ใบงานที่ 3 การแสดงค่าความเข้มของแสงด้วย 7_Segment

          

นางสาวพรรณพิลาศ ศรีสมศักดิ์ 6031280015 1สทค1

 นางสาวรัตนาพร    กลิ่นผล 6031280040     1สทค2

 LDR : (Light Dependent Resistor)         

       

แอลดีอาร์ (LDR : Light Dependent Resistor)  คือ ความต้านทานชนิดที่ไวต่อแสง กล่าวคือ ตัวความต้านทานนี้สามารถเปลี่ยนสภาพทางความนำไฟฟ้า ได้เมื่อมีแสงมาตกกระทบ บางครั้งเรียกว่าโฟโตรีซีสเตอร์ ( Photo  Resistor)   หรือ โฟโตคอนดัคเตอร์   (Photo Conductor)   เป็นตัวต้านทานที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ  

(Semiconductor)   ประเภทแคดเมี่ยมซัลไฟด์ ( Cds : Cadmium Sulfide)   หรือแคดเมี่ยมซิลินายส์ ( CdSe : Cadmium Selenide)   ซึ่งทั้งสองตัวนี้ก็เป็นสารประเภทกึ่งตัวนำ เอามาฉาบลงบนแผ่นเซรามิกที่ใช้เป็นฐานรองแล้วต่อขาจากสารที่ฉาบ ไว้ออกมา

รูปที่ 1 โครงสร้าง LDR

รูปร่างของ LDR ในรูปที่ 1 ส่วนที่ขดเป็นแนวเล็กๆสี ดำทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานไวแสง และ แนวสีดำ นั้นจะแบ่งพื้นที่ของตัวมันออกเป็น 2 ข้าง สีทองนั้น เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ทำหน้าที่สัมผัส กับตัวต้านทานไวแสง เป็นที่สำหรับต่อขาออกมาภายนอก หรือ เรียกว่าอิเล็กโทรด ที่เหลือก็จะเป็นฐานเซรามิก และ อุปกรณ์ สำหรับห่อหุ้มมัน ซึ่งมีได้หลายแบบ

สมบัติทางแสง 

การทำงานของ LDR เพราะว่าเป็นสารกึ่งตัวนำ เวลามีแสงตกกระทบลงไปก็จะถ่ายทอดพลังงาน ให้กับสาร ที่ฉาบอยู่ ทำให้เกิดโฮลกับอิเล็กตรอนวิ่งกันพล่าน. การที่มีโฮล กับอิเล็กตรอนอิสระนี้มากก็เท่ากับ ความต้านทานลดลงนั่นเอง ยิ่ง ความเข้มของแสงที่ตกกระทบมากเท่าไร ความต้านทานก็ยิ่งลดลงมากเท่านั้น

รูปที่ 2 ตัวอย่างกราฟแสดงความไวต่อแสงความถี่ต่าง ๆ ของ LDR ทั้ง 2 แบบ เมื่อเทียบกับความไวของตาคน

ในส่วนที่ว่าแสงตกกระทบนั้น มิใช่ว่าจะเป็นแสงอะไรก็ได้ เฉพาะแสงในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 4,000 อังสตรอม ( 1 อังสตรอม เท่ากับ 10 - 10 เมตร ) ถึงแระมาณ 10,000 อังสตรอมเท่านั้นที่จะใช้ได้ ( สายตาคนจะเห็นได้ ในช่วงประมาณ 4,000 อังสตรอม ถึง 7,000 อังสตรอม ) ซึ่งคิดแล้วก็เป็นช่วงคลื่นเพียงแคบ ๆ

เมื่อเทียบกับการทำงาน ของอุปกรณ์ไวแสง ประเภทอื่น ๆ แต่ถึงอย่างไรแสงในช่วงคลื่นนี้ ก็มีอยู่ในแสงอาทิตย์ แสงจากหลอดไฟแบบไส้ และ แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ ด้วย หรือ ถ้าจะคิดถึงความยาวคลื่น ที่ LDR จะตอบสนองไวที่สุดแล้ว ก็มีอยู่หลาย ความยาวคลื่น โดยทั่วไป LDR ที่ทำจากแคดเมียมซัลไฟด์ จะไวต่อแสงที่มีความยาวคลื่นในช่วง 5,000 กว่า อังสตรอม. ซึ่งเราจะเห็นเป็นสีเขียว ไปจนถึงสีเหลือง สำหรับ บางตัวแล้ว ความ ยาวคลื่นที่ไวที่สุดของมันใกล้เคียงกับความยาวคลื่นที่ไวที่สุดของตาคนมาก ( ตาคนไวต่อความ ยาวคลื่น ประมาณ 5,550 อังสตรอม ) จึงมักจะใช้ทำเป็นเครื่องวัดแสง ในกล้องถ่ายรูป ถ้า LDR ทำจาก แคดเมียมซีลิไนด์ก็จะไวต่อ ความ ยาวคลื่นในช่วง 7,000 กว่า อังสตรอม ซึ่งไปอยู่ใน ช่วงอินฟราเรดแล้ว

ผลตอบสนองทางไฟฟ้า

อัตราส่วนระหว่างความต้านทานของ LDR ในขณะที่ไม่มีแสง กับขณะที่มีแสง อาจจะเป็นได้ตั้งแต่ 100 เท่า 1,000 เท่า หรือ 10,000 เท่า แล้วแต่รุ่น แต่โดยทั่วไปแล้วค่าความต้านทานในขณะที่ไม่มีแสงจะอยู่ในช่วง ประมาณ 0.5 MW ขึ้นไป ในที่มืดสนิทอาจขึ้นไปได้มากกว่า 2 MW และ ในขณะที่มีแสงจะเป็นประมาณ 10 - 20kW ลง ไป อาจจะเหลือเพียงไม่กี่โอห์ม หรือ ไม่ถึงโอห์มก็ได้. ทนแรงดันสูงสุดได้ไม่ต่ำกว่า 100 V และ กำลังสูญเสีย อย่างต่ำประมาณ 50 mW

รูปที่ 3 ผลของการเปลี่ยนความเข้มแสงในทันทีทันใดกับ LDR

นอกเหนือจากลักษณะสมบัติต่างๆ เหล่านี้แล้วยังมีอีกอย่างหนึ่งที่สำคัญ คือ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากความ เข้มแสดง เปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ซึ่งจะดูตัวอย่างได้ในรูปที่ 3 ถ้า LDR ได้รับแสงที่มีความเข้มสูงดังเส้น ( ก ) ความต้านทานจะมีค่า ต่ำ และ ในทันทีที่ความเข้มของแสงถูกลดลงหลือเพียงระดับอ้างอิง ความต้านทานก็จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นไปจนถึงค่าความต้านทาน ที่มันควรจะเป็นในระดับอ้างอิง. แต่แทนที่มันจะไปหยุดอยู่ระดับอ้างอิง มันกลับ เพิ่มเลยขึ้นไปอีกแล้วจึงจะลดลงมาอยู่ในระดับ อ้างอิง เหมือนกับว่า เบรกมันไม่ค่อยดี และ ในทำนองเดียวกันถ้า เก็บมันไว้ในที่ความเข้มแสงน้อยๆ แล้วเปลี่ยนความเข้มเป็นระดับ อ้างอิงทันที ดังในรูป (ข ) ความต้านทานก็จะลด เลยต่ำลงมาจากระดับอ้างอิงแล้วจึงขึ้นไปใหม่ ยิ่งความเข้มของแสงเท่ากัน LDR แบบแคดเมียมซีนิไนด์ จะใช้เวลา ในการเข้าสู่สภาวะที่มันควรจะเป็นน้อยกว่า แบบ แคดเมียมซัลไฟต์ แต่ก็จะวิ่งเลยไปไกลกว่าด้วย และ อีกอย่างหนึ่ง ความเร็วในการเปลี่ยนระดับความต้านทานจากค่าหนึ่งไปอีกค่า

หนึ่งช้ามาก. ซึ่งจะอยู่ในช่วงของมิลลิวินาทีหรือ บาง ทีก็เป็นวินาที เลย จึงทำให้ LDR ใช้ได้ กับงานความถี่ต่ำๆ เท่านั้น

