Een fotocel, of lichtafhankelijke weerstand (LDR), is een klein onderdeel dat zijn weerstand verandert afhankelijk van het licht eromheen. In het donker is de weerstand hoog en bij fel licht daalt deze laag. Deze eenvoudige handeling maakt fotocellen bruikbaar in apparaten die automatisch met licht moeten werken, zoals straatverlichting, tuinlampen en helderheidsregelaars van het scherm. In dit artikel leggen we uit hoe fotocellen werken, waar ze van gemaakt zijn, wat hun kenmerken zijn en waar ze worden gebruikt.
Overzicht fotocel
Een fotocel, ook wel fotoweerstand of lichtafhankelijke weerstand (LDR) genoemd, is een elektronisch onderdeel dat de weerstand van de elektriciteitsstroom verandert, afhankelijk van het licht dat erop valt. Als er heel weinig licht is, wordt de weerstand erg hoog, soms tot in miljoenen ohms. Als er fel licht is, wordt de weerstand erg laag, soms slechts een paar honderd ohm. Deze verandering in weerstand maakt fotocellen nuttig in circuits die moeten reageren op lichtniveaus zonder menselijke controle. Ze werken stil op de achtergrond en passen de stroomtoevoer van elektriciteit aan op basis van de hoeveelheid licht om hen heen. Hierdoor worden ze gebruikt in veel systemen waar automatische lichtregeling nodig is.
Werking van een fotocel
Dit diagram laat zien hoe een fotocel (lichtafhankelijke weerstand of LDR) werkt door middel van het principe van fotogeleiding. Wanneer lichtfotonen het oppervlak van het cadmiumsulfide (CdS) -materiaal raken, exciteren ze elektronen uit de valentieband in de geleidingsband. Dit proces genereert vrije elektronen en gaten in het materiaal.
De vrijgekomen elektronen verhogen de geleidbaarheid van het CdS-pad tussen de metalen elektroden. Naarmate er meer fotonen worden geabsorbeerd, worden er meer ladingsdragers geproduceerd, waardoor de algehele weerstand van de fotocel wordt verlaagd. In het donker zijn er maar heel weinig elektronen beschikbaar, waardoor de weerstand hoog blijft. Bij fel licht neemt de weerstand aanzienlijk af, waardoor er meer stroom kan passeren.
Fotocelmaterialen en constructie
Deze afbeelding illustreert de interne constructie en materialen van een fotocel. In de kern wordt een dunne laag cadmiumsulfide (CdS-film) afgezet op een keramisch substraat. Deze CdS-laag is het lichtgevoelige materiaal waarvan de weerstand verandert met de verlichting.
Metalen elektroden zijn voorzien van een patroon bovenop de CdS-film om de elektrische signalen te verzamelen en over te dragen die worden gegenereerd wanneer licht het materiaal opwindt. Deze elektroden zijn zorgvuldig gerangschikt om maximaal contact met de CdS-laag te garanderen, waardoor de gevoeligheid en respons worden verbeterd.
Het hele geheel is omsloten door een transparante beschermkap, die de componenten beschermt tegen stof, vocht en mechanische schade, terwijl er toch licht doorheen kan. Deze constructie zorgt voor de duurzaamheid, betrouwbaarheid en stabiele prestaties van de fotocel in verschillende licht- en omgevingsomstandigheden.
Elektrische specificaties
| Parameter | Waarde |
|---|---|
| Donkere weerstand | ≥ 1 MΩ (in volledige duisternis) |
| Lichte weerstand | 10–20 kΩ @ 10 lux |
| Gamma (γ) | 0,6–0,8 |
| Stijg-/ondergangstijd | 20–100 ms |
| Spectrale piek | 540-560 nm |
| Maximale spanning | 90–100 V |
| Maximale vermogensdissipatie | \~100 mW |
Spectrale respons van fotocellen
• Piekgevoeligheid: Fotocellen reageren het sterkst in het groen-gele bereik (540-560 nm), wat ook het gebied is waar het menselijk zicht het meest gevoelig is.
• Lage gevoeligheid voor IR en UV: Ze vertonen een minimale respons op infrarood (IR) en ultraviolette (UV) straling. Dit voorkomt valse activering door warmtebronnen, verblinding van zonlicht of niet-zichtbaar licht.
• Voordeel: Vanwege deze eye-match worden fotocellen gebruikt in lichtmeters, automatische helderheidsregelingen, omgevingslichtsensoren en energiebesparende verlichtingssystemen.
Dynamisch gedrag van fotocellen
Reactietijd
Fotocellen reageren binnen tientallen milliseconden, wat te traag is om snel veranderende of flikkerende lichtbronnen te detecteren.
Hysterese-effect
Het is mogelijk dat de weerstand niet dezelfde curve volgt wanneer de lichtintensiteit afneemt als wanneer deze toeneemt. Dit kan leiden tot kleine meetfouten in besturingssystemen.
Veroudering en degradatie
Langdurige blootstelling aan sterk licht, UV-straling of buitenomstandigheden kan de weerstandswaarden permanent verschuiven, waardoor de nauwkeurigheid van de sensor in de loop van de tijd afneemt.
Vergelijking: fotocel versus fotodiode versus fototransistor
| Voorzien zijn van | Fotocel (LDR) | Fotodiode | Fototransistor |
|---|---|---|---|
| Kostprijs | Zeer laag | Laag-gemiddeld | Laag-gemiddeld |
| Reactiesnelheid | Langzaam (20-100 ms) – kan geen flikkering of hoogfrequent licht detecteren | Zeer snel (nanoseconden tot microseconden) – ideaal voor detectie op hoge snelheid | Medium (microseconden tot milliseconden) – sneller dan LDR maar langzamer dan fotodiode |
| Lineariteit | Slecht – niet-lineaire reactie op lichtintensiteit | Uitstekend – zeer voorspelbare reactie | Matig – beter dan LDR, minder nauwkeurig dan fotodiode |
| Spectrale Overeenkomst | Komt overeen met het menselijk oog (groen-gele piek op 540-560 nm) | Breed spectrum; Kan worden afgestemd met optische filters | Voornamelijk gevoelig voor zichtbaar of infrarood, afhankelijk van het ontwerp |
| Belastbaarheid | Passief apparaat, laag vermogen (\~100 mW) | Zeer laag, vereist vooringenomenheid | Matig, kan fotostroom versterken |
| Toepassingen | Schemersensoren, speelgoed, detectie van omgevingslicht, tuinlampen | Lichtmeters, optische communicatie, medische apparatuur | Objectdetectie, IR-afstandssensoren, positie-encoders |
Basis fotocelschakelingen
Spanningsdeler naar ADC-ingang
Een fotocel en een weerstand vormen een deler die een spanning produceert die evenredig is met het lichtniveau. Dit is ideaal voor microcontrollers zoals Arduino of ESP32, waarbij het signaal kan worden gelezen door een analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC) en kan worden toegewezen aan lux- of helderheidswaarden.
Comparatordrempel (schakelaar donker/helder)
Door de fotocel aan te sluiten op een comparatorcircuit, schakelt de uitgang tussen HOOG en LAAG, afhankelijk van het licht. Een klassiek voorbeeld zijn automatische straatlantaarns die AAN gaan wanneer het licht onder een ingestelde drempel komt, zoals 20 lux.
Inschakelduur elektrische verdeler (energiebesparende modus)
In batterijgevoede of IoT-systemen kan de verdeler alleen tijdens de meting worden gevoed. Dit vermindert het energieverbruik en zorgt toch voor een betrouwbare lichtdetectie, waardoor het geschikt is voor sensoren op afstand of slimme verlichtingsknooppunten.
Ontwerpregels voor fotocelschakelingen
Kalibratie voor nauwkeurigheid
LDR's hebben een niet-lineaire reactie op licht. Om nauwkeurige metingen te bereiken, registreert u weerstandswaarden bij bekende lichtniveaus en past u de gegevens aan op een log-log-curve. Dit zorgt voor een nauwkeurigere mapping tussen weerstand en verlichting.
Temperatuur effecten
Cadmiumsulfide (CdS) fotocellen vertonen een negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat hun weerstand afneemt naarmate de temperatuur stijgt. Deze drift kan fouten veroorzaken in omgevingen met veranderende warmteniveaus, dus compensatie of correctie kan nodig zijn.
Optische afscherming
Directe schittering of verdwaalde reflecties kunnen de metingen vervormen. Het gebruik van een diffuser of behuizingsbehuizing zorgt ervoor dat de sensor alleen omgevingslicht meet, wat de stabiliteit en herhaalbaarheid verbetert.
Signaal filteren
Lichtbronnen zoals LED's en fluorescentielampen kunnen flikkerruis veroorzaken. Het toevoegen van softwarematige middeling of een eenvoudig RC-laagdoorlaatfilter (condensator + weerstand) versoepelt de uitvoer voor schonere metingen.
Fotocel toepassingen
Automatische straatverlichting
Fotocellen worden veel gebruikt in buitenverlichtingssystemen. Ze detecteren de afname van het omgevingslicht in de schemering en schakelen de straatverlichting automatisch in en vervolgens uit bij zonsopgang. Dit vermindert handmatige interventie en bespaart energie.
Zonne-tuinlampen
In tuinverlichting op zonne-energie voelen fotocellen wanneer het donker wordt. De opgeslagen zonne-energie wordt vervolgens gebruikt om LED's van stroom te voorzien, waardoor een automatische werking zonder schakelaars wordt gegarandeerd.
Regeling van scherm- en schermhelderheid
Smartphones, tv's en beeldschermen gebruiken fotocellen om de helderheid van het scherm aan te passen. Door omgevingslicht te detecteren, optimaliseren ze het zicht, terwijl ze vermoeide ogen verminderen en de batterij sparen.
Belichtingssystemen voor camera's
In camera's helpen fotocellen bij het meten van de lichtintensiteit om automatisch de juiste belichtingstijd in te stellen. Dit zorgt voor goed belichte foto's bij wisselende lichtomstandigheden.
Veiligheids- en beveiligingssystemen
Fotocellen zijn ingebouwd in bewegingssensoren, deurtoegangssystemen en inbraakalarmen. Ze detecteren veranderingen in lichtniveaus veroorzaakt door beweging of obstructie, activeren alarmen of activeren lichten.
Industriële automatisering
Fabrieken gebruiken fotocellen voor objectdetectie op transportbanden, verpakkingssystemen en teltoepassingen. Hun snelle reactie helpt bij contactloze detectie van materialen.
Energiebeheer in gebouwen
Fotocellen worden geïntegreerd in slimme bouwsystemen om de binnenverlichting te regelen. Lichten worden automatisch gedimd of uitgeschakeld als reactie op natuurlijk daglicht, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.
Een fotocel testen en kalibreren
• Plaats de fotocel (LDR) onder gecontroleerde lichtomstandigheden, zoals 10, 100 en 1000 lux, met behulp van een gekalibreerde lichtbron of luxmeter.
• Noteer de weerstandswaarden op elk lichtniveau om de reactie van de sensor vast te leggen.
• Plot de weerstand tegen lux op een log-log schaal. Hiermee kunt u de helling extraheren, bekend als gamma (γ), die het gedrag van de fotocel kenmerkt.
• Gebruik de aangepaste curve om een conversietabel of formule te maken die ADC-metingen van uw microcontroller rechtstreeks toewijst aan lux-waarden.
• Test de sensor opnieuw bij verschillende temperaturen, aangezien CdS-fotocellen temperatuurgevoelig zijn, en pas correcties toe als er drift wordt waargenomen.
• Sla kalibratiegegevens op in uw systeemsoftware of firmware voor betrouwbare, herhaalbare lichtmetingen.
Conclusie
Fotocellen zijn eenvoudige en betrouwbare lichtsensoren die de weerstand aanpassen op basis van de helderheid. Hoewel ze langzamer zijn dan andere sensoren, blijven ze kosteneffectief en praktisch voor veelgebruikte toepassingen zoals straatverlichting, schermen en energiebesparende systemen. Met de juiste kalibratie en het juiste ontwerp blijven fotocellen betrouwbare prestaties leveren in zowel alledaagse apparaten als industriële toepassingen.
Veelgestelde Vragen/FAQ
1e kwartaal. Worden fotocellen beschadigd door stof of vocht?
Ja. Stof en vocht kunnen de gevoeligheid verminderen, dus buitenmodellen moeten afgedicht of weerbestendig zijn.
Vraag 2. Kunnen fotocellen zeer zwak licht detecteren?
Nee. Standaard CdS-fotocellen zijn niet betrouwbaar bij sterlicht of zeer weinig licht.
Vraag 3. Hoe lang gaan fotocellen mee?
5-10 jaar, maar blootstelling aan hitte, UV en zonlicht kunnen hun levensduur verkorten.
4e kwartaal. Zijn fotocellen beperkt in het milieu?
Ja. Op CdS gebaseerde fotocellen kunnen worden beperkt door RoHS-regels omdat ze cadmium bevatten.
Vraag 5. Kunnen fotocellen lichtkleur meten?
Nee. Ze detecteren alleen helderheid, geen golflengte.
Vraag 6. Zijn fotocellen goed voor snel veranderend licht?
Nee. Door hun trage respons (20-100 ms) zijn ze ongeschikt voor flikkerend of gepulseerd licht.