Quang điện trở là một loại linh kiện điện tử không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày của con người. Vậy quang điện trở là gì? Cấu tạo, cách đo, nguyên lý, ứng dụng? Mời quý bạn đọc xem bài viết dưới đây.
Mục lục bài viết
1. Cấu tạo quang điện trở:
Quang điện trở là một loại linh kiện điện tử có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Quang điện trở được cấu tạo bởi hai màng kim loại được nối với nhau bằng một chất bán dẫn quang dẫn, thường là cadmi sulfide (CdS) hoặc cadmi selenide (CdSe), có khả năng hấp thụ photon và tạo ra các electron tự do, làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Quang điện trở có ký hiệu là LDR (Light-dependent resistor) và được biểu diễn bằng một hình tròn có hai đường chéo trong đó. Khi ánh sáng chiếu vào quang điện trở, các photon có năng lượng đủ lớn sẽ làm bật electron khỏi phân tử của chất bán dẫn, tạo ra các hạt tự do và làm giảm điện trở của quang điện trở. Ngược lại, khi không có ánh sáng, quang điện trở có điện trở rất cao, có thể lên đến vài MΩ. Quang điện trở được ứng dụng rộng rãi trong các mạch cảm biến ánh sáng, ví dụ như mạch báo động, mạch đèn tự động ban đêm, mạch xác định mức sáng tối của môi trường để kích hoạt đóng cắt đèn chiếu sáng tự động.
2. Cách đo quang điện trở:
Cách đo quang điện trở là một kỹ năng cần thiết cho những người làm việc với các mạch điện tử có sử dụng quang điện trở.
Để đo quang điện trở, bạn cần có một đồng hồ vạn năng (VOM) và một nguồn sáng. Các bước thực hiện như sau:
– Chuyển VOM về chế độ đo điện trở (thang ôm).
– Đặt hai que đo của VOM vào hai chân của quang điện trở.
– Đọc giá trị điện trở hiển thị trên VOM. Giá trị này sẽ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào quang điện trở. Càng nhiều ánh sáng, giá trị điện trở càng giảm và ngược lại.
– Bạn có thể thay đổi cường độ ánh sáng bằng cách dùng tay che, di chuyển nguồn sáng gần hay xa, hoặc thay đổi loại nguồn sáng (đèn huỳnh quang, đèn LED, ánh sáng mặt trời…). Bạn sẽ thấy giá trị điện trở thay đổi theo.
3. Nguyên lý hoạt động của quang điện trở:
Nguyên lý hoạt động của quang điện trở dựa trên hiệu ứng quang điện, tức là khi các phân tử của chất bán dẫn bị chiếu sáng, chúng sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng và nhả ra các điện tử tự do. Các điện tử tự do này sẽ tạo ra dòng điện trong mạch, làm giảm điện trở của quang điện trở. Do đó, cường độ ánh sáng càng cao, điện trở của quang điện trở càng thấp và ngược lại.
4. Ứng dụng của quang điện trở trong thực tế:
Một số ứng dụng phổ biến của quang điện trở là:
– Làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng tự động, ví dụ như đèn năng lượng mặt trời.
– Làm cảm biến âm thanh trong các dàn nhạc có guitar điện, nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh.
– Làm cảm biến ánh sáng trong các thiết bị đo cường độ sáng, thiết bị phim ảnh, thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại .
Quang điện trở có nhiều ứng dụng trong các thiết bị cảm biến ánh sáng, ví dụ như:
– Đèn đường tự động bật tắt theo ánh sáng môi trường.
– Đồng hồ ngoài trời tự điều chỉnh độ sáng của màn hình.
– Máy ảnh tự động chọn khẩu độ và tốc độ chụp theo ánh sáng.
– Báo động chống trộm khi có người cắt dây quang điện trở.
5. Ưu, nhược điểm của quang điện trở:
5.1. Ưu điểm:
Quang điện trở có nhiều ưu điểm như sau:
– Quang điện trở có độ nhạy cao với ánh sáng, có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi của ánh sáng trong môi trường.
