR og UV: Þeir sýna lágmarkssvörun við innrauðri (IR) og útfjólubláu (UV) geislun. Þetta kemur í veg fyrir ranga virkjun frá hitagjöfum, sólarljósi eða ósýnilegu ljósi.
• Kostur: Vegna þessarar augnsamsvörunar eru ljósfrumur notaðar í ljósmæla, sjálfvirkar birtustýringar, umhverfisljósskynjara og orkusparandi ljósakerfi.
Kraftmikil hegðun ljósfrumna
Svartími
Ljósfrumur bregðast við innan tuga millisekúndna, sem er of hægt til að greina ört breytilega eða flöktandi ljósgjafa.
Hysteresis áhrif
Viðnámið fylgir kannski ekki sömu kúrfu þegar ljósstyrkur minnkar og hún gerði þegar hún jókst. Þetta getur leitt til lítilla mæliskekkja í stjórnkerfum.
Öldrun og niðurbrot
Langvarandi útsetning fyrir sterku ljósi, UV geislun eða útiaðstæðum getur breytt viðnámsgildum varanlega, sem dregur úr nákvæmni skynjara með tímanum.
Samanburður: Ljósfruma vs ljósdíóða vs ljóssmári
| Eiginleiki | Ljósfruma (LDR) | Ljósdíóða | Ljóssmári |
|---|---|---|---|
| Kostnaður | Mjög lágt | Lágt-miðlungs | Lágt-miðlungs |
| Viðbragðshraði | Hægt (20–100 ms) – ekki hægt að greina flökt eða hátíðniljós | Mjög hratt (nanósekúndur til míkrósekúndur) – tilvalið fyrir háhraða greiningu | Miðlungs (míkrósekúndur til millisekúndur) – hraðari en LDR en hægari en ljósdíóða |
| Línuleiki | Léleg – ólínuleg svörun við ljósstyrk | Framúrskarandi – mjög fyrirsjáanleg viðbrögð | Miðlungs - betri en LDR, minna nákvæm en ljósdíóða |
| Spectral Match | Passar við mannsauga (græn-gulur toppur við 540–560 nm) | Breitt litróf; hægt að stilla með optískum síum | Viðkvæmt aðallega fyrir sýnilegu eða innrauðu, allt eftir hönnun |
| Kraftur meðhöndlun | Óvirkt tæki, lágt afl (\~100 mW) | Mjög lágt, krefst hlutdrægni | Í meðallagi, getur magnað ljósstraum |
| Umsóknir | Rökkurskynjarar, leikföng, umhverfisljósskynjun, garðlampar | Ljósmælar, sjónsamskipti, lækningatæki | Hlutskynjun, IR fjarskynjarar, staðsetningarkóðarar |
Grunn ljósfrumurásir
Binditage Divider til ADC inntaks
Ljóssefla og viðnám mynda skilrúm sem framleiðir spennu í réttu hlutfalli við ljósstig. Þetta er tilvalið fyrir örstýringar eins og Arduino eða ESP32, þar sem hægt er að lesa merkið með hliðrænum til stafrænum breyti (ADC) og kortleggja það á lux eða birtugildi.
Samanburðarþröskuldur (dökkur/bjartur rofi)
Með því að tengja ljósselluna við samanburðarrás snýr úttakið á milli HIGH og LOW eftir ljósinu. Klassískt dæmi eru sjálfvirk götuljós sem kvikna þegar ljós fer niður fyrir ákveðinn þröskuld, eins og 20 lux.
Vinnulotuknúinn skilrúm (lágorkustilling)
Í rafhlöðuknúnum eða IoT kerfum er aðeins hægt að knýja skilrúmið meðan á mælingu stendur. Þetta dregur úr orkunotkun en veitir samt áreiðanlega ljósskynjun, sem gerir það hentugt fyrir fjarskynjara eða snjallljósahnúta.
Hönnunarreglur fyrir ljósfrumurásir
Kvörðun fyrir nákvæmni
LDR hafa ólínulega svörun við ljósi. Til að ná nákvæmum lestri skaltu skrá viðnámsgildi við þekkt ljósstig og passa gögnin við log-log feril. Þetta gerir kleift að kortleggja betur á milli viðnáms og lýsingar.
Áhrif hitastigs
Kadmíumsúlfíð (CdS) ljósfrumur sýna neikvæðan hitastuðul, sem þýðir að viðnám þeirra minnkar þegar hitastig hækkar. Þetta rek getur valdið villum í umhverfi með breytilegu hitastigi, þannig að uppbót eða leiðrétting gæti verið þörf.
Sjónræn vörn
Bein glampi eða villandi endurkast geta skekkt lestur. Notkun dreifara eða húsgirðingar tryggir að skynjarinn mæli aðeins umhverfisljós, bætir stöðugleika og endurtekningarhæfni.
Merki síun
Ljósgjafar eins og LED og flúrperur geta valdið flöktandi hávaða. Með því að bæta við meðaltali hugbúnaðar eða einfaldri RC lágrásarsíu (þétti + viðnám) jafnar framleiðslan fyrir hreinni mælingar.
Umsóknir um ljósfrumur
Sjálfvirk götulýsing
Ljósfrumur eru mikið notaðar í ljósakerfum utandyra. Þeir greina minnkun umhverfisljóss í rökkri og kveikja sjálfkrafa á götuljósum og slökkva síðan á þeim í dögun. Þetta dregur úr handvirkum inngripum og sparar orku.
Sólargarður lampar
Í sólarknúnum garðljósum skynja ljósafrumur þegar dimmir. Geymd sólarorka er síðan notuð til að knýja LED, sem tryggir sjálfvirka notkun án rofa.
Skjár og birtustýring skjás
Snjallsímar, sjónvörp og skjáir nota ljósfrumur til að stilla birtustig skjásins. Með því að skynja umhverfisljós hámarka þeir sýnileika á sama tíma og þeir draga úr áreynslu í augum og spara endingu rafhlöðunnar.
Lýsingarkerfi myndavélar
Í myndavélum hjálpa ljóssellur við að mæla ljósstyrk til að stilla sjálfkrafa réttan lýsingartíma. Þetta tryggir rétt upplýstar ljósmyndir við mismunandi birtuskilyrði.
Öryggis- og öryggiskerfi
Ljósfrumur eru innbyggðar í hreyfiskynjara, hurðaraðgangskerfi og þjófaviðvörun. Þeir greina breytingar á birtustigi af völdum hreyfingar eða hindrana, kveikja á viðvörunum eða kveikja á ljósum.
Sjálfvirkni í iðnaði
Verksmiðjur nota ljósfrumur til að greina hluti á færiböndum, umbúðakerfum og talningarforritum. Hröð viðbrögð þeirra hjálpa til við snertiskynjun á efnum.
Orkustjórnun í byggingum
Ljósfrumur eru samþættar í snjallbyggingarkerfi til að stjórna lýsingu innandyra. Ljósin deyfa sjálfkrafa eða slökkva á sér til að bregðast við náttúrulegu dagsbirtu, sem bætir orkunýtingu.
Prófun og kvörðun ljósfrumu
• Settu ljósselluna (LDR) undir stýrðum birtuskilyrðum, svo sem 10, 100 og 1000 lux, með því að nota kvarðaðan ljósgjafa eða lux-mæli.
• Skráðu viðnámsgildin á hverju ljósstigi til að fanga viðbrögð skynjarans.
• Plot viðnám gegn lux á log-log kvarða. Þetta gerir þér kleift að draga út hallann, þekktur sem gamma (γ), sem einkennir hegðun ljósfrumunnar.
• Notaðu innbyggða ferilinn til að búa til umbreytingartöflu eða formúlu sem kortleggur ADC lestur frá örstýringunni þinni beint í lux gildi.
• Prófaðu skynjarann aftur við mismunandi hitastig, þar sem CdS ljósfrumur eru hitanæmar, og beittu leiðréttingum ef rek verður vart
• Geymdu kvörðunargögn í kerfishugbúnaði eða fastbúnaði fyrir áreiðanlegar, endurteknar ljósmælingar.
Niðurstaða
Ljósfrumur eru einfaldir og áreiðanlegir ljósskynjarar sem stilla viðnám út frá birtustigi. Þó að þeir séu hægari en aðrir skynjarar eru þeir áfram hagkvæmir og hagnýtir fyrir algenga notkun eins og götuljós, skjái og orkusparandi kerfi. Með réttri kvörðun og hönnun halda ljósfrumur áfram að veita áreiðanlega frammistöðu bæði í daglegum tækjum og iðnaðarforritum.
Algengar spurningar
Spurning 1. Skemmast ljósfrumur af ryki eða raka?
Já. Ryk og raki geta dregið úr næmi, þannig að útilíkön ættu að vera lokuð eða veðurheld.
Spurning 2. Geta ljósfrumur greint mjög dauft ljós?
Nei. Staðlaðar CdS ljósfrumur eru ekki áreiðanlegar í stjörnubirtu eða mjög lítilli birtu.
Spurning 3. Hvað endast ljósfrumur lengi?
5–10 ár, en útsetning fyrir hita, útfjólubláu ljósi og sólarljósi getur stytt líf þeirra.
Spurning 4. Eru ljósfrumur umhverfistakmarkanir?
Já. Geislasellur sem byggjast á CdS geta verið takmarkaðar af RoHS reglum vegna þess að þær innihalda kadmíum.
13,5 Spurning 5. Geta ljósfrumur mælt ljóslit?
Nei. Þeir greina aðeins birtustig, ekki bylgjulengd.
Spurning 6. Eru ljósfrumur góðar fyrir ljós sem breytist hratt?
Nei. Hæg svörun þeirra (20–100 ms) gerir þá óhentuga fyrir flökt eða púlsljós.