Khi đi dạo qua các con phố vào buổi tối, bạn có bao giờ để ý thấy đèn đường tự động bật sáng khi trời bắt đầu tối không? Việc bật tắt đèn đường tự động này là do sự hiện diện của một loại linh kiện điện tử trên một mạch điện. Điện trở của linh kiện này phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào nó.
Một linh kiện điện tử có đặc tính đặc biệt như vậy được gọi là quang trở, và trong bài viết này chúng ta sẽ thảo luận về một số khía cạnh của linh kiện này.
Quang trở là gì?
Quang trở (photoresistor hay photocell) còn được gọi là điện trở quang là một linh kiện điện tử có điện trở phụ thuộc ánh sáng chiếu vào nó. Đây một linh kiện điện tử nhạy cảm với ánh sáng. Khi có ánh sáng chiếu vào nó, thì điện trở sẽ thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở giảm khi mức độ ánh sáng tăng lên và ngược lại. Vì lý do này, chúng còn được gọi là điện trở phụ thuộc 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.
Ý tưởng về điện trở quang được phát triển khi hiện tượng quang dẫn trong Selenium được Willoughby Smith phát hiện vào năm 1873. Nhiều biến thể của linh 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 tế và ký hiệu của quang trở được sử dụng trong các mạch điện tử. Ký hiệu cho biết đây là một linh kiện có giá trị điện trở phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào nó.
Một điện trở quang được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn nhạy cảm với ánh sáng, thông thường 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 công suất mong muốn.
Phần còn lại là các tiếp xúc (chân) kim loại được gắn kết ở hai bên của vùng phía trên. Điện trở của 2 chân kim loại này phải càng nhỏ càng tốt để đảm bảo rằng điện trở chủ yếu thay đổi do tác dụng của ánh sáng.
Toàn bộ cấu trúc được đặt trong một vỏ nhựa để có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Hình bên dưới minh họa cho thấy cấu tạo của một điện trở phụ thuộc vào ánh sáng.
Trong điều kiện thiếu ánh sáng, LDR có điện trở rất cao khoảng vài MΩ. Tuy nhiên, khi có ánh sáng, linh kiện thể hiện đặc tính điện trở thấp, khoảng vài trăm Ω.
Nguyên lý hoạt động của quang trở
Để hiểu được nguyên lý hoạt động của LDR, chúng ta hãy tìm hiểu một chút về các electron hóa trị và các electron tự do.
Như chúng ta đã biết, các electron hóa trị là những electron nằm ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Do đó, chúng liên kết một cách lỏng lẻo với hạt nhân của nguyên tử. Điều này có nghĩa là chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ là đủ để kéo nó ra khỏi quỹ đạo bên ngoài.
Mặt khác, các electron tự do là những electron không liên kết với hạt nhân và do đó chúng chuyển động tự do khi có năng lượng bên ngoài như điện trường đặt vào. Do đó, khi có 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 chuyển động bất cứ khi nào có điện trường tác dụng. 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 liệu quang dẫn sẽ bị hấp thụ, do đó tạo ra nhiều electron tự do từ các electron hóa trị.
Hình ảnh dưới đây minh họa cho chúng ta thấy nguyên lý hoạt động của quang trở.
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 liệu quang dẫn tăng đồng nghĩa với việc giảm điện trở suất của vật liệu.
Tương tự, bạn có thể tự giải thích và trả lời câu hỏi tại sao điện trở quả LDR tăng khi lượng ánh sáng chiếu vào linh kiện giảm, phải không nào?
Các loại quang trở
Điện trở quang được phân loại thành hai loại dựa trên vật liệu được sử dụng để chế tạo ra chúng:
Quang trở thuần khiết (Intrinsic photoresistor)
Điện trở quang thuần khiết được làm từ các vật liệu bán dẫn thuần khiết như Silicon hoặc Germani.
Khi chúng ta chiếu năng lượng ánh sáng vào điện trở quang thuần khiết, chỉ một số nhỏ các electron hóa trị nhận đủ 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 các quang trở thuần khiết, điện trở giảm nhẹ khi năng lượng ánh sáng tăng lên. Do đó, các điện trở quang thuần khiết ít nhạy cảm hơn với ánh sáng. Vì vậy, chúng không đáng tin cậy cho các ứng dụng thực tế.
Quang trở tạp chất (Extrinsic photoresistor)
Quang trở tạp chất được làm từ vật liệu bán dẫn tạp chất.
Trong các quang trở tạp chất, chúng ta đã có một số lượng lớn các hạt mang điện tích. Do đó, chỉ cần cung cấp một lượng nhỏ 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 năng lượng ánh sáng chiếu vào tăng lên một chút. Các điện trở quang tạp chất đáng tin cậy cho các ứng dụng thực tế.
Một số mạch ứng dụng đơn giản dùng quang trở
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. Ngược 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. Ngược lại, điện áp ở output sẽ ở mức thấp làm đèn tắt.
Chúng ta có thể điều chỉnh giá trị của biến trở VR để tăng hay giảm điện áp ở chân -input đồng nghĩa với việc điều chỉnh độ nhạy của mạch.
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 điểm đó, một xung âm được kích vào chân số 2 và IC1 tạo một xung vuông có độ rộng khoảng 10 giây ở chân 3. Tín hiệu xung vuông ở ngõ ra của IC1 được cấp cho mạch dao động đa hài sử dụng IC2. Mạch sẽ phát ra hín hiệu cảnh báo qua loa trong khoảng thời gian 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 giải thích nguyên lý hoạt động của quang trở.
https://youtu.be/u9Riurh4y9U
