Quang trở là gì? Đặc điểm Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Điện trở quang, hay còn được gọi là quang trở,quang điện trở, photocell, hay LDR (Light Dependent Resistor) là một linh kiện điện tử được chế tạo từ chất đặc biệt có đặc tính điện trở thay đổi tùy theo mức độ chiếu sáng vào. Đây là một loại điện trở phi tuyến, không tuân theo định luật Ohm. Để hiểu thêm về linh kiện điện tử này, hãy cùng Điện Tử Số khám phá thêm về nó.

Quang trở là gì?

Quang trở là một thiết bị điện tử còn được gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell là một trong những linh kiện được sản xuất bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào. 

Điện trở quang là một loại điện trở được tạo thành từ các sợi quang dẫn ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào sợi quang, các tia sáng sẽ được truyền qua sợi quang theo một hướng nhất định. Điều này tạo ra một điện trở vì các tia sáng phải vượt qua một môi trường có trở kháng quang cố định. Điện trở quang được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến ánh sáng và đo đạc mức độ ánh sáng.

Xem thêm: IC 555 là gì? Thông số, sơ đồ, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cấu tạo của quang trở

Quang trở là một linh kiện điện tử được sử dụng để cảm nhận và điều khiển cường độ ánh sáng. Nó được thiết kế gồm hai màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực, tạo ra diện tích tiếp xúc tối đa để cảm nhận sự thay đổi của ánh sáng.

Bên trong quang trở, thành phần chính để tạo nên tính năng quang dẫn của quang điện trở chính là Cadmium Sulphide (CdS). Khi không có ánh sáng chiếu vào, CdS thường không chứa hoặc chỉ có rất ít các hạt electron. Tuy nhiên, khi có ánh sáng chiếu vào, CdS sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng và giải phóng các electron, tạo ra sự khác biệt trong cường độ dòng điện giữa hai màng kim loại, và từ đó giúp cảm nhận được sự thay đổi của ánh sáng.

Để bảo vệ và giúp tiếp xúc được với ánh sáng, quang trở thường được đặt trong một hộp nhựa. Với tính năng cảm biến ánh sáng, quang trở được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển đèn chiếu sáng, cảm biến ánh sáng tự động trong máy ảnh hoặc các thiết bị điện tử khác.

Nguyên lý hoạt động của quang trở

Quang trở được tạo thành từ chất bán dẫn có trở kháng rất cao và không có tiếp giáp nào. Trong điều kiện không ánh sáng, quang trở có điện trở lên vài MΩ. Tuy nhiên, khi ánh sáng chiếu vào, giá trị điện trở có thể giảm xuống chỉ còn vài trăm Ω.

Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, các electron sẽ được kích thích bật ra khỏi phân tử và trở thành electron tự do trong vật chất, từ đó chất bán dẫn sẽ chuyển từ trở kháng thành dẫn điện. Độ dẫn điện của quang trở phụ thuộc vào số lượng photon được hấp thụ.

Khi ánh sáng chiếu vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện của quang trở sẽ tăng lên. Tuy nhiên, phản ứng của các quang trở với các loại sóng photon khác nhau phụ thuộc vào chất bán dẫn sử dụng.

Quang trở có ưu nhược điểm gì?

Quang trở vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng điện tử như đèn cảm biến ánh sáng, đèn giao thông tự động, đo đạc mức độ chiếu sáng, và nhiều ứng dụng khác nhau. Quang trở là một linh kiện điện tử có ưu điểm và nhược điểm như sau: 

Ưu điểm:

1. Đáp ứng nhanh: Quang trở có thể phản ứng nhanh với thay đổi mức độ chiếu sáng, giúp điều khiển thiết bị điện tử một cách chính xác và đáp ứng nhanh chóng với các điều kiện thay đổi của ánh sáng.

2. Độ nhạy cao: Quang trở có độ nhạy cao với mức độ