LDR – Light Dependet Resistance
Işığa Duyarlı Dirençler
Direnç değeri aydınlıkta azalan, karanlıkta ise artan elemana foto direnç (LDR) denir.Tam aydınlık bir alanda yani üzerine güneş ışığı düşüyorken direnç değeri 5-10 Ω değerleri arasına kadar düşebilir. Tam karanlık bir ortamda yani üzerine az yada hiç ışık düşmezken direnç değeri 200 MΩ gibi oldukça yüksek direnç değerleri gösterir. Yani foto direnç, üzerine düşen ışık arttıkça direnç değeri lineer olmayan bir şekilde azalır. Bu yüzden ışık şiddetinin artması direnç değerinin düşmesine, ışık şiddetinin azalması ise direnç değerinin artmasına sebep olur.
Bu özelliğinden dolayı ışık şiddeti farkı ile kontrol edilmek istenilen tüm elektronik devrelerde kullanılabilir. Bir diğer bilinmesi gereken önemli bilgi ise foto dirençler AC ve DC akım türlerinde aynı özellikleri gösterirler.
LDR – Foto Direnç , direnci, üzerine düşen ışık yoğunluğu ile doğrusal olarak değişen iki uçlu bir yarı iletken aygıttır ve foto direnç olarak adlandırılır. Aygıtın elektriksel simgesi aşağıda gösterildiği gibidir.
Foto Diyot (LDR) Yapısı ve Çalışma Mantığı
En yaygın kullanılan foto iletken malzemeler, kadmiyum sülfid (CdS) ve kadmiyum selenid (CdSe) içerenlerdir. CdS’ in en yüksek tepkisi 5100Â (510nm), CdSe’ inki de 6150Â (615nm) dalgaboyunda oluşur. Yanıt süresi CdS aygıtlarda 100 ms, CdSe aygıtlarda da 10 ms olarak ölçülür.
LDR – Foto Direnç’de diğer yarı iletken aygıtların tersine hiç bir kavşak (junction) yoktur. Yarı iletken malzeme ince bir katman olarak bir yüzeye, en az yüzey alanında en çok direnci oluşturabilmek için sarmal yada yılankavi biçimde sıvanır. Bu yarı iletken direncin uçlarına terminaller bağlandıktan sonra, yarı iletken malzeme ışık alacak biçimde kılıflanır.
Aygıta düşen ışığın yoğunluğu arttıkça, foton (ışılcık, ışık özü) paketleri ile atomik yapıya ulaşan enerji artacağından giderek daha fazla sayıda elektronun da enerji düzeyleri artacaktır. Bunun sonucu olarak malzeme içindeki serbest elektron sayısı artarak uçlar arası direnç azalır.
Ortalama bir LDR – Foto Dirençin ışık yoğunluğuna bağlı olarak direnç değişimi, aşağıdaki eğride görülmektedir. Değişim eğrisi log-log ölçekle çizilince doğrusal görünür ve geniş bir değişme aralığına (1MQ ile100Q) sahiptir.
Doğrusal nitelikli olmamaları nedeniyle fotoiletken gözler, kıyıcı (chopping) devrelerde çok yaygın olarak kullanıldılar. Şimdi bu amaçla dizey olarak tasarımlanmış LDR – Foto Direnç panelleri, aynı boyut ve hizada dizilmiş IRED paneller ile birlikte kullanılmaktadırlar.
Çok küçük boyutlarda ve ucuza üretilebildikleri için kadmiyum sülfid ve kadmiyum selenid LDR – Foto Direnç, ışık ölçme devrelerinde ve özellikle taşınabilir pozometrelerde çok yaygın kullanılırlar.
Foto iletken gözler dışarıdan bir güç kaynağı gerektiriyor olsalar da, ışıl gerilimsel (foto voltaic) türlere göre 1000 kat daha duyarlı olmaları nedeniyle çoğu uygulamada yeğlenirler.
Pahalı olmadıkları için bir çifti sıcaklık kompanzasyonu amacıyla bir wheatstone köprüsü yapısında kullanılabilirler. Bu tür kullanımda LDRIerden birisi ışıktan tümüyle ekranlanır ve direnç, yalnızca çevre sıcaklığına bağlı olarak değişir.
Kadmiyum fotoiletken gözlerin en önemli sakıncası ise çok güçlü bir aydınlanmaya maruz bırakıldıklarında (doyum), bir “bellek” göstermeleri ve gerçek karanlık direncine saatler sonra dönebilmeleridir. Bu sorun nedeniyle çok yüksek ışık akılarında çalışılmaz ve her bir LDR için bir aydınlanma üst sınırı belirlenir.
Aygıtın oldukça basit ama ilginç bir uygulama devresi de aşağıdaki şekilde görülüyor. Bu devrenin amacı Vi belli bir değer aralığında dalgalansa da V0 değerini sabit tutmaktadır.
Şekilde görüldüğü gibi devre LDR – Foto Direnç , lamba ve potansiyometreden oluşmuştur. Vi, herhangi bir nedenle azaldığında, lambanın parlaklığı da azalacaktır. Aydınlanmanın azalmasıyla LDRnin direnci Rdelta artar ve V0 geriliminin değişmesini önler. Devrenin çalışma ilkesi, gerilim bölücü eşitliğine dayanmaktadır. Çıkış geriliminin değeri aşağıdaki eşitlik ile bulunur.
Aşağıdaki şekilde bir LDR – Foto Dirençin üzerine düşen ışığın dalgaboyu ile duyarlılığı arasındaki ilişki gösterilmiştir.
Işık şiddetine göre LDR’nin direnci birkaç ohm ile birkaç mega ohm arasında değişir. Bir ohm metre ile LDR’nin direnci kolayca ölçülebilir. Şekide bağlantılarda görüldüğü gibi, karanlık ve aydınlık ortamda ölçülen direnç değerleri arasında büyük fark vardır. Direnç değerindeki bu büyük değişim, uygun elektronik devreler ile algılanarak istenen işler yaptırılabilir.
Işığa Bağımlı Direncin (LDR) Özellikleri
1. Direnç ve Işık Yoğunluğu Arasındaki İlişki
- Karanlıkta: Yüksek direnç ( MΩ aralığında ).
- Parlak ışık altında: Düşük direnç ( kΩ veya hatta yüzlerce Ω aralığında ).
- Işık yoğunluğu arttıkça direnç azalır .
2. Spektral Tepki
- LDR’ler görünür ve yakın kızılötesi ışığa duyarlıdır .
- En yüksek hassasiyet, kullanılan malzemeye bağlıdır:
- Kadmiyum Sülfür (CdS): Tepe noktası yaklaşık 500-600 nm (görünür ışık).
- Kurşun Sülfür (PbS): Tepe noktası yaklaşık 1.500-3.000 nm (kızılötesi).
3. Yanıt Süresi
Bir LDR’nin tepki süresi, ışığa maruz kaldığında direncin değişmesi için geçen süredir. LDR’ler genellikle malzeme ve yapıya bağlı olarak milisaniyeden saniyeye kadar değişen yavaş bir tepki süresine sahiptir.
- Yükselme Süresi (Karanlıktan Aydınlığa): Birkaç milisaniyeden birkaç saniyeye kadar.
- Bozunma Süresi (Açıktan Koyuya): Birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar.
4. Sıcaklık Bağımlılığı
LDR’lerin direnci sıcaklıktan da etkilenir. Çoğu LDR’nin negatif sıcaklık katsayısı vardır, yani dirençleri sıcaklık artışıyla azalır. Bu durum ışık ölçümünde küçük hatalara neden olabilir.
5. Dalga Boyuna Duyarlılık
- Bir LDR’nin hassasiyeti, direncinin ışık yoğunluğuyla ne kadar değiştiğinin bir ölçüsüdür.
- Yüksek hassasiyetli LDR’ler, ışık yoğunluğundaki küçük bir değişikliğe karşılık dirençlerinde büyük bir değişim gösterirler.
- Çoğu LDR , insan gözünün en yüksek hassasiyetine yakın olan sarı-yeşil ışığa (~550 nm) daha duyarlıdır .
6. Histerezis Etkisi
- LDR’ler, ışık kesildikten hemen sonra orijinal direnç değerlerine geri dönmezler.
Foto direnç / Işığa Bağımlı Direnç Çeşitleri
Malzeme bileşimlerine göre başlıca fotorezistör türleri şunlardır:
1. İçsel Fotorezistörler
- Silisyum (Si) veya germanyum (Ge) gibi saf yarı iletken malzemelerden üretilmiştir.
- Işık enerjisinin elektronları değerlik bandından iletim bandına uyardığı, içsel fotoelektrik etkiye dayanarak çalışır.
- Genellikle görünür ve yakın kızılötesi ışık da dahil olmak üzere geniş bir dalga boyu aralığına duyarlıdır.
2. Harici Fotorezistörler
- Yarı iletken malzemelerin elektriksel özelliklerini değiştirmek için safsızlıklarla katkılanmasıyla elde edilir.
- Kızılötesi (IR) veya ultraviyole (UV) gibi belirli ışık dalga boylarına duyarlı olacak şekilde tasarlanmıştır .
- Genellikle kızılötesi dedektörler veya UV sensörleri gibi özel uygulamalarda kullanılır.
Foto Diyot (LDR) Işığa Duyarlılığı
Bu elemanların ışığa duyarlılığı ışık gören yüzeylerinin büyüklüğüne ve üzerindeki lensin tipine bağlı olarak değişir. Lens mercek tipi olduğu takdirde duyarlılık artmaktadır. LDR’ler yapısal hassasiyetlerinden dolayı aşırı ısıda çalışamazlar. Aşırı ısı altında (maksimum 60ºC) bozulurlar.
LDR- Foto Direnç Nerelerde Kullanılır ?
Tam aydınlıkta (üzerine güneş ışığı düşüyorken) direnç değeri 5-10 Ω değerine kadar düşerken (nerdeyse tam iletken durumu) tam karanlıkta 200 MΩ gibi yüksek direnç gösterir. Bu özelliği sayesinde ışık değişimi ile kontrol etmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir. Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır.
LDR, ışık ile kontrol gerektiren robot projelerinde ve otomasyon sistemlerinde oldukça kolay bir şekilde kullanılabilecek bir sensör modelidir. Günlük hayatta gerek hobi gerek endüstriyel amaçlı pek çok alanda kullanılabilir. Fakat en sık aydınlatma sektöründe karşımıza çıkmaktadırlar.
Aydınlatmada sistemlerinde, gece ve sokak lambalarında kullanılabilir. Herkesin bileceği en sık uygulama alanı ise sensörlü lamba armatürler sistemleridir. Bir başka ufak örneği ise dış kapı zillerinin de buton aydınlatması devresi içindeLDR vardır.
Fakat kararlılığı ve tepkime süresi gibi sensör faktörleri önemsenen uygulamalarda foto direnç yerine yüksek hassasiyete sahip ve kalibre edilmiş kaliteli sensörler tercih edilir.
LDRnin Avantajları ve Dezavantajları
LDR’ler, kullanım kolaylığı ve düşük maliyeti nedeniyle birçok projede tercih edilir. Ancak, her bileşen gibi LDR’nin de avantajları ve dezavantajları vardır.
Avantajları
- Düşük Maliyet : LDR’lerin üretimi ucuzdur, bu da onları ışık algılama için uygun maliyetli bir çözüm haline getirir.
- Kullanımı Kolay : LDR’ler elektronik devrelere kolayca entegre edilebilir ve karmaşık sürücü devrelerine ihtiyaç duymazlar.
- Yüksek Hassasiyet : LDR’ler ışığa karşı son derece hassastır, bu da onları hassas ışık algılamanın gerekli olduğu uygulamalar için uygun hale getirir.
- Geniş Direnç Aralığı : Geniş direnç değerleri aralığı, LDR’lerin düşük ışıklıdan yüksek ışıklıya kadar çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlar.
- Dayanıklılık : LDR’ler sağlamdır ve zorlu çevre koşullarına dayanabilir, bu da onları dış mekan uygulamaları için uygun hale getirir.
Dezavantajları
- Yavaş Tepki Süresi : LDR’lerin tepki süresi nispeten yavaştır, bu da onları ışık değişikliklerinin hızlı bir şekilde algılanmasını gerektiren uygulamalar için uygunsuz hale getirir.
- Sıcaklık Hassasiyeti : LDR’lerin direnci sıcaklıktan etkilenir ve bu durum, telafi edilmediği takdirde ışık algılamada yanlışlıklara yol açabilir.
- Sınırlı Spektral Tepki : LDR’ler, bazı uygulamalar için gerekli olan tüm spektrumu kapsamayabilecek belirli bir ışık dalga boyu aralığına duyarlıdır.
- Yaşlanma : Zamanla, özellikle uzun süre yüksek ışık seviyelerine maruz kaldıklarında, LDR’lerin performansı yaşlanma nedeniyle düşebilir.
LDR Sensörleri Arasındaki Farklar
LDR sensörleri, 5mm, 10mm ve 20mm çaplarında yaygın olarak üretilir. Bu boyutlar, sensörün fiziksel çapını ifade eder ve performans üzerinde doğrudan etki eder.
Ana Farklar:
- Boyut ve Işık Algılama Alanı: Daha büyük çaplı LDR’ler (örneğin 20mm), daha geniş bir yüzey alanına sahip olduğu için aynı ışık yoğunluğunda daha düşük direnç gösterir. Yani daha fazla ışık toplar ve daha hassas tepki verir.
