Quang trở – Phân loại, hoạt động và ứng dụng

Khi đi dạo qua những con phố vào buổi tối, bạn có khi nào chú ý thấy đèn đường tự động hóa bật sáng khi trời khởi đầu tối không ? Việc bật tắt đèn đường tự động hóa này là do sự hiện hữu của một loại linh phụ kiện điện tử trên một mạch điện. Điện trở của linh phụ kiện này nhờ vào vào lượng ánh sáng chiếu vào nó .
Một linh phụ kiện điện tử có đặc tính đặc biệt quan trọng như vậy được gọi là quang trở, và trong bài viết này tất cả chúng ta sẽ bàn luận về 1 số ít góc nhìn của linh phụ kiện này .

Quang trở là gì?

Quang trở ( photoresistor hay photocell ) còn được gọi là điện trở quang là một linh phụ kiện điện tử có điện trở nhờ vào ánh sáng chiếu vào nó. Đây một linh phụ kiện điện tử nhạy cảm với ánh sáng. Khi có ánh sáng chiếu vào nó, thì điện trở sẽ biến hóa. Giá trị điện trở của quang trở giảm khi mức độ ánh sáng tăng lên và ngược lại. Vì nguyên do này, chúng còn được gọi là điện trở phụ thuộc vào vào ánh sáng, viết tắt là LDR ( Light Dependent Resistor ) .

Từ kiến thức cơ bản, chúng ta đã biết về mối quan hệ giữa điện trở suất (khả năng cản trở dòng electron) và độ dẫn điện (khả năng cho phép dòng electron), chúng ta biết rằng cả hai đại lượng này đều là trái ngược của nhau. Do đó, khi chúng ta nói rằng điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng, đồng nghĩa với độ dẫn điện tăng khi cường độ ánh sáng chiếu vào điện trở quang hay LDR tăng. Đặc tính này gọi là độ dẫn quang của vật liệu.

Bạn đang đọc: Quang trở – Phân loại, hoạt động và ứng dụng

Ý tưởng về điện trở quang được tăng trưởng khi hiện tượng kỳ lạ quang dẫn trong Selenium được Willoughby Smith phát hiện vào năm 1873. Nhiều biến thể của linh phụ kiện quang dẫn sau đó đã được tạo ra .

Ký hiệu và cấu tạo của quang trở

Hình bên dưới cho thấy hình dạng thực tiễn và ký hiệu của quang trở được sử dụng trong những mạch điện tử. Ký hiệu cho biết đây là một linh phụ kiện có giá trị điện trở phụ thuộc vào vào ánh sáng chiếu vào nó .

Hình dạng và ký hiệu của quang trở

Một điện trở quang được cấu trúc từ vật tư bán dẫn nhạy cảm với ánh sáng, thường thì là Cadmium Sulphide ( CdS ). Vật liệu này được phủ trên một chất nền cách điện như gốm theo hình zig-zag để có được giá trị điện trở và hiệu suất mong ước .
Phần còn lại là những tiếp xúc ( chân ) sắt kẽm kim loại được kết nối ở hai bên của vùng phía trên. Điện trở của 2 chân sắt kẽm kim loại này phải càng nhỏ càng tốt để bảo vệ rằng điện trở hầu hết đổi khác do công dụng của ánh sáng .
Toàn bộ cấu trúc được đặt trong một vỏ nhựa để hoàn toàn có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và cảm nhận được sự biến hóa của cường độ ánh sáng .
Hình bên dưới minh họa cho thấy cấu trúc của một điện trở nhờ vào vào ánh sáng .

Cấu tạo của quang trở

Trong điều kiện kèm theo thiếu ánh sáng, LDR có điện trở rất cao khoảng chừng vài MΩ. Tuy nhiên, khi có ánh sáng, linh phụ kiện biểu lộ đặc tính điện trở thấp, khoảng chừng vài trăm Ω .

Nguyên lý hoạt động của quang trở

Để hiểu được nguyên tắc hoạt động giải trí của LDR, tất cả chúng ta hãy tìm hiểu và khám phá một chút ít về những electron hóa trị và những electron tự do .
Như tất cả chúng ta đã biết, những electron hóa trị là những electron nằm ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Do đó, chúng link một cách lỏng lẻo với hạt nhân của nguyên tử. Điều này có nghĩa là chỉ cần một lượng nguồn năng lượng nhỏ là đủ để kéo nó ra khỏi quỹ đạo bên ngoài .
Mặt khác, những electron tự do là những electron không link với hạt nhân và do đó chúng hoạt động tự do khi có nguồn năng lượng bên ngoài như điện trường đặt vào. Do đó, khi có nguồn năng lượng làm cho electron hóa trị kéo ra khỏi quỹ đạo ngoài, nó đóng vai trò như một điện tử tự do ; sẵn sàng chuẩn bị hoạt động bất kỳ khi nào có điện trường tính năng. Năng lượng ánh sáng được sử dụng để làm cho một electron hóa trị trở thành một electron tự do .
Nguyên tắc rất cơ bản này được sử dụng trong quang trở. Ánh sáng chiếu xuống vật tư quang dẫn sẽ bị hấp thụ, do đó tạo ra nhiều electron tự do từ những electron hóa trị .
Hình ảnh dưới đây minh họa cho tất cả chúng ta thấy nguyên tắc hoạt động giải trí của quang trở .

Nguyên lý hoạt động của điện trở quang

Khi năng lượng ánh sáng chiếu vào vật liệu quang dẫn tăng, số electron hóa trị nhận năng lượng và tách khỏi liên kết với hạt nhân tăng lên. Điều này dẫn đến một số lượng lớn các electron hóa trị nhảy đến vùng dẫn, sẵn sàng chuyển động tự do khi có tác dụng của bất kỳ ngoại lực nào như điện trường.

