Fotocelica ali svetlobno odvisen upor (LDR) je majhen del, ki spreminja svoj upor glede na svetlobo okoli sebe. V temi je odpornost visoka, pri močni svetlobi pa pade nizko. To preprosto dejanje naredi fotocelice uporabne v napravah, ki morajo samodejno delovati s svetlobo, kot so ulične luči, vrtne svetilke in kontrolniki svetlosti zaslona. V tem članku pojasnjujemo, kako delujejo fotocelice, iz česa so narejene, njihove značilnosti in kje se uporabljajo.
Pregled fotocelic
Fotocelica, imenovana tudi fotorezistor ali svetlobno odvisen upor (LDR), je elektronski del, ki spreminja, koliko se upira pretoku električne energije, odvisno od svetlobe, ki jo zadene. Ko je svetlobe zelo malo, postane njena odpornost zelo visoka, včasih doseže milijone ohmov. Ko je močna svetloba, postane njena odpornost zelo nizka, včasih le nekaj sto ohmov. Ta sprememba upora naredi fotocelice uporabne v vezjih, ki se morajo odzvati na svetlobne ravni brez človeškega nadzora. Delujejo tiho v ozadju in prilagajajo, kako električna energija teče glede na količino svetlobe okoli njih. Zaradi tega se uporabljajo v številnih sistemih, kjer je potreben avtomatski nadzor svetlobe.
Delovanje fotocelice
Ta diagram prikazuje, kako fotocelica (svetlobno odvisen upor ali LDR) deluje po principu fotoprevodnosti. Ko svetlobni fotoni zadenejo površino materiala kadmijevega sulfida (CdS), vzbudijo elektrone iz valenčnega pasu v prevodni pas. Ta proces ustvarja proste elektrone in luknje v materialu.
Osvobojeni elektroni povečajo prevodnost poti CdS med kovinskimi elektrodami. Ko se absorbira več fotonov, se proizvaja več nosilcev naboja, kar zmanjšuje splošno odpornost fotocelice. V temi je na voljo zelo malo elektronov, zato upor ostane visok. Pri močni osvetlitvi upor opazno pade, kar omogoča prehod več toka.
Fotocelični materiali in konstrukcija
Ta slika ponazarja notranjo konstrukcijo in materiale fotocelice. V njegovem jedru se na keramični podlagi nanese tanka plast kadmijevega sulfida (CdS film). Ta plast CdS je svetlobno občutljiv material, katerega odpornost se spreminja z osvetlitvijo.
Kovinske elektrode so vzorčene na vrhu CdS filma za zbiranje in prenos električnih signalov, ki nastanejo, ko svetloba vzbudi material. Te elektrode so skrbno razporejene, da zagotovijo maksimalen stik s plastjo CdS, kar izboljša občutljivost in odzivnost.
Celoten sklop je zaprt v prozornem zaščitnem pokrovu, ki ščiti sestavne dele pred prahom, vlago in mehanskimi poškodbami, hkrati pa še vedno omogoča prehod svetlobe. Ta konstrukcija zagotavlja vzdržljivost, zanesljivost in stabilno delovanje fotocelice v različnih svetlobnih in okoljskih pogojih.
Električne specifikacije
| Parameter | Vrednost |
|---|---|
| Odpornost na temo | ≥ 1 MΩ (v popolni temi) |
| Svetlobna odpornost | 10–20 kΩ @ 10 luks |
| Gama (γ) | 0,6–0,8 |
| Čas vzpona / padca | 20–100 ms |
| Spektralni vrh | 540–560 nm |
| Maksimalna napetost | 90–100 V |
| Največja izguba moči | \~100 mW |
Spektralni odziv fotocelic
• Največja občutljivost: Fotocelice se najmočnejše odzivajo v zeleno-rumenem območju (540–560 nm), ki je tudi področje, kjer je človeški vid najbolj občutljiv.
• Nizka občutljivost na IR in UV: Kažejo minimalen odziv na infrardeče (IR) in ultravijolično (UV) sevanje. To preprečuje lažno aktivacijo zaradi virov toplote, bleščanja sončne svetlobe ali nevidne svetlobe.
• Prednost: Zaradi tega ujemanja oči se fotocelice uporabljajo v merilnikih svetlobe, samodejnih krmilnikih svetlosti, senzorjih svetlobe v okolici in energetsko varčnih sistemih razsvetljave.
Dinamično obnašanje fotocelic
Odzivni čas
Fotocelice reagirajo v več deset milisekundah, kar je prepočasi za zaznavanje hitro spreminjajočih se ali utripajočih virov svetlobe.
Učinek histereze
Upor morda ne bo sledil isti krivulji, ko se intenzivnost svetlobe zmanjša, kot ko se je povečala. To lahko povzroči majhne napake pri merjenju v nadzornih sistemih.
Staranje in degradacija
Dolgotrajna izpostavljenost močni svetlobi, UV sevanju ali zunanjim razmeram lahko trajno spremeni vrednosti upora in sčasoma zmanjša natančnost senzorja.
Primerjava: fotocelica proti fotodiodi proti fototranzistorju
| Funkcija | Fotocelica (LDR) | Fotodioda | Fototranzistor |
|---|---|---|---|
| Stroški | Zelo nizko | Nizko–srednja | Nizko–srednja |
| Hitrost odziva | Počasno (20–100 ms) – ni mogoče zaznati utripanja ali visokofrekvenčne svetlobe | Zelo hitro (nanosekunde do mikrosekunde) – idealno za hitro zaznavanje | Srednja (mikrosekunde do milisekunde) – hitrejša od LDR, vendar počasnejša od fotodiode |
| Linearnost | Slab – nelinearni odziv na jakost svetlobe | Odlično – zelo predvidljiv odziv | Zmerna – boljša od LDR, manj natančna kot fotodioda |
| Spektralna tekma | Ujema se s človeškim očesom (zeleno-rumeni vrh pri 540–560 nm) | Širok spekter; Možnost nastavitve z optičnimi filtri | Občutljiv predvsem na vidno ali infrardečo svetlobo, odvisno od zasnove |
| Ravnanje z močjo | Pasivna naprava, nizka nazivna moč (\~100 mW) | Zelo nizko, zahteva pristranskost | Zmerno, lahko ojači fototok |
| Aplikacije | Senzorji za mrak, igrače, zaznavanje ambientalne svetlobe, vrtne svetilke | Merilniki svetlobe, optične komunikacije, medicinska oprema | Zaznavanje predmetov, IR daljinski senzorji, kodirniki položaja |
Osnovna vezja fotocelic
Delnik napetosti na vhod ADC
Fotocelica in upor tvorita delilnik, ki proizvaja napetost, sorazmerno s svetlobnimi ravnmi. To je idealno za mikrokrmilnike, kot sta Arduino ali ESP32, kjer je signal mogoče prebrati z analogno-digitalnim pretvornikom (ADC) in preslikati na vrednosti luksov ali svetlosti.
Primerjalni prag (stikalo za temno/svetlo)
S priključitvijo fotocelice na primerjalno vezje se izhod preklopi med HIGH in LOW, odvisno od svetlobe. Klasičen primer so avtomatske ulične luči, ki se vklopijo, ko svetloba pade pod določen prag, na primer 20 luksov.
Razdelilnik z delovnim ciklom (način nizke porabe)
V baterijskih sistemih ali sistemih IoT, delilnik se lahko napaja samo med merjenjem. To zmanjšuje porabo energije, hkrati pa še vedno zagotavlja zanesljivo zaznavanje svetlobe, zaradi česar je primeren za oddaljene senzorje ali vozlišča pametne razsvetljave.
Pravila načrtovanja vezij fotocelic
Kalibracija za natančnost
LDR imajo nelinearen odziv na svetlobo. Da bi dosegli natančne odčitke, zabeležite vrednosti upora na znanih ravneh svetlobe in podatke prilagodite logaritmični krivulji. To omogoča natančnejše preslikavo med uporom in osvetlitvijo.
Temperaturni učinki
Fotocelice kadmijevega sulfida (CdS) kažejo negativen temperaturni koeficient, kar pomeni, da se njihova odpornost zmanjšuje z naraščanjem temperature. Ta premik lahko povzroči napake v okoljih s spreminjajočimi se ravnmi toplote, zato bo morda potrebna kompenzacija ali popravek.
Optična zaščita
Neposredno bleščanje ali potepuški odsevi lahko izkrivljajo odčitke. Uporaba difuzorja ali ohišja zagotavlja, da senzor meri samo svetlobo v okolici, kar izboljša stabilnost in ponovljivost.
Filtriranje signalov
Svetlobni viri, kot so LED in fluorescenčne sijalke, lahko povzročijo utripajoč hrup. Dodajanje programskega povprečja ali preprostega RC nizkoprepustnega filtra (kondenzator + upor) zgladi izhod za čistejše meritve.
Aplikacije fotocelic
Avtomatska ulična razsvetljava
Fotocelice se pogosto uporabljajo v sistemih zunanje razsvetljave. Zaznajo padec svetlobe v mraku in samodejno vklopijo ulične luči, nato pa jih ob zori ugasnejo. To zmanjšuje ročno posredovanje in varčuje z energijo.
Sončne vrtne svetilke
V vrtnih lučeh na sončno energijo fotocelice zaznavajo, kdaj postane temno. Shranjena sončna energija se nato uporabi za napajanje LED, kar zagotavlja samodejno delovanje brez stikal.
Nadzor zaslona in svetlosti zaslona
Pametni telefoni, televizorji in monitorji uporabljajo fotocelice za prilagajanje svetlosti zaslona. Z zaznavanjem svetlobe v okolici optimizirajo vidljivost, hkrati pa zmanjšajo obremenitev oči in prihranijo življenjsko dobo baterije.
Sistemi za osvetlitev fotoaparata
V fotoaparatih fotocelice pomagajo meriti intenzivnost svetlobe in samodejno nastavijo pravi čas osvetlitve. To zagotavlja ustrezno osvetljene fotografije v različnih svetlobnih pogojih.
Varnostni sistemi
Fotocelice so vgrajene v senzorje gibanja, sisteme za dostop do vrat in protivlomne alarme. Zaznavajo spremembe v nivoju svetlobe, ki jih povzroča gibanje ali ovira, sprožijo alarme ali sprožijo luči.
Industrijska avtomatizacija
Tovarne uporabljajo fotocelice za zaznavanje predmetov na transportnih trakovih, pakirnih sistemih in aplikacijah za štetje. Njihov hiter odziv pomaga pri brezkontaktnem zaznavanju materialov.
Upravljanje z energijo v stavbah
Fotocelice so integrirane v sisteme pametnih stavb za uravnavanje notranje razsvetljave. Luči se samodejno zatemnijo ali izklopijo kot odziv na naravno dnevno svetlobo, kar izboljša energetsko učinkovitost.
Testiranje in kalibracija fotocelice
• Fotocelico (LDR) postavite v nadzorovane svetlobne pogoje, kot so 10, 100 in 1000 luksov, z uporabo umerjenega svetlobnega vira ali merilnika luksov.
• Zabeležite vrednosti upora na vsaki ravni svetlobe, da zajamete odziv senzorja.
• Narišite odpornost proti luksom na logaritmični lestvici. To vam omogoča, da izvlečete naklon, znan kot gama (γ), ki označuje obnašanje fotocelice.
• Uporabite prilagojeno krivuljo za izdelavo pretvorbene tabele ali formule, ki preslikava odčitke ADC iz vašega mikrokrmilnika neposredno v vrednosti luksov.
• Ponovno preskusite senzor pri različnih temperaturah, saj so fotocelice CdS občutljive na temperaturo, in uporabite popravke, če opazite drsitev.
• Shranite podatke o umerjanju v sistemsko programsko opremo ali vdelano programsko opremo za zanesljive in ponovljive meritve svetlobe.
Zaključek
Fotocelice so preprosti in zanesljivi svetlobni senzorji, ki prilagajajo upor glede na svetlost. Čeprav so počasnejši od drugih senzorjev, ostajajo stroškovno učinkoviti in praktični za skupno uporabo, kot so ulične luči, zasloni in sistemi za varčevanje z energijo. S pravilno kalibracijo in zasnovo fotocelice še naprej zagotavljajo zanesljivo delovanje tako v vsakodnevnih napravah kot v industrijskih aplikacijah.
Pogosto zastavljena vprašanja
Vprašanje 1. Ali se fotocelice poškodujejo zaradi prahu ali vlage?
Da. Prah in vlaga lahko zmanjšata občutljivost, zato morajo biti zunanji modeli zaprti ali odporni na vremenske vplive.
Vprašanje 2. Ali lahko fotocelice zaznajo zelo šibko svetlobo?
Ne. Standardne fotocelice CdS niso zanesljive pri svetlobi zvezd ali zelo šibki svetlobi.
Vprašanje 3. Kako dolgo trajajo fotocelice?
5–10 let, vendar lahko izpostavljenost vročini, UV-žarkom in sončni svetlobi skrajša njihovo življenje.
Vprašanje 4. Ali so fotocelice okoljsko omejene?
Da. Fotocelice na osnovi CdS so lahko omejene s pravili RoHS, ker vsebujejo kadmij.
Vprašanje 5. Ali lahko fotocelice merijo barvo svetlobe?
Ne. Zaznavajo samo svetlost, ne valovne dolžine.
V6. Ali so fotocelice dobre za hitro spreminjajočo se svetlobo?
Ne. Zaradi počasnega odziva (20–100 ms) niso primerni za utripanje ali pulzno svetlobo.