- Hassasiyet: Küçük olanlar (5mm) düşük-orta ışık seviyelerinde daha iyi performans gösterirken, büyük olanlar (10mm ve 20mm) yüksek ışık yoğunluğunda daha etkili olur.
- Kullanım Alanı:
- 5mm: En yaygın, küçük projeler (Arduino, hobi devreleri), dar alanlar için ideal. Yüksek direnç aralığı, düşük ışıkta daha hassas.
- 10mm: Orta hassasiyet, genel amaçlı kullanım. Daha düşük direnç değerleri için tercih edilir.
- 20mm: Yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalar (endüstriyel, geniş alan ışık algılama). Daha stabil ama daha büyük ve pahalı.
- Direnç Değerleri (Tipik Örnekler, 10 lux ışıkta):
- Yanıt Süresi ve Güç: Boyut büyüdükçe yanıt süresi biraz yavaşlayabilir, ama genel olarak benzer (20-30 ms yükselme).
Karşılaştırma Tablosu (Genel Değerler, Modelden Modele Değişebilir)
| Özellik | 5mm LDR | 10mm LDR | 20mm LDR |
|---|---|---|---|
| Çap | 5 mm | 10 mm | 20 mm |
| Işık Hassasiyeti | Düşük-orta ışıkta iyi | Orta-yüksek ışıkta iyi | Yüksek ışıkta en iyi |
| Aydınlık Direnç (10 lux) | 10-50 kΩ | Daha düşük (5-30 kΩ) | En düşük (2-20 kΩ) |
| Karanlık Direnç | 1-10 MΩ | 2-20 MΩ | 5-50 MΩ |
| Kullanım Önerisi | Kompakt projeler, iç mekan | Genel sensör uygulamaları | Geniş alan, yüksek hassasiyet |
| Fiyat (yaklaşık) | En ucuz | Orta | En pahalı |
Sonuç: Eğer yer kısıtlıysa veya standart bir proje yapıyorsanız 5mm yeterlidir. Daha hassas ve güçlü algılama için 10mm veya 20mm tercih edin. Devrenizde voltage divider kullanıyorsanız, direnç değerlerini kalibre etmeniz gerekebilir. Model (GL55xx serisi) seçerken datasheet’e bakın!
LDR (Işığa Bağımlı Direnç) ile Fotodiyot Sensörleri Arasındaki Farklar
Özellik |
LDR (Foto Direnç) |
Fotodiyot (Photodiode) |
|---|---|---|
| Çalışma Prensibi | Direnç değişimi (ışık arttıkça direnç azalır) | Işık enerjisini akıma dönüştürür (fotovoltaik etki) |
| Yapı | Pasif direnç (CdS gibi yarı iletken malzeme) | PN jonksiyonlu yarı iletken diyot (Si, Ge vb.) |
| Polarite | Yok (bidirectional – her yönde çalışır) | Var (genellikle reverse bias – ters polarma ile kullanılır) |
| Yanıt Hızı | Yavaş (milisaniye-mertebesi, 10-100 ms) | Çok hızlı (nanoseniye-mertebesi, μs-ns) |
| Hassasiyet | Orta (geniş ışık aralığına duyarlı) | Yüksek (küçük ışık değişikliklerini algılar) |
| Doğrusallık | Doğrusal olmayan (logaritmik) | Daha doğrusal |
| Maliyet | Çok ucuz | Daha pahalı |
| Kullanım Alanları | Sokak lambaları, gece lambaları, basit ışık algılama, hobi projeleri (Arduino vb.) | Optik iletişim, IR kumanda alıcıları, güneş panelleri, hassas ölçüm cihazları, hızlı anahtarlama |
| Avantajlar | Basit devre, dayanıklı, geniş alan algılama | Hızlı tepki, yüksek hassasiyet, düşük gürültü |
| Dezavantajlar | Yavaş tepki, sıcaklığa duyarlı | Daha karmaşık devre gerekebilir, yönlü algılama |
Foto Diyot (LDR) Sağlamlık Kontrolü
AVO metreyi ohm kademesine getiririz. Foto direnci avometremize bağladıktan sonra üzerine
bir el feneri veya çakmak gibi aletler yardımıyla ışık tutarız bu durumda direncin azaldığını görürüz.
Daha sonra LDRnin ışığı algılayan kısmını bir cisimle kapattığınızda sonsuz bir direnç değeri okuyorsanız LDR sağlamdır.