Như vậy, khi cường độ ánh sáng tăng thì số electron tự do cũng tăng lên. Điều này có nghĩa là độ dẫn điện của vật tư quang dẫn tăng đồng nghĩa tương quan với việc giảm điện trở suất của vật tư .
Tương tự, bạn hoàn toàn có thể tự lý giải và vấn đáp thắc mắc tại sao điện trở quả LDR tăng khi lượng ánh sáng chiếu vào linh phụ kiện giảm, phải không nào ?

Các loại quang trở

Điện trở quang được phân loại thành hai loại dựa trên vật tư được sử dụng để sản xuất ra chúng :

Quang trở thuần khiết (Intrinsic photoresistor)

Điện trở quang thuần khiết được làm từ những vật tư bán dẫn thuần khiết như Silicon hoặc Germani .
Khi tất cả chúng ta chiếu nguồn năng lượng ánh sáng vào điện trở quang thuần khiết, chỉ 1 số ít nhỏ những electron hóa trị nhận đủ nguồn năng lượng tách khỏi nguyên tử và trở thành electron tự do. Do đó, một số lượng nhỏ hạt mang điện tích được tạo ra. Kết quả là, chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua điện trở quang thuần khiết .
Chúng ta đã biết rằng dòng điện tăng lên có nghĩa là điện trở giảm. Trong những quang trở thuần khiết, điện trở giảm nhẹ khi nguồn năng lượng ánh sáng tăng lên. Do đó, những điện trở quang thuần khiết ít nhạy cảm hơn với ánh sáng. Vì vậy, chúng không đáng an toàn và đáng tin cậy cho những ứng dụng thực tiễn .

Quang trở tạp chất (Extrinsic photoresistor)

Quang trở tạp chất được làm từ vật tư bán dẫn tạp chất .
Trong những quang trở tạp chất, tất cả chúng ta đã có một số lượng lớn những hạt mang điện tích. Do đó, chỉ cần cung ứng một lượng nhỏ nguồn năng lượng ánh sáng sẽ tạo ra một số lượng lớn hạt tải điện. Tức là cường độ dòng điện tăng nhanh .
Dòng điện tăng có nghĩa là điện trở giảm. Do đó, điện trở của quang điện trở tạp chất giảm nhanh khi nguồn năng lượng ánh sáng chiếu vào tăng lên một chút ít. Các điện trở quang tạp chất đáng an toàn và đáng tin cậy cho những ứng dụng thực tiễn .

Một số mạch ứng dụng đơn giản dùng quang trở

Mạch tắt/mở đèn tự động

Mạch tắt mở đèn tự động

Khi có ánh sáng chiếu vào quang điện trở LDR, điện trở của LDR giảm xuống làm cho điện thế ở chân + input ( chân 3 ) của LM358 giảm xuống. trái lại, khi không có ánh sáng hoặc ánh sáng yếu chiếu vào quang trở LDR, điện trở của LDR tăng lên làm cho điện thế ở chân + input ( chân 3 ) của LM358 tăng lên .
Điện thế ở – input ( chân 2 ) và + input ( chân 3 ) của LM358 luôn được so sánh với nhau để xuất ra điện áp ở chân output ( chân 1 ). Khi điện áp ở + intput lớn hơn – input thì điện áp output sẽ ở mức cao làm cho transistor dẫn, relay được kích hoạt, đèn được cấp điện 220VAC và sáng lên. trái lại, điện áp ở output sẽ ở mức thấp làm đèn tắt .
Chúng ta hoàn toàn có thể kiểm soát và điều chỉnh giá trị của biến trở VR để tăng hay giảm điện áp ở chân – input đồng nghĩa tương quan với việc kiểm soát và điều chỉnh độ nhạy của mạch .

Mạch báo động dùng IC 555

Mạch báo động dùng IC 555

Khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở của LDR có giá trị nhỏ và chân kích ( chân 2 ) của IC1 được giữ ở mức cao và đầu ra của IC1 ( chân 3 ) ở mức thấp. Bất cứ khi nào chùm ánh sáng bị ngắt, điện trở của LDR tăng cao. Trong thời gian đó, một xung âm được kích vào chân số 2 và IC1 tạo một xung vuông có độ rộng khoảng chừng 10 giây ở chân 3. Tín hiệu xung vuông ở ngõ ra của IC1 được cấp cho mạch giao động đa hài sử dụng IC2. Mạch sẽ phát ra hín hiệu cảnh báo nhắc nhở qua loa trong khoảng chừng thời hạn từ 10 đến 11 giây .

Ứng dụng của quang trở

Cảm biến quang (LDR) có giá thành thấp, cấu tạo đơn giản và thường được sử dụng làm cảm biến ánh sáng. Các ứng dụng khác của quang trở bao gồm:

  • Phát hiện sự vắng mặt hoặc sự hiện diện của ánh sáng như trong đồng hồ đo ánh sáng của camera
  • Được sử dụng trong thiết kế chiếu sáng đường phố 
  • Đồng hồ báo thức
  • Mạch báo trộm
  • Máy đo cường độ ánh sáng
  • Được sử dụng như một phần của hệ thống SCADA để thực hiện các chức năng như đếm số lượng gói hàng trên băng chuyền chuyển động

Video dưới đây lý giải nguyên tắc hoạt động giải trí của quang trở .

5/5 - (2 votes)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments