الخلية الكهروضوئية ، أو المقاوم المعتمد على الضوء (LDR) ، هي جزء صغير يغير مقاومته اعتمادا على الضوء المحيط به. في الظلام ، تكون المقاومة عالية ، وفي الضوء الساطع ، تنخفض منخفضة. يجعل هذا الإجراء البسيط الخلايا الضوئية مفيدة في الأجهزة التي تحتاج إلى العمل تلقائيا مع الضوء ، مثل مصابيح الشوارع ومصابيح الحدائق وعناصر التحكم في سطوع الشاشة. في هذه المقالة ، نوضح كيفية عمل الخلايا الكهروضوئية ، وما هي مصنوعة منه ، وخصائصها ، وأين يتم استخدامها.
ج 1. نظرة عامة على الخلية الكهروضوئية
ج 2. تشغيل الخلية الكهروضوئية
ج 3. مواد الخلايا الكهروضوئية والبناء
ج 4. المواصفات الكهربائية
ج 5. الاستجابة الطيفية للخلايا الضوئية
ج 6. السلوك الديناميكي للخلايا الضوئية
ج 7. مقارنة: الخلية الكهروضوئية مقابل الصمام الثنائي الضوئي مقابل الترانزستور الضوئي
ج 8. دوائر الخلايا الكهروضوئية الأساسية
ج 9. قواعد تصميم دوائر الخلايا الكهروضوئية
ج 10. تطبيقات الخلايا الكهروضوئية
ج 11. اختبار ومعايرة الخلية الكهروضوئية
ج 12. استنتاج
ج 13. الأسئلة المتكررة
نظرة عامة على الخلية الكهروضوئية
الخلية الكهروضوئية ، وتسمى أيضا المقاوم الضوئي أو المقاوم المعتمد على الضوء (LDR) ، هي جزء إلكتروني يغير مدى مقاومته لتدفق الكهرباء اعتمادا على الضوء الذي يضربها. عندما يكون هناك القليل جدا من الضوء ، تصبح مقاومته عالية جدا ، وتصل أحيانا إلى ملايين الأوم. عندما يكون هناك ضوء ساطع ، تصبح مقاومته منخفضة جدا ، وأحيانا بضع مئات من الأوم فقط. هذا التغيير في المقاومة يجعل الخلايا الضوئية مفيدة في الدوائر التي تحتاج إلى التفاعل مع مستويات الضوء دون سيطرة بشرية. إنهم يعملون بهدوء في الخلفية ، ويعدلون كيفية تدفق الكهرباء بناء على كمية الضوء من حولهم. لهذا السبب ، يتم استخدامها في العديد من الأنظمة التي تتطلب التحكم التلقائي في الضوء.
تشغيل الخلية الكهروضوئية
يوضح هذا الرسم البياني كيف تعمل الخلية الكهروضوئية (المقاوم المعتمد على الضوء ، أو LDR) من خلال مبدأ الموصلية الضوئية. عندما تضرب الفوتونات الضوئية سطح مادة كبريتيد الكادميوم (CdS) ، فإنها تثير الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. تولد هذه العملية إلكترونات وثقوبا حرة داخل المادة.
تزيد الإلكترونات المحررة من موصلية مسار CdS بين الأقطاب الكهربائية المعدنية. مع امتصاص المزيد من الفوتونات ، يتم إنتاج المزيد من ناقلات الشحنة ، مما يقلل من المقاومة الإجمالية للخلية الكهروضوئية. في الظلام ، يتوفر عدد قليل جدا من الإلكترونات ، لذلك تظل المقاومة عالية. تحت الإضاءة الساطعة ، تنخفض المقاومة بشكل ملحوظ ، مما يسمح بمرور المزيد من التيار.
مواد الخلايا الكهروضوئية والبناء
توضح هذه الصورة البناء الداخلي والمواد للخلية الكهروضوئية. في جوهرها ، يتم ترسيب طبقة رقيقة من كبريتيد الكادميوم (فيلم CdS) على ركيزة سيراميك. طبقة CdS هذه هي المادة الحساسة للضوء التي تتغير مقاومتها مع الإضاءة.
يتم تصميم الأقطاب الكهربائية المعدنية أعلى فيلم CdS لجمع ونقل الإشارات الكهربائية المتولدة عندما يثير الضوء المادة. يتم ترتيب هذه الأقطاب الكهربائية بعناية لضمان أقصى قدر من الاتصال بطبقة CdS ، مما يحسن الحساسية والاستجابة.
يتم وضع المجموعة بأكملها في غطاء واقي شفاف يحمي المكونات من الغبار والرطوبة والتلف الميكانيكي مع السماح بمرور الضوء. يضمن هذا البناء المتانة والموثوقية والأداء المستقر للخلية الكهروضوئية في ظروف الإضاءة والبيئة المختلفة.
المواصفات الكهربائية
| معامل | القيمة |
|---|---|
| مقاومة الظلام | ≥ 1 MΩ (في الظلام الدامس) |
| مقاومة الضوء | 10-20 كيلو أوم @ 10 لوكس |
| جاما (γ) | 0.6–0.8 |
| وقت الصعود / السقوط | 20-100 مللي ثانية |
| الذروة الطيفية | 540-560 نانومتر |
| الحد الأقصى للجهد | 90-100 فولت |
| الحد الأقصى لتبديد الطاقة | \~100 ميجاوات |
الاستجابة الطيفية للخلايا الكهروضوئية
• ذروة الحساسية: تستجيب الخلايا الضوئية بشكل أقوى في النطاق الأخضر والأصفر (540-560 نانومتر) ، وهي أيضا المنطقة التي تكون فيها الرؤية البشرية أكثر حساسية.
• حساسية منخفضة للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية: تظهر استجابة ضئيلة للأشعة تحت الحمراء (IR) والأشعة فوق البنفسجية (UV). هذا يمنع التنشيط الخاطئ من مصادر الحرارة أو وهج ضوء الشمس أو الضوء غير المرئي.
• ميزة: بسبب تطابق العين هذا ، يتم استخدام الخلايا الكهروضوئية في عدادات الضوء ، وأدوات التحكم التلقائية في السطوع ، وأجهزة استشعار الإضاءة المحيطة ، وأنظمة الإضاءة الموفرة للطاقة.
السلوك الديناميكي للخلايا الضوئية
وقت الاستجابة
تتفاعل الخلايا الكهروضوئية في غضون عشرات المللي ثانية ، وهو بطيء جدا في اكتشاف مصادر الضوء سريعة التغير أو الوامض.
تأثير التباطؤ
قد لا تتبع المقاومة نفس المنحنى عندما تنخفض شدة الضوء كما فعلت عندما زادت. يمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث أخطاء قياس صغيرة في أنظمة التحكم.
الشيخوخة والتدهور
يمكن أن يؤدي التعرض المطول للضوء القوي أو الأشعة فوق البنفسجية أو الظروف الخارجية إلى تغيير قيم المقاومة بشكل دائم ، مما يقلل من دقة المستشعر بمرور الوقت.
المقارنة: الخلية الكهروضوئية مقابل الصمام الثنائي الضوئي مقابل الترانزستور الضوئي
| ميزة | الخلية الكهروضوئية (LDR) | الصمام الثنائي الضوئي | الترانزستور الضوئي |
|---|---|---|---|
| التكلفة | منخفض جدا | منخفض - متوسط | منخفض - متوسط |
| سرعة الاستجابة | بطيء (20-100 مللي ثانية) - لا يمكن اكتشاف الوميض أو الضوء عالي التردد | سريع جدا (نانو ثانية إلى ميكروثانية) - مثالي للاكتشاف عالي السرعة | متوسط (ميكروثانية إلى مللي ثانية) - أسرع من LDR ولكنه أبطأ من الصمام الثنائي الضوئي |
| الخطية | ضعيف - استجابة غير خطية لشدة الضوء | ممتاز - استجابة يمكن التنبؤ بها بدرجة كبيرة | معتدل - أفضل من LDR ، وأقل دقة من الصمام الثنائي الضوئي |
| المباراة الطيفية | يتطابق مع عين الإنسان (ذروة خضراء صفراء عند 540-560 نانومتر) | طيف واسع؛ يمكن ضبطها باستخدام المرشحات الضوئية | حساسة بشكل رئيسي للمرئية أو الأشعة تحت الحمراء ، حسب التصميم |
| معالجة الطاقة | جهاز سلبي ، تصنيف طاقة منخفض (\~ 100 ميجاوات) | منخفض جدا ، يتطلب التحيز | معتدل ، يمكن تضخيم التيار الضوئي |
| التطبيقات | مستشعرات الغسق والألعاب وكشف الإضاءة المحيطة ومصابيح الحدائق | عدادات الضوء والاتصالات البصرية والمعدات الطبية | اكتشاف الكائنات ، مستشعرات الأشعة تحت الحمراء عن بعد ، مشفرات الموضع |
دوائر الخلية الكهروضوئية الأساسية
مقسم الجهد إلى مدخلات ADC
تشكل الخلية الكهروضوئية والمقاوم فوقا ينتج جهدا يتناسب مع مستويات الضوء. يعد هذا مثاليا للمتحكمات الدقيقة مثل Arduino أو ESP32 ، حيث يمكن قراءة الإشارة بواسطة محول تناظري إلى رقمي (ADC) وتعيينها إلى قيم لوكس أو سطوع.
