شرح المقاومة الضوئية Light Dependent Resistor (LDR)
ما هي المقاومة الضوئية (LDR)؟
تعريف LDR
أو المقاومة الضوئية Photo Resistor،
هي مقاومة كهربائية تتغير قيمتها حسب كمية الضوء الساقط عليها، وتكون العلاقة بين
شدة الضوء الساقط عليها ومقدار مقاومتها علاقة عكسية تماماً. والشكل التالي يوضح
أشكال المقاومة الضوئية أو LDR:
كيف تعمل المقاومة الضوئية (LDR)؟
إن مبدأ عمل المقاومة الضوئية يتمثل في أن العلاقة بين شدة الضوء
الساقط عليها ومقدار مقاومتها علاقة عكسية تماما؛ فعند حجب الضوء الساقط عليها
تدريجيا ترتفع مقاومتها تدريجيا لتصل إلى مئة مليون أوم (مستوى القطع والعزل) أما
عند تعرضها لكمية كبيرة من الضوء الساقط عليها فتقل مقاومتها لتصل تقريباً إلى أقل
من بضع مئاتٍ من الأوم (مستوى التوصيلِ التام)والشكل التالي يوضح العلاقة بين مقدار مقاومة الـLDR وشدة الضوء الساقط عليها:
توصل أطراف أسلاك التوصيل الخارجة من المقاومة مع الجزء الداخلي
المحفوظ في نافذة زجاجية. إذا تجاوز الضوء الساقط على المقاومة الضوئية تردداً معيناً،
فإن الفوتونات التي تمتصها أشباه الموصلات التي يتكون منها الـ LDR
تمنح الإلكترونات المقيدة طاقة كافية للقفز من مدار إلى آخر أي (إلى
نطاق التوصيل). تقوم الإلكترونات الحرة الناتجة (وشركاؤها في الفتحة Gap) بتوصيل الكهرباء، وبالتالي تقليل المقاومة إلى
أدنى مستوى أمكن. يمكن أن يختلف نطاق ومستوى المقاومة وحساسيتها للضوء بفرق واختلاف
كبير بين الأجهزة المختلفة. علاوةً على ذلك، قد تتفاعل مقاومات الضوء الفريدة بطريقة
مختلفة واختلافاً كبيراً مع الفوتونات الساقطة عليها أي بحسب أطوال الأمواج التي
تتعرض اليها تلك المقاومات.
ما رمز المقاومة الضوئية LDR في الدارات الكهربائية؟
هنالك العديد من الرموز الالكترونية التي تشير إلى المقاومة الضوئية LDR، وتتشارك جميعها في وجود سهم أو سهمين
يشيران إلى داخل المقاومة الضوئية، والشكل التالي يوضح أهمها:
ما مكونات وتركيب المقاومة الضوئية LDR؟
يتم وضع طبقة رقيقة من مادة شبه موصلة عالية المقاومة، تكون شديدة الحساسية
للضوء وتغطي مادة عازلة مثل السيراميك والتي تحتمل درجة حرارة عالية. تتكون توصيلاتها
الكهربائية الداخلية المتعرضة للضوء الساقط عليها من طرفين معدنيين على شكل خطين
متعرجين أو مشطين متقابلين كما في الشكل التالي:
تتكون المقاومات الضوئية من طبقة من كبريتيد الكادميوم CdS أو سيلينيد الكادميوم CdSe، حيث تتميز تلك المادتين بحساسيتهما الشديدة
للضوء الساقط عليهما في نفس نطاق الطيف التي تستطيع العين البشرية أو أفلام التصوير
رؤيته وملاحظة وجوده أو غيابه. أما الفرق بين تلك الطبقتين فيكمن في أن أعلى حساسية
لكبريتيد الكادميوم CdS
تكون عند طول الموجة 520 نانومتر. أما بالنسبة إلى سيلينيد الكادميوم
CdSe فتبلغ أعلى
حساسية عنده للضوء الساقط عليه عند طول الموجة 730 نانومتر.
أما في استشعار الأشعة تحت الحمراء IR يتم استخدام مواد مثل كبريتيد الرصاص Lead Sulfide
والذي يرمز له بالرمز PbS، للعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء بين طول الموجة
0.3 – 3.5
مايكرومتر علماً أن كل 1 مايكرومتر = 1 / 1000000 متر، كما يستخدم
أنتيمونيد الإنديوم LDR antimonide (InSb)
في للكشف عن الأطوال الموجية ذات النطاق الموجي الواقع بين 4.45
و 6.5 مايكرومتر.
