تعریف سلول هادی نور

تعریف سلول هادی نور:
یک سنسور هادی نور یا فتوکنداکتور، الکتریسیته تولید نمی کند، اما وقتی در معرض انرژی نوری قرار گیرد، ویژگی های الکتریکی آن به سادگی تغییر می کند. رایج ترین نوع سلول هادی نور مقاومت نوری یا فتورزیستور است که مقاومت الکتریکی آن در پاسخ به تغییرات شدت نور تغییر می کند.

مقاومت های نوری قطعات نیمه رسانایی هستند که در آن ها انرژی نوری شارش الکترون ها و در نتیجه، جریان گذرنده از آن ها را کنترل می کند. رایج ترین سلول هادی نور مقاومت حساس به نور (Light Dependent Resistor) یا LDR است.

مقاومت حساس به نور:
همان گونه که از نامش پیداست، مقاومت وابسته یا حساس به نور (LDR) از یک قطعه نیمه هادی مانند سولفید کادمیوم ساخته شده که مقاومت الکتریکی آن از چند هزار اهم در تاریکی تا چند صد اهم وقتی نور به آن تابانده شده و زوج حفره-الکترون در ماده تشکیل شود تغییر می کند.

در یک LDR، با افزایش شدت نور، مقاومت کاهش یافته و رسانایی زیاد می شود. همچنین، سلول های مقاومتی نوری به یک پاسخ زمانی طولانی در حد چند ثانیه نیاز دارند تا به تغییر شدت نور پاسخ دهند.

شکل زیر یک مقاومت حساس به نور را نشان می دهد.

ماده هایی که به عنوان نیمه هادی در این قطعات مورد استفاده قرار می گیرند، شامل سولفید سرب (PbS)، سلناید سرب (PbSe)، آنتیموان ایندیوم (InSb) هستند که نور را در محدوره فروسرخ آشکار می کنند. متداول ترین سنسورهای نوری مقاومتی از جنس سولفید کادمیوم (CdSe) هستند.

کادمیوم سلناید در ساختار سلول های هادی نور مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا منحنی پاسخ طیفی آن بسیار منطبق بر چشم انسان است و حتی می توان آن را با یک چراغ قوه ساده (به عنوان منبع نور) کنترل کرد.

مقاومت حساس به نور یک طول موج حساسیت پیک (λp) دارد که در محدوده طیف مرئی 560 تا 600 نانومتر است.

رایج ترین سنسور نوری مقاومتی، سلول هادی نوری سولفید کادمیومORP12 است. این مقاومت وابسته به نور یک پاسخ طیفی در حدود 610 نانومتر از ناحیه زرد تا نارنجی نور دارد. وقتی نوری در کار نباشد (مقاومت تاریکی)، مقاومت سلول بسیار بزرگ و در حدود 10 مگااهم خواهد بود.

در صورت تابش نور کامل، این مقاومت به 100 اهم نیز می رسد (مقاومت روشنایی).

برای افزایش مقاومت روشنایی و در نتیجه، کاهش جریان تاریکی، مسیر مقاومتی یک الگوی زیگزاگ در ماده (زیرلایه) سرامیکی دارد.

فتوسل سولفید کادمیوم یک قطعه بسیار کم هزینه است که اغلب برای آشکارسازی کاهش نور یا تشخیص خودکار هوای نیمه روشن و تنظیم نور خیابان ها به کار می رود.

اتصال یک مقاومت وابسته به نور به صورت سری با یک مقاومت استاندارد و یک ولتاژ DC یک مزیت اساسی دارد و آن این است که برای سطوح نوری مختلف ولتاژهای متفاوتی به دست خواهد آمد (شکل زیر را ببینید).

مقدار افت ولتاژ مقاومت سری R2 با مقدار مقاومتی مقاومت حساس به نور (RLDR) به دست می آید. این قابلیت تولید ولتاژهای مختلف منجر به مداری با نام مقسم پتانسیل (Potential Divider) یا شبکه تقسیم ولتاژ خواهد شد.

همان طور که می دانیم، جریان گذرنده از قطعات یک مدار سری مشترک است و از آنجایی که مقدار LDR با تغییر شدت نور تغییر می کند، ولتاژVOUTرا می توان با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ تعیین کرد.

مقاومت RLDR یک LDR از نور روز تا تاریکی کامل می تواند از 100 اهم تا 10 مگااهم تغییر کند. این تغییر در مقاومت را می توان با تغییر در ولتاژVOUT مشاهده کرد.

یکی از کاربردهای ساده مقاومت های حساس به نور، سوئیچ یا کلید حساس به نور است که در شکل زیر نشان داده شده است.

رله خروجی این مدار سنسور نوری ساده با نور سوئیچ می شود. یک مدار مقسم ولتاژ بین فتورزیستور، LDR و مقاومتR1 تشکیل شده است. وقتی نور نباشد، یعنی در تاریکی، مقاومت LDR بسیار زیاد و در حد چند مگااهم خواهد بود. بنابراین، بایاس بیس صفر به ترانزیستور TR1 اعمال شده و رله بدون انرژی یا قطع می شود.

وقتی سطح نور افزایش پیدا کند، مقاومت LDR شروع به کاهش کرده و سبب افزایش ولتاژ بایاس بیسV1
می شود. اکنون ولتاژ بایاس بیس برای وصل کردن ترانزیستور TR1 و در نتیجه فعال کردن رله و کنترل مدار خارجی کافی است.

وقتی سطح نور کم شود، مقاومت LDR افزایش یافته و سبب می شود ولتاژ بیس ترانزیستور کاهش یابد. در نتیجه ترانزیستور و رله در نقطه ای که با شبکه مقسم ولتاژ تعیین شده است قطع می شوند.

اگر مقاومت ثابت R1 را با پتانسیومتر VR1 جایگزین کنیم، می توانیم نقطه ای را که در آن رله قطع یا وصل می شود برای یک سطح نور مشخص از قبل تنظیم کنیم.

مدار ساده ای که در بالا نشان داده شد، حساسیت کمی دارد و نقطه سوئیچینگ آن با تغییرات دما یا منبع ولتاژ سازگار نیست. یک مدار با دقت حساسیت بالاتر نسبت به نور را می توان با ترکیب LDR در یک پل وتستون و جایگزینی ترانزیستور با تقویت کننده عملیاتی مطابق شکل زیر ساخت.

در مدار حسگر تاریکی ساده بالا، مقاومت حساس به نورLDR1 و پتانسیومترVR1 یک بازوی قابل تنظیم از یک شبکه پل مقاومتی را تشکیل می دهند که معمولاً با نام پل پتستون شناخته می شود. مقاومت هایR1وR2 بازوی دیگر را می سازند.

هر دو سمت پل، شبکه های مقسم ولتاژی را در دو سر منبع ولتاژ تشکیل می دهند که خروجی هایV1وV2 آن ها به ترتیب، به ورودی های ولتاژ معکوس کننده و غیر معکوس کننده تقویت کننده متصل می شوند.

پیکربندی تقویت کننده عملیاتی به صورت یک تقویت کننده تفاضلی است که به عنوان یک مقایسه کننده ولتاژ با فیدبک نیز شناخته می شود و ولتاژ خروجی آن با تفاضل بین دو سیگنال یا ولتاژ ورودی V1 و V2 تعیین می شود.

ترکیب مقاومت های R1 و R2 یک مرجع ولتاژ ثابت در ورودیV2تشکیل می دهد که با نسبت دو مقاومت تعیین می شود. ترکیب LDR و VR1 یک ورودی ولتاژV1 متناسب با سطح نور تولید می کند که با فتورزیستور تعیین می شود.

مشابه مدار قبلی، از خروجی تقویت کننده برای کنترل یک رله استفاده می شود که با دیود هرزگردD1 محافظت شده است.

وقتی سطح نور با LDR حس شود و ولتاژ خروجی آن به کمتر از ولتاژ مرجعV2 شود، خروجی تقویت کننده با فعال کردن رله وضعیت را تغییر داده و بار متصل به آن را سوئیچ می کند.

به طور مشابه، اگر سطح نور افزایش پیدا کند، خروجی رله را به حالت قطع باز خواهد گرداند. هیسترزیس دو نقطه سوئیچینگ با مقاومت فیدبک Rf جهت دستیابی به هر بهره ولتاژ مناسبی از تقویت کننده تنظیم می شود.