تشغيل وإيقاف معظم مصابيح الشوارع أو الأضواء الخارجية المنزلية يدويًا أمر مضيع للوقت ولا يمكننا الاعتماد عليه في كل الظروف. ويمكننا استخدام دائرة حساس الضوء لإيقاف تشغيل الأحمال تلقائيًا بناءً على شدة ضوء النهار من خلال استخدام مستشعر (Sensor) ضوئي مثل المقاومة الضوئية. كما يمكن استخدامها في تطبيقات واسعة أخرى ستعرفها في هذا المقال.
ما هي المقاومة الضوئية؟
المقاومة الضوئية (بالإنجليزية: (Light Dependent Resistor LDR) وتعني المقاومة المعتمدة على الضوء، كما يوحي اسمها فهي مقاومة حساسة للضوء، تعتمد قيمتها على الضوء الساقط عليها، تقل قيمة المقاومة مع زيادة شدة الضوء، وتزداد قيمتها مع انخفاضه. أي انها تتناسب عكسيًا مع شدة الضوء. وتسمى أيضًا (photoresistor).
تُصنع المقاومة الضوئية LDR من مواد شبه موصلة وحساسة للضوء مثل كبريتيدات الكادميوم (CdS) وتكون بشكل متعرج كما في الصورة وذلك لزيادة قيمة المقاومة وتقليل التيار عند الظلام، ويتم توصيل اثنين من الملامسات المعدنية على طرفي الشريط المتعرج، تمثل اطراف المقاومة والتي يتم ربطها مع الدوائر الكهربائية.
ويتم وضع طلاء شفاف على الجزء العلوي لها لحماية المادة الحساسة للضوء، ويكون الطلاء شفافًا لتتمكن المقاومة من امتصاص الضوء من البيئة المحيطة بسهولة.
رمز المقاومة الضوئية
هناك العديد من الرموز المختلفة المستخدمة مع المقاومة الضوئية، ومن أكثر الرموز المستخدمة هي خط متعرج كالمنشار او مستطيل في وسط دائرة، مع وجود سهم أو سهمين تشير إلى سقوط الضوء عليها.
مبدأ عمل المقاومة الضوئية
تعمل المقاومة الضوئية وفقًا لمبدأ الموصلية الضوئية (photo conductivity) عندما يسقط الضوء على المادة الموصلة فإنها تمتص الطاقة الضوئية وتعمل على إثارة الإلكترونات الموجودة في المدار الأخير (نطاق التكافؤ) للمادة الموصلة،
ومن ثم تعمل الإلكترونات الحرة على التوصيل وبالتالي تزيد الموصلية حسب الزيادة في شدة الضوء. ويجب أن تكون طاقة الضوء الساقط أكبر من طاقة الـ (band gap) بحيث تكون الإلكترونات في نطاق التكافؤ مثارة وتعمل على التوصيل.
خصائص المقاومة الضوئية
تعتمد هذه المقاومة على الضوء، تقل قيمتها عند سقوط الضوء عليها وتزداد في الظلام، وعندما تكون في مكان مظلم تصبح مقاومتها عالية جدًا ويمكن أن تصل إلى عدة ميقا اوم
وعند تعرضها للضوء تنخفض قيمتها بشكل كبير. وفي حالة تطبيق جهد ثابت عليها وزادت شدة الضوء، يبدأ التيار في الارتفاع.
يوضح الشكل أدناه العلاقة بين قيمة المقاومة وشدة الإضاءة.
وتعتبر المقاومة الضوئية جهاز غير خطي. حيث تختلف استجابتها باختلاف الطول الموجي للضوء الساقط عليها. تختلف منحنيات الاستجابة للضوء بناءً على نوع المادة المصنوعة منها المقاومة، قد لا تستجيب بعض المقاومات الضوئية لفئة معينة من الأطوال الموجية.
ومن المفاهيم المهمة المرتبطة بالمقاومة الضوئية هو الزمن الذي تستغرقه المقاومة للاستجابة لأي تغيرات. ويكون هذا الزمن مهمًا بشكل خاص عند الحاجة لتصميم دائرة تتطلب استجابة بوقت قصير.
عند تغير شدة الإضاءة تستغرق المقاومة مدة من الزمن قبل أن تصل إلى قيمتها النهائية للمستوى الجديد من الضوء. ولهذا السبب لا تعد مقاومة LDR خيارًا جيدًا في التطبيقات التي يحدث فيها تغيرات للضوء بشكل سريع، في التطبيقات التي يحدث تغير للضوء خلال فترة من الزمن تكون المقاومة LDR مناسبة وتفي بالغرض.
يسمى المعدل الذي تتغير عنده المقاومة بمعدل استرداد المقاومة (resistance recovery rate). تستجيب مقاومة LDR في مدة تصل 8 – 12 مللي ثانية عند سقوط الضوء عليها بعد الظلام التام ، بينما تستغرق ثانية واحدة أو أكثر حتى تعود المقاومة مرة أخرى إلى قيمتها الأولية بعد إزالة الضوء.
أنواع المقاومة الضوئية
تنقسم المقاومة الضوئية LDR إلى نوعين:
- المقاومات الضوئية الجوهرية (Intrinsic photoresistors): تُصنع هذه المقاومات من مواد شبه موصلة نقية، غير مطعمة (un-doped) مثل السيليكون أو الجرمانيوم. عندما تسقط عليها فوتونات ذات طاقة كافية تعمل على إثارة الإلكترونات وتتحرك من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. وكلما زاد الضوء الساقط عليها، تتحرر المزيد من الإلكترونات ويزداد مستوى التوصيل، وهذا يؤدي إلى انخفاض قيمة المقاومة.
- المقاومات الضوئية غير الجوهرية (Extrinsic photoresistors): تصنع هذه المقاومات من أشباه موصلات مطعمة (doped) بالشوائب (impurities). هذه الشوائب تشكل نطاقات طاقة جديد فوق نطاق التكافؤ المحتوي على الإلكترونات. نتيجة لذلك، تحتاج هذه الإلكترونات إلى طاقة أقل لتنتقل إلى نطاق التوصيل. تُستخدم المقاومات الضوئية الغير جوهرية للأطوال الموجية الطويلة (long wavelengths).
مزايا المقاومة الضوئية
- لها حساسية عالية.
- بسيطة التركيب وصغيرة الحجم.
- سهولة في استخدامها.
- رخيصة وغير مكلف.
- نسبة مقاومة الـ (light-dark)عالية.
- توصيلها بسيط.
عيوب المقاومة الضوئية
- استقرار درجة الحرارة منخفض بالنسبة لأفضل المواد.
- تستجيب المواد المستقرة، ببطء شديد.
- استخدامها محدود في الحالات التي يتغير فيها شدة الضوء بسرعة.
- استجابتها للتغير في الضوء غير سريعة.
- تتأثر بتغير درجة الحرارة المحيطة بها.
تطبيقات المقاومة الضوئية
تتميز المقاومة الضوئية (LDR) بانخفاض تكلفتها وبتركيبها البسيط وغالبًا ما تستخدم كحساسات ضوئية. تشمل التطبيقات الأخرى للمقاومات الضوئية ما يلي:
- تستشعر حالات غياب أو وجود الضوء كما في الكاميرات.
- تستخدم في تصميم إنارة الشوارع.
- تستخدم في الاضاءات التي تعمل من الغروب حتى شروق الشمس كالإضاءات الخارجية للمنازل أو المحلات التجارية لتشغيل الإضاءة عند حلول الظلام وإيقافها في النهار اتوماتيكي.
- تستخدم في ساعات التنبيه.
- دوائر الإنذار من السرقة.
- أجهزة قياس شدة الضوء.
مصادر