ทำเป็นเครื่องวัดแสง 

ในรูปที่ 4 เป็นวงจรเครื่องวัดแสงแบบง่ายจริงๆ LDR ที่ใช้ก็ควรจะมีอัตราส่วนของค่าความต้านทาน ระหว่างไม่มีแสง กับมีแสงมากๆ หน่อย เวลาใช้ต้องระวังอย่าให้เข็มมิเตอร์ตีเกินสเกล ของแพงมาเสียง่ายๆ อย่าง นี้มันน่าเจ็บใจตัวเอง

รูปที่ 4 เครื่องวัดแสงแบบง่ายที่สุด

อีกวงจรหนึ่งในรูปที่ 5 เป็นวงจรที่ดัดแปลงให้ดีขึ้นแล้วโดยเอาออปแอมป์เบอร์ 741 เข้ามาช่วยทำให้ไวขึ้น มาก จะเอา ดิจิตอลมัลติมิเตอร์มาต่อแทนแบบเข็มก็ได้ แต่ต้องระวังแสงจาก LED จะไปกวนการทำงานของ LDR

รูปที่ 5 วงจรเครื่องวัดแสงที่ปรับปรุงขึ้นแล้ว

สวิตซ์ทำงานด้วยแสง 

การใช้ LDR ทำงานในวงจรปิดเปิดสวิตซ์ เราก็ จะใช้เพียง 2 อย่างเท่านั้น คือ มีแสง หรือ ไม่มีแสง. โดย ทั่วไปเราจะ ใช้วิธีเอามาอนุกรมกับตัวต้านทานตัวหนึ่ง แล้วต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดันออกมาตามรูปที่ 6 อย่างในรูป ( ก ) จะทำงานดังนี้ คือ ถ้ามีแสงสว่าง LDR จะมีความต้านทานต่ำ ทำให้แรงดันส่วนใหญ่มาตกคร่อม R 1

เสียหมด แรงดันเอาต์พุต จึงสูงเกือบเท่า แรงดันไฟเลี้ยง และ ถ้าไม่มี แสง LDR จะมีความต้านทานสูง แรงดันส่วนใหญ่จะ ไปตกที่ LDR แรงดันเอาต์พุต จึงเกือบเป็น 0 โวลต์

รูปที่ 6 หลักการใช้ LDR ในวงจรปิดเปิดสวิตซ์

ในรูปที่ 6 ( ข ) วงจรจะทำงาน ในทางตรงข้าม เพียงแต่สลับที่ระหว่าง LDR กับ R 1 เวลามีแสงสว่าง เอาต์พุตก็จะเกือบ เป็น 0 โวลต์ เวลาไม่มีแสงสว่างเอาต์พุตก็เกือบเท่าแรงดันไฟเลี้ยงจะเห็นได้ว่ากลับกับกรณีแรก

รูปที่ 7 ตัวอย่างวงจรควบคุมสวิตซ์โดยรีเลย์จะทำงานเมื่อไม่มีแสงสว่าง

ทั้ง 2 กรณี จะมีวงจรที่ต่อออกไปสำหรับจับสัญญาณว่ามีแสงสว่างหรือไม่. แล้วนำไปควบคุมสวิตช์ อีกทีให้ ทำงานใน กรณีที่ต้องการ. ในรูปที่ 7 เป็นตัวอย่างวงจรซึ่งรีเลย์จะทำงานเมื่อไม่มีแสงสว่าง ซึ่งถ้าเราไม่ต้องการแบบนี้ และ อยากให้รีเลย์ ทำงาน เมื่อมีแสงสว่างก็เพียงแต่สลับที่ระหว่าง LDR กับความต้านทานปรับค่าได้ 100 kW เท่านั้น

รูปที่ 8 วงจรเตือนภัยเป็นเสียงเมื่อมีแสงสว่างกระทบ LDR

ในรูปที่ 8 ก็เป็น ตัวอย่างวงจรอีกอันหนึ่งทำงานเมื่อมีแสงสว่าง ตัวอย่างอื่นๆ ก็ได้แก่ วงจรจับควันไฟ , วงจรกะพริบ เพื่อความปลอดภัยเมื่อมีรถยนต์แล่นผ่านมา. ซึ่งโดยหลักการแล้วไม่ยาก คงจะนำไปดัดแปลงใช้กันได้

ใช้ LDR ตลอดช่วง

รูปที่ 9 ตัวอย่างวงจรเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณเสียง

นอกจากวงจรเครื่องวัดแสง ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในการประยุกต์ LDR ให้ใช้งานแบบทุกช่วงการเปลี่ยนแปลงแล้ว ยังมีคน ดัดแปลงไปใช้ในวงจรอื่นๆ อีก เช่น วงจรแปลงสัญญาณอะนาลอก เป็นสัญญาณดิจิตอล เพื่อเชื่อมต่อส่วนที่เป็น วงจรอะนาล็อก ให้ส่งสัญญาณผ่านเข้าไปทำงานในวงจรดิจิตอลได้ ดังเช่น รูปที่ 9 เป็นวงจรแปลงระดับความเข้มแสง ซึ่งเป็นสัญญาณ อะนาล็อกให้ออกมาเป็นจำนวนลูกคลื่นสี่เหลี่ยม ยิ่งความเข้มแสงมากเท่าไหร่ จำนวนลูกคลื่น สี่เหลี่ยมก็จะยิ่งออกมามากเท่านั้น วงจรนี้ ใช้ไอซี 555 ความถี่ของคลื่นที่ออกมาจะได้ประมาณ 22kHz ถ้าเอาไป รับแสงใกล้ๆ หลอดไฟขนาด 60 วัตต์ แต่จะ เหลือเพียงประมาณ 1Hz ในที่มืด ถ้าเอาลำโพงอนุกรมกับตัวต้านทาน 220W ไปต่อเข้ากับขา 3 และ ไฟบวกก็จะได้ยินเสียง สูงๆ

ต่ำๆ ตามความเข้มของแสง ลองดูก็ได้คงจะสนุกไม่เลว และ ตัวอย่างอีกอันหนึ่งจะเห็นได้ในรูปที่ 10 เป็นวงจรเปิด - หรี่ - ปิดไฟ ซึ่งจะควบคุมให้หลอดไฟสว่างขึ้นในขณะ ที่แสงสว่างของสภาพแวดล้อมลดลงเป็นตัวอย่างที่ดีเหมือนกัน

รูปที่ 10 วงจรเปิด-หรี่-ปิดไฟ

Cr. http://www.mwit.ac.th/~ponchai/CAI_electronics/image/LDR.HTM

 การแสดงค่าความเข้มของแสงด้วย LED

อุปกรณ์ที่ใช้

  1. โฟโต้บอร์ด 1 บอร์ด

  2. LDR 1 ตัว

  3. บอร์ด Arduino  1 บอร์ด
  4. ตัวต้านทาน 10 k

  5. ตัวต้านทาน 220𝛀 4 ตัว

  6. สายไฟ ผู้ - ผู้  8 เส้น

  7. สายอัปโหลด

  8. ไฟ LED 4 ดวง

รูปวงจร

ดาวน์โหลดรูปวงจร ที่นี่

Code

int LED1 = 2; int LED2 = 3; int LED3 = 4; int LED4 = 5; void setup() { // initialize serial communication: Serial.begin(9600); pinMode (LED1,OUTPUT); pinMode (LED2,OUTPUT); pinMode (LED3,OUTPUT); pinMode (LED4,OUTPUT); } void loop() { // read the sensor: int sensorReading = analogRead(A0); // map the sensor range to a range of four options: int range = map(sensorReading, sensorMin, sensorMax, 0, 3); // do something different depending on the range value: switch (range) { case 0: // your hand is on the sensor Serial.println("dark"); digitalWrite (LED1,HIGH); digitalWrite (LED2,LOW); digitalWrite (LED3,LOW); digitalWrite (LED4,LOW); break; case 1: // your hand is close to the sensor Serial.println("medium"); digitalWrite (LED2,HIGH); digitalWrite (LED3,LOW); digitalWrite (LED1,LOW); digitalWrite (LED4,LOW); break; case 2: // your hand is a few inches from the sensor Serial.println("dim"); digitalWrite (LED3,HIGH); digitalWrite (LED1,LOW); digitalWrite (LED2,LOW); digitalWrite (LED4,LOW); break; case 3: // your hand is nowhere near the sensor Serial.println("bright"); digitalWrite (LED4,HIGH); digitalWrite (LED2,LOW); digitalWrite (LED3,LOW); digitalWrite (LED1,LOW); break; } delay(1); // delay in between reads for stability }

ดาวน์โหลดโค้ด Arduino ที่นี่

คำอธิบายวงจร 

วงจรนี้เป็นวงจรการแสดงค่าความเข้มของแสงด้วย LED โดยที่ถ้าแสงเป็น dark  ไฟดวงที่1ติด ถ้าเป็น medium ไฟดวงที่ 2 จะติดดวงที่1 ดับ ถ้าเป็น dim ไฟดวงที่ 3 ติด ดวงที่ 1และ2 ดับ ถ้าเป็น bright ไฟดวงที่ 4จะติด ดวงที่ 1, 2, 3 ดับ

วิดีโอประกอบ

 การแสดงค่าความเข้มของแสงด้วย 7_Segment

อุปกรณ์ที่ใช้

  1. โฟโต้บอร์ด 1 บอร์ด

  2. LDR 1 ตัว

  3. บอร์ด Arduino  1 บอร์ด
  4. ตัวต้านทาน 10 k

  5. ตัวต้านทาน 220𝛀 1 ตัว

  6. สายไฟ ผู้ - ผู้  11 เส้น

  7. สายอัปโหลด

รูปวงจร

Code

const int sensorMin = 0; const int sensorMax = 600; int LED2=2; int LED3=3; int LED4=4; int LED5=5; int LED6=6; int LED7=7; int LED8=8; int LED9=9; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(LED2,OUTPUT); pinMode(LED3,OUTPUT); pinMode(LED4,OUTPUT); pinMode(LED5,OUTPUT); pinMode(LED6,OUTPUT); pinMode(LED7,OUTPUT); pinMode(LED8,OUTPUT); pinMode(LED9,OUTPUT); } void loop() { int sensorReading = analogRead(A0); int range = map(sensorReading, sensorMin, sensorMax, 0, 3); switch (range) { case 0: Serial.println("dark"); digitalWrite(LED2, LOW); digitalWrite(LED3, LOW); digitalWrite(LED4, LOW); digitalWrite(LED5, LOW); digitalWrite(LED6, LOW); digitalWrite(LED7, LOW); digitalWrite(LED8, LOW); digitalWrite(LED9, HIGH); break; case 1: // your hand is close to the sensor Serial.println("dim"); digitalWrite(LED2, HIGH); digitalWrite(LED3, HIGH); digitalWrite(LED4, LOW); digitalWrite(LED5, LOW); digitalWrite(LED6, LOW); digitalWrite(LED7, HIGH); digitalWrite(LED8, HIGH); digitalWrite(LED9, HIGH); break; case 2: // your hand is a few inches from the sensor Serial.println("medium"); digitalWrite(LED2, LOW); digitalWrite(LED3, LOW); digitalWrite(LED4, HIGH); digitalWrite(LED5, LOW); digitalWrite(LED6, LOW); digitalWrite(LED7, LOW); digitalWrite(LED8, HIGH); digitalWrite(LED9, LOW); break; case 3: // your hand is nowhere near the sensor Serial.println("bright"); digitalWrite(LED2, HIGH); digitalWrite(LED3, LOW); digitalWrite(LED4, LOW); digitalWrite(LED5, LOW); digitalWrite(LED6, LOW); digitalWrite(LED7, LOW); digitalWrite(LED8, HIGH); digitalWrite(LED9, LOW); break; } delay(1); // delay in between reads for stability }

คำอธิบายวงจร 

วงจรนี้เป็นวงจรการแสดงค่าความเข้มของแสงด้วย 7 segment เป็นตัวเลข 0-3 โดยที่ถ้าแสงเป็น dark  จะเป็นเลข 0 ถ้าเป็น medium จะเป็นเลข 1 ถ้าเป็น dim จะเป็นเลข 2 ถ้าเป็น bright จะเป็นเลข 3

วิดีโอประกอบ