حماية المقاومة الضوئية في الدارات الكهربائية LDR Protection
يتم توصيل المقاومة الضوئية LDR
على التوالي مع مقاومة أخرى كربونية لحمايته من مرور تيار
كهربائي عالٍ من خلاله والذي قد يؤدي إلى تلفه بالكامل واحتراقه. لذلك فإن ربط
مقاومتين (المقاومة الكربونية والضوئية) يشكلان معا دارة تقسيم الفولت أو الجهد Voltage
Divider
Circuit. والشكل التالي يوضح دور المقاومة الضوئية LDR في دارة تقسيم الجهد عند تبديل موقعها مع
مقاومة الحماية وفي حال وجود مصدر للضوء أو غيابه:
كيف يتم اختيار المقاومة المربوطة مع LDR على التوالي؟
يتم اختيار تلك المقاومة لتحقق شرطين أساسيين وهما:
أولاً: عند وجود مصدر كبير للضوء والذي يؤدي إلى تقليل مقدار المقاومة
الضوئية إلى أدنى مستوياتها، وعليه فإن مقدار المقاومة الأخرى الموصولة على
التوالي مع المقاومة الضوئية، عليها ضمان عدم مرور تيار كهربائي أعلى من المسموح
به في تلك الدارة.
ثانياً: يتم اختيار مقدار مقاومة تلك المقاومة الكربونية لتحقق الهدف المرجو عند
شدة إنارة معينة، لذلك يمكن استبدالها بمقاومة أخرى متغيرة لضبط تفاعل الدارة
الكهربائية عند شدة ضوء معينة.
كيف يتم حساب أقل مقدار للمقاومة التي يجب وصلها مع
المقاومة الضوئية LDR؟
على فرض أن لدينا مقاومة ضوئية LDR مقاومتها ضئيلة في وضع السطوع الشديد. فإذا تم تركيبها في دارة
كهربائية تعمل على فرق جهد بمقدار 12 فولت، وكان مقدار التيار الكهربائي المار
قيمته 10 ميللي أمبير، عليه تكون مقدار تلك المقاومة التي يجب وصلها على التوالي
مع المقاومة الضوئية هي:
R = V /
I
R = 12 /
0.01
R = 1.2
Kilo Ohm
أي يجب وضع وربط مقاومة بمقدار 1.2
كيلو أوم على الأقل مع الـ LDR في
تلك الدارة.
كيف يتم تركيب المقاومة الضوئية في الدارات الكهربائية؟
عادة ما يكون الـ LDR جزء من مكونات دارة تقسيم الجهد Voltage
Divider
Circuit ويتم ربط ترانزستور عند طرف الخرج الفولتي Vout
معها ليعمل كمفتاح للدارة الكهربائية كما سنلاحظه في المشروع
التالي.
مشروع تركيب دارة غياب الضوء Automatic Light Detector
تحتاج في هذه الدارة إلى الأدوات التالية:
1- مقاومة كربونية 330 أوم.
2- مقاومة كربونية 100 كيلو أوم.
3- ترانزستور من نوع BC547.
4- مجس ضوئي (LED).
5- بطارية 9 فولت.
والشكل التالي يوضح تركيب دارة غياب الضوء والمبنية على مبدأ تقسيم
الجهد:
كما ويمكن أن تحدد وتغير نسبة حساسية الدارة Light Circuit Sensitivity للضوء عن طريق تركيب
مقاومة متغيرة كما في الدارة التالية والتي تعمل على فرق جهد أقل من الدارة السابقة
أي 6 فولت.
ما هي وظيفة وتطبيقات المقاومة الكهربائية LDR؟
1- تستعمل المقاومات الضوئية بشكل عام للتشغيل والإطفاء الآلي بحسب حضور
أو غياب الضوء.
2- تدخل في دارات تشغيل مصابيح الشوارع لجعلها تعمل تلقائيا في الظلام. أي
التأكد من أن الضوء يعمل فقط خلال ساعات الظلام.
3- تستخدم لمعايرة شدة إنارة أضواء الكاميرات بنوعيها IR و LED
بحسب توفر الضوء أو عدم توفره في المنطقة التي توضع فيها تلك الكاميرات.
4- أجهزة الإنذار (مثل كاشف شعاع الضوء) حيث
توضع في الخزنات المظلمة أو في المناطق المعتمة والتي يراد حمايتها من السرقات.
5- مصباح ليلي تلقائي مثل الكشافات الحساسة للضوء، حيث يقوم ذلك الكشاف
الحساس للضوء بزيادة أو تقليل نسبة إنارته بحسب استشعار المقاومة الضوئية الموجودة
عليه للضوء الساقط عليها.
6- قد تجد بعضاً من المقاومات الحساسة للضوء في ساعات اليد الذكية والتي
تقلل أو تزيد من شدة انارة وسطوع شاشتها بحسب توفر الضوء التي تستشعره من حولها،
وذلك بهدف تقليل استخدام الطاقة الكهربائية قدر الإمكان.
ما هي مميزات وخصائص المقاومة الضوئية LDR؟
1- بعد إبعاد
مصدر الضوء، تبقى بعض من حاملات الشحنات في الـ LDR حرة الحركة، مما يسبب مرور تيار ضعيف، يطلق
عليه اسم تيار الظلام.
2- يمكن خفض
تيار الظلام وذلك عن طريق خفض درجة حرارة المقاومة الضوئية.
3- تبلغ مقدار المقاومة في حالة الظلام من 1
مليون أوم وحتى 100 مليون أوم.
4- تصل مقدار
المقاومة للمقاومة الضوئية إلى قصى قيمة لها وذلك بعد مرور عدة ثوان في الظلام.
5- تبلغ قيمة
المقاومة الضوئية في حال وجود الضوء عند سطوع بمقدار 1000 لوكس (1000 lm) من 100 أوم إلى 3000 أوم.
6- يبلغ وقت
استجابة المقاومة الضوئية للضوء أي (الوقت الذي يبلغ عنده التيار 65% من قيمته
الاسمية بعد سقوط 1000 لوكس على المقاومة) من 1 مللي ثانية وحتى 3 مللي ثانية
علماً أن كل 1 مللي ثانية = 1/1000 ثانية).
7- يعتمد نطاق الطيف الساقط على المقاومة
الضوئية على نوع تلك المقاومة من حيث التركيب والوظيفة.
ما هي عيوب المقاومة الضوئية LDR؟
1- لا تحتمل المقاومات الضوئية مرور تيار كبير من خلالها.
2- تتأثر بدرجة حرارة الوسط الموجودة فيه، مما يؤدي سلبا على أدائها وحساسية
قراءتها للضوء الساقط عليها.
3- لا يمكن تقليل مقاومة المقاومة الضوئية لتصل إلى الصفر بتاتاً.
4- وأخيراً، تم تقييد استخدام مقاومات الضوء التي يدخل في تركيبها كل من
المركبين CdS و CdSe
بشدة في أوروبا بسبب حظر قوانين الـ RoHS
على الكادميوم.
أسئلة شائعة عن المقاومة الضوئية؟
هل هنالك أسماء أخرى للمقاومة الضوئية؟
نعم، فهنالك تسميات أخرى مثل الموصل الضوئي، المقاومة الحساسة للضوء،
المقاومة المعتمدة على الضوء والموصل الحساس للضوء.
ما الفرق بين المقاومة الضوئية والثنائي الحساس للضوء؟
هنالك فروق عديدة بين المقاومة الضوئية LDR والثنائي الحساس للضوء Photo Diode من حيث التركيب والوظيفة. فقد يتشارك كلاهما
في بعض الخصائص والوظائف، الا أن هنالك العديد من المزايا الخاصة بكلاهما واللذان
لا يتشاركان بها. والرابط التالي فيه شرح مفصل عن الثنائي الباعث للضوء.
هل هنالك قطب موجب وقطب سالب للمقاومة الضوئية؟
لا، وذلك لأن المقاومة الضوئية LDR هي من فصيلة المقاومات، أي أن وظيفتها
الأساسية تكمن في إعاقة مرور التيار الكهربائي. فيمكن اعتبارها مقاومة متغيرة لكن
مع وجود ميزة أن المعايرة (ضبط مقاومتها) يتم عن طريق تحديد كمية الضوء الساقطة
عليها.
كيف يتم قياس مقدار مقاومة المقاومة الضوئية LDR؟
يتم قياس مقدار مقاومة الـ LDR
فقط في حال فصلها التام عن العناصر الأخرى في الدارة الكهربائية وربط طرفيها مع
جهاز قياس المقاومة Ohmmeter
كما في الشكل التالي:
