مقاومت وابسته به نور (LDR)؛ از تابش تا کاهش مقاومت
ساختار داخلی و مواد سازندهٔ LDR
قلب یک مقاومت نوری از یک مادهٔ نیمهرسانا تشکیل شده است. رایجترین ماده در ساخت LDRهای سنتی، سولفید کادمیوم (CdS) است. این ماده روی سطح یک بستر سرامیکی به صورت یک لایهٔ نازک مارپیچی (برای افزایش طول و در نتیجه مقاومت) رسوب داده میشود. دو کنتاکت فلزی در دو سر این لایه قرار میگیرند و کل مجموعه درون یک محفظهٔ شفاف یا پوششی از رزین اپوکسی قرار میگیرد تا نور بتواند به سطح نیمهرسانا بتابد.
مکانیسم عملکرد وقتی فوتونهای نور به سطح مادهٔ نیمهرسانا برخورد میکنند، انرژی خود را به الکترونهای لایهٔ ظرفیت منتقل میکنند. اگر انرژی فوتون به اندازه کافی بزرگ باشد (که در نور مرئی چنین است)، الکترونها از پیوند خود رها شده و به نوار هدایت میپرند. در نتیجه تعداد حاملهای بار (الکترونهای آزاد) در ماده افزایش یافته و مقاومت الکتریکی آن کاهش مییابد.
برای مثال، یک LDR معمولی در تاریکی مطلق ممکن است مقاومتی در حدود 1 MΩ (یک مگااهم) داشته باشد. اگر یک چراغ قوهٔ معمولی را مستقیماً به سمت آن بگیرید، مقاومت آن میتواند به کمتر از 100 Ω (صد اهم) کاهش یابد. این تغییر چشمگیر، اساس کاربردهای متنوع آن است.
مشخصهٔ نور-مقاومت و رفتار غیرخطی
رابطهٔ بین مقاومت (R) و شدت نور (Ev) در یک LDR خطی نیست، بلکه یک رابطهٔ نمایی معکوس است. این رابطه معمولاً با فرمول زیر نشان داده میشود:
در این فرمول، R مقاومت، Ev شدت روشنایی، A یک ثابت وابسته به ماده و γ (گاما) توان طیفی3 است که مقداری بین 0.5 تا 1 دارد.
به این رفتار غیرخطی «نگاه کنید»: اگر شدت نور دو برابر شود، مقاومت به یکدوم کاهش نمییابد، بلکه کاهش آن بسیار کمتر یا بیشتر از این مقدار است. به همین دلیل، در مدارهایی که نیاز به اندازهگیری دقیق نور دارند، نمیتوان مستقیماً از LDR استفاده کرد و باید خروجی آن توسط ریزپردازندهها کالیبره و خطیسازی شود. اما در کاربردهای کلیدزنی مانند تشخیص روز از شب، همین رفتار غیرخطی کاملاً مناسب است.
کاربرد عملی: ساخت یک مدار حساس به نور
یکی از سادهترین و رایجترین کاربردهای LDR، در مدارهای روشنایی خودکار (مدار گرگ و میش4) است. فرض کنید میخواهیم یک لامپ کوچک در هنگام تاریکی هوا به طور خودکار روشن شود.
مثال عینی: یک مدار ساده شامل یک LDR، یک مقاومت معمولی (10 kΩ)، یک ترانزیستور (مثل BC547) و یک LED است. LDR و مقاومت ثابت یک تقسیمکنندهٔ ولتاژ میسازند. در روز که نور زیاد است، مقاومت LDR کم بوده و ولتاژ دو سر مقاومت ثابت کم است، بنابراین ترانزیستور خاموش میماند و LED روشن نیست. با تاریک شدن هوا، مقاومت LDR افزایش یافته، ولتاژ دو سر مقاومت ثابت زیاد شده و ترانزیستور را وارد مدار کرده و LED روشن میشود. این مدار ساده نشان میدهد که چگونه یک تغییر فیزیکی (شدت نور) به یک تغییر الکتریکی (روشن شدن لامپ) تبدیل میشود.
از این LDRها در دوربینهای عکاسی برای تشخیص نور کافی، در شبکهای راهنما برای تشخیص شب و روز و در پروژههای رباتیک برای دنبال کردن خطوط تیره و روشن استفاده میشود.
مقایسهٔ LDR با سایر حسگرهای نوری
LDRها تنها گزینه برای حسگرهای نوری نیستند. در جدول زیر، آنها را با دو نوع رایج دیگر مقایسه کردهایم:
| ویژگی | LDR (مقاومت نوری) | فوتودیود5 | فوتوترانزیستور6 |
|---|---|---|---|
| سرعت پاسخدهی | کند (چند دهم ثانیه) | بسیار سریع (نانوثانیه) | سریع (میکروثانیه) |
| حساسیت | بسیار بالا در نور کم | پایین (نیاز به تقویت کننده) | متوسط |
| طیف نوری | نزدیک به چشم انسان (CdS) | مادون قرمز تا فرابنفش | معمولاً مادون قرمز |
| قیمت | ارزان | متوسط | متوسط |
چالشهای مفهومی و عملی در استفاده از LDR
❓ چرا LDR در تشخیص نورهای چشمکزن (مثل تلویزیون) عملکرد ضعیفی دارد؟
به دلیل اینرسی گرمایی و ساختار بلوری مادهٔ نیمهرسانای به کار رفته در LDR، زمان بازیابی (recovery time) آن طولانی است. پس از قطع نور، الکترونها زمان میبرند تا دوباره با حفرهها ترکیب شوند و مقاومت به مقدار اولیه بازگردد. این زمان میتواند تا چند دهم ثانیه باشد. بنابراین اگر نوری با فرکانس بالا (مثل 50 Hz یا بیشتر) به آن بتابد، LDR قادر به تشخیص روشن و خاموش شدنهای متوالی نبوده و یک مقدار متوسط را نشان میدهد.
❓ چگونه میتوان از خطای ناشی از نور محیط در مدار LDR جلوگیری کرد؟
برای این منظور میتوان از مدولاسیون نور استفاده کرد. یعنی نور منبع (مثلاً یک LED) را با فرکانس مشخصی چشمک زد. سپس در سمت گیرنده (LDR) یک فیلتر الکترونیکی قرار داد تا فقط سیگنالهایی با همان فرکانس را عبور دهد. نورهای محیطی مانند خورشید یا لامپهای معمولی که فرکانس ثابت یا فرکانس دیگری دارند، توسط این فیلتر حذف شده و تداخلی ایجاد نمیکنند. این روش در رباتیک و ارتباطات نوری کاربرد فراوانی دارد.
❓ آیا LDR به تمام رنگهای نور یکسان واکنش نشان میدهد؟
خیر. LDRهای ساخته شده از سولفید کادمیوم (CdS) بیشترین حساسیت را به طول موجهای نزدیک به نور سبز-زرد (حدود 550 nm تا 600 nm) دارند. این محدوده تقریباً با منحنی حساسیت چشم انسان مطابقت دارد. اما نسبت به نور قرمز دور یا مادون قرمز حساسیت بسیار کمی دارند. برای کار در طول موجهای خاص باید از مواد نیمهرسانای دیگر یا حسگرهای جایگزین استفاده کرد.
پاورقی
1 مقاومت وابسته به نور (Light Dependent Resistor - LDR): قطعهای نیمهرسانا که مقاومت الکتریکی آن با افزایش شدت نور کاهش مییابد.
2 سولفید کادمیوم (Cadmium Sulfide - CdS): مادهٔ نیمهرسانای اصلی در ساخت LDRهای سنتی که حساسیت آن در محدودهٔ نور مرئی بالاست.
3 توان طیفی (Spectral Exponent - γ): پارامتری در معادلهٔ LDR که نشاندهندهٔ میزان وابستگی مقاومت به طول موج نور است.
4 مدار گرگ و میش (Twilight Switch): مداری الکترونیکی که با تشخیص کاهش نور محیط (غروب)، یک مصرفکننده مانند لامپ را روشن میکند.
5 فوتودیود (Photodiode): یک دیود نیمهرسانا که در اثر تابش نور، جریان نشتی (تاریکی) آن افزایش یافته و برای آشکارسازی نورهای سریع به کار میرود.
6 فوتوترانزیستور (Phototransistor): ترانزیستوری که نور به جای جریان بیس، آن را تحریک کرده و حساسیت و سرعت بیشتری نسبت به LDR دارد.
7 فوتوهدایت (Photoconductivity): پدیدهای فیزیکی که در آن رسانایی الکتریکی یک ماده در اثر جذب تابش الکترومغناطیسی (نور) افزایش مییابد.