عتبة المقارنة (مفتاح مظلم / ساطع)
من خلال توصيل الخلية الكهروضوئية بدائرة مقارنة ، ينقلب الإخراج بين HIGH و LOW اعتمادا على الضوء. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك مصابيح الشوارع الأوتوماتيكية التي تضيء عندما ينخفض الضوء إلى ما دون عتبة محددة ، مثل 20 لوكس.
مقسم يعمل بالطاقة في دورة العمل (وضع الطاقة المنخفضة)
في أنظمة التي تعمل بالبطاريات أو إنترنت الأشياء ، لا يمكن تشغيل المقسم إلا أثناء القياس. هذا يقلل من استخدام الطاقة مع الاستمرار في توفير اكتشاف موثوق للضوء ، مما يجعله مناسبا لأجهزة الاستشعار عن بعد أو عقد الإضاءة الذكية.
قواعد تصميم دوائر الخلية الكهروضوئية
المعايرة من أجل الدقة
LDRs لها استجابة غير خطية للضوء. لتحقيق قراءات دقيقة ، سجل قيم المقاومة عند مستويات الضوء المعروفة وقم بملاءمة البيانات مع منحنى سجل السجل. هذا يسمح بتعيين أكثر دقة بين المقاومة والإضاءة.
تأثيرات درجة الحرارة
تظهر الخلايا الكهروضوئية لكبريتيد الكادميوم (CdS) معامل درجة حرارة سلبي ، مما يعني أن مقاومتها تقل مع ارتفاع درجة الحرارة. يمكن أن يتسبب هذا الانجراف في حدوث أخطاء في البيئات ذات مستويات الحرارة المتغيرة ، لذلك قد تكون هناك حاجة إلى التعويض أو التصحيح.
التدريع البصري
يمكن أن يؤدي الوهج المباشر أو الانعكاسات الشاردة إلى تشويه القراءات. يضمن استخدام الناشر أو حاوية السكن أن يقيس المستشعر الإضاءة المحيطة فقط ، مما يحسن الثبات والتكرار.
تصفية الإشارة
قد تؤدي مصادر الضوء مثل مصابيح LED ومصابيح الفلورسنت إلى حدوث ضوضاء وميض. تؤدي إضافة متوسط البرنامج أو مرشح تمرير منخفض RC بسيط (مكثف + مقاوم) إلى تسهيل الإخراج للحصول على قياسات أنظف.
تطبيقات الخلايا الكهروضوئية
إنارة الشوارع الأوتوماتيكية
تستخدم الخلايا الكهروضوئية على نطاق واسع في أنظمة الإضاءة الخارجية. يكتشفون انخفاض الإضاءة المحيطة عند الغسق ويضيئون مصابيح الشوارع تلقائيا ، ثم يطفئونها عند الفجر. هذا يقلل من التدخل اليدوي ويوفر الطاقة.
مصابيح الحديقة الشمسية
في أضواء الحديقة التي تعمل بالطاقة الشمسية ، تشعر الخلايا الكهروضوئية عندما يصبح الظلام. ثم يتم استخدام الطاقة الشمسية المخزنة لتشغيل مصابيح LED ، مما يضمن التشغيل التلقائي بدون مفاتيح.
التحكم في سطوع الشاشة والعرض
تستخدم الهواتف الذكية وأجهزة التلفزيون والشاشات الخلايا الكهروضوئية لضبط سطوع الشاشة. من خلال استشعار الضوء المحيط ، فإنها تعمل على تحسين الرؤية مع تقليل إجهاد العين والحفاظ على عمر البطارية.
أنظمة التعرض للكاميرا
في الكاميرات، تساعد الخلايا الكهروضوئية في قياس شدة الضوء لضبط وقت التعرض المناسب تلقائيا. هذا يضمن إضاءة الصور بشكل صحيح في ظروف الإضاءة المختلفة.
أنظمة السلامة والأمن
الخلايا الكهروضوئية مدمجة في مستشعرات الحركة وأنظمة الوصول إلى الباب وأجهزة إنذار السرقة. يكتشفون التغيرات في مستويات الضوء الناتجة عن الحركة أو الانسداد أو إطلاق الإنذارات أو تنشيط الأضواء.
الأتمتة الصناعية
تستخدم المصانع الخلايا الكهروضوئية للكشف عن الأجسام على أحزمة النقل وأنظمة التعبئة وتطبيقات العد. تساعد استجابتها السريعة في استشعار المواد دون ملامسة.
إدارة الطاقة في المباني
يتم دمج الخلايا الكهروضوئية في أنظمة المباني الذكية لتنظيم الإضاءة الداخلية. تعتيم الأضواء أو تنطفئ تلقائيا استجابة لضوء النهار الطبيعي ، مما يحسن كفاءة الطاقة.
اختبار ومعايرة الخلية الكهروضوئية
• ضع الخلية الكهروضوئية (LDR) تحت ظروف الإضاءة الخاضعة للرقابة ، مثل 10 و 100 و 1000 لوكس ، باستخدام مصدر ضوء معاير أو مقياس لوكس.
• سجل قيم المقاومة عند كل مستوى إضاءة لالتقاط استجابة المستشعر.
• رسم المقاومة ضد لوكس على مقياس لوغاريتم. يتيح لك ذلك استخراج المنحدر ، المعروف باسم جاما (γ) ، والذي يميز سلوك الخلية الكهروضوئية.
• استخدم المنحنى المناسب لإنشاء جدول تحويل أو صيغة تحدد قراءات ADC من المتحكم الدقيق الخاص بك مباشرة إلى قيم لوكس.
• أعد اختبار المستشعر في درجات حرارة مختلفة ، نظرا لأن الخلايا الضوئية CdS حساسة لدرجة الحرارة ، وقم بتطبيق التصحيحات إذا لوحظ الانجراف.
• قم بتخزين بيانات المعايرة في برنامج النظام أو البرامج الثابتة لقياسات إضاءة موثوقة وقابلة للتكرار.
الخاتمة
الخلايا الكهروضوئية هي مستشعرات ضوئية بسيطة ويمكن الاعتماد عليها تضبط المقاومة بناء على السطوع. على الرغم من أنها أبطأ من أجهزة الاستشعار الأخرى ، إلا أنها تظل فعالة من حيث التكلفة وعملية للاستخدامات الشائعة مثل مصابيح الشوارع والشاشات والأنظمة الموفرة للطاقة. من خلال المعايرة والتصميم المناسبين ، تستمر الخلايا الكهروضوئية في توفير أداء موثوق به في كل من الأجهزة اليومية والتطبيقات الصناعية.
الأسئلة المتكررة
س 1. هل تتلف الخلايا الضوئية بسبب الغبار أو الرطوبة؟
نعم. يمكن أن يقلل الغبار والرطوبة من الحساسية ، لذلك يجب أن تكون النماذج الخارجية محكمة الغلق أو مقاومة للعوامل الجوية.
س 2. هل يمكن للخلايا الضوئية اكتشاف الضوء الخافت جدا؟
لا. الخلايا الكهروضوئية القياسية CdS غير موثوقة في ضوء النجوم أو الإضاءة المنخفضة جدا.
س 3. ما هي مدة بقاء الخلايا الضوئية؟
5-10 سنوات ، لكن الحرارة والأشعة فوق البنفسجية والتعرض لأشعة الشمس يمكن أن يقصر من عمرها.
س 4. هل الخلايا الضوئية مقيدة بيئيا؟
نعم. قد تكون الخلايا الكهروضوئية المستندة إلى CdS محدودة بقواعد RoHS لأنها تحتوي على الكادميوم.
س 5. هل يمكن للخلايا الكهروضوئية قياس لون الضوء؟
لا. يكتشفون فقط السطوع وليس الطول الموجي.
س 6. هل الخلايا الكهروضوئية جيدة للضوء سريع التغير؟
لا. استجابتها البطيئة (20-100 مللي ثانية) تجعلها غير مناسبة للوميض أو الضوء النبضي.