– Quang điện trở có giá thành rẻ, dễ sản xuất và lắp đặt, không cần nguồn cấp điện bên ngoài.
– Quang điện trở có độ bền cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm hay tác động cơ học.
– Quang điện trở có thể kết hợp với các mạch điện tử khác để tạo ra các ứng dụng đa dạng như cảm biến ánh sáng, báo động, điều khiển tự động, hiển thị số, âm thanh và hình ảnh.
5.2. Nhược điểm:
Quang điện trở có nhiều ứng dụng trong các thiết bị cảm biến ánh sáng, điều khiển độ sáng, báo động chống trộm, v.v. Tuy nhiên, quang điện trở cũng có một số nhược điểm mà người dùng cần lưu ý:
– Quang điện trở có thời gian đáp ứng chậm, tức là khi ánh sáng thay đổi, quang điện trở cần một khoảng thời gian để thích ứng với cường độ ánh sáng mới. Thời gian đáp ứng của quang điện trở thường từ vài mili giây đến vài giây, tùy thuộc vào loại quang điện trở và môi trường hoạt động.
– Quang điện trở có độ nhạy không cao, tức là khi ánh sáng thay đổi nhỏ, quang điện trở không phản ứng mạnh mẽ. Độ nhạy của quang điện trở thường được đo bằng hệ số gamma, là tỷ lệ giữa thay đổi logarit của cường độ ánh sáng và thay đổi logarit của điện trở. Hệ số gamma của quang điện trở thường từ 0.5 đến 0.8, trong khi các cảm biến ánh sáng khác như photodiode hay phototransistor có hệ số gamma gần bằng 1.
– Quang điện trở có đặc tính không tuyến tính, tức là khi ánh sáng thay đổi nhiều, quang điện trở không thay đổi theo một quy luật cố định. Đặc tính không tuyến tính của quang điện trở làm cho việc xử lý tín hiệu và hiệu chuẩn khó khăn hơn. Ngoài ra, quang điện trở còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và tuổi thọ của linh kiện.
6. Công thức tính quang điện trở:
Để tính quang điện trở, ta có thể dùng công thức sau:
**R = U / I**
Trong đó:
– R là quang điện trở, đơn vị là ohm (Ω)
– U là hiệu điện thế giữa hai đầu quang điện trở, đơn vị là volt (V)
– I là cường độ dòng điện chạy qua quang điện trở, đơn vị là ampe (A)
Công thức này dựa trên định luật Ôm cho mạch điện kín.
Tuy nhiên, quang điện trở không phải là một linh kiện tuyến tính, nghĩa là giá trị của nó không phải luôn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và tỉ lệ nghịch với cường độ dòng điện. Quang điện trở còn phụ thuộc vào bước
Do đó, để tính chính xác quang điện trở, ta cần biết thêm các thông số như:
– Điện trở suất của quang điện trở (ρ), đơn vị là ohm-mét (Ω.m)
– Chiều dài của quang điện trở (l), đơn vị là mét (m)
– Tiết diện của quang điện trở (S), đơn vị là mét vuông (m²)
Với các thông số này, ta có thể dùng công thức sau:
**R = ρ * l / S**
Công thức này cho ta biết quang điện trở tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện của quang điện trở.
7. Các dạng bài tập quang điện trở và lời giải:
Các dạng bài tập quang điện trở thường liên quan đến công thức kháng điện của quang điện trở: R = R0 / I, trong đó R là kháng điện của quang điện trở, R0 là hệ số quang điện trở, I là cường độ ánh sáng chiếu vào. Một số ví dụ về bài tập quang điện trở:
– Bài 1: Một quang điện trở có hệ số quang điện trở R0 = 100 kΩ.lx. Khi chiếu vào nó một ánh sáng có cường độ I = 10 lx thì kháng điện của nó là bao nhiêu?
– Lời giải: Áp dụng công thức kháng điện của quang điện trở, ta có:
R = R0 / I = 100 / 10 = 10 kΩ.
– Bài 2: Một mạch điện gồm một nguồn điện có hiệu điện thế U = 12 V, một quang điện trở có hệ số quang điện trở R0 = 50 kΩ.lx và một đèn LED có kháng điện rL = 1 kΩ. Khi chiếu vào quang điện trở một ánh sáng có cường độ I = 20 lx thì dòng điện qua đèn LED là bao nhiêu?
– Lời giải: Áp dụng công thức kháng điện của quang điện trở, ta có:
R = R0 / I = 50 / 20 = 2.5 kΩ.
Mạch điện tương đương với một mạch nối tiếp gồm nguồn điện, quang điện trở và đèn LED. Áp dụng công thức dòng điện trong mạch nối tiếp, ta có:
I = U / (R + rL) = 12 / (2.5 + 1) = 3 A.
– Bài 3: Cho một mạch điện gồm hai quang điện trở R1 và R2 được nối song song với nhau và với một nguồn điện có điện thế U. Biết rằng khi chiếu sáng lên hai quang điện trở, độ nhạy của chúng là khác nhau, tức là cường độ ánh sáng càng lớn thì điện trở của chúng càng giảm theo một công thức nào đó. Hãy xác định dòng điện chạy qua mỗi quang điện trở và tổng dòng điện trong mạch.
– Lời giải:
Gọi I1, I2 là dòng điện chạy qua R1, R2 và I là tổng dòng điện trong mạch. Theo định luật Ohm, ta có:
I1 = U / R1
I2 = U / R2
I = I1 + I2 = U / R1 + U / R2
Do đó, để xác định được các dòng điện này, ta cần biết được giá trị của hai quang điện trở R1, R2 khi chiếu sáng lên chúng. Giả sử rằng khi không có ánh sáng, giá trị của hai quang điện trở là R10 và R20, và khi có ánh sáng, giá trị của chúng giảm theo công thức:
R1 = R10 / (1 + k1 * I)
R2 = R20 / (1 + k2 * I)
Trong đó k1, k2 là hai hằng số dương phụ thuộc vào đặc tính của từng quang điện trở và I là cường độ ánh sáng chiếu vào. Từ các công thức trên, ta có thể suy ra được các dòng điện I1, I2 và I theo các biến số U, R10, R20, k1, k2 và I. Tuy nhiên, để giải bài toán này một cách đơn giản hơn, ta có thể sử dụng một phương pháp khác.
Phương pháp này dựa trên việc tìm ra một quang điện trở ảo R sao cho khi nối song song với nó và nguồn điện U, ta thu được cùng một dòng điện I như khi nối song song hai quang điện trở R1 và R2. Nếu tìm được R thì ta có thể tính được I bằng công thức:
I = U / R
Sau đó, ta có thể tính được I1 và I2 bằng các công thức đã cho ở trên. Vậy làm thế nào để tìm được R? Ta có thể áp dụng một quy tắc đơn giản sau:
Nếu hai quang điện trở có cùng độ nhạy k (tức là k1 = k2 = k), thì quang điện trở ảo R có giá trị bằng tích của hai quang điện trở ban đầu chia cho tổng của chúng:
R = (R10 * R20) / (R10 + R20)
Nếu hai quang điện trở có độ nhạy khác nhau (tức là k1 khác k2), thì quang điện trở ảo R có giá trị bằng:
R = [(R10 + R20) / (k1 – k2)] * ln[(k1 * R10 + k2 * R20) / (k2 * R10 + k1 * R20)]
Trong đó ln là hàm lôgarit tự nhiên. Công thức này có thể được chứng minh bằng cách giải hệ phương trình liên quan đến I, I1, I2, R1, R2 và R.
Vậy là ta đã có được cách giải bài toán này một cách khá đơn giản. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp này chỉ áp dụng được khi điều kiện sau đây được thỏa mãn:
k1 * R10 + k2 * R20 khác 0
k2 * R10 + k1 * R20 khác 0
k1 khác k2 hoặc R10 khác R20
Nếu không thì ta phải sử dụng các công thức khác để tính được các dòng điện I1, I2 và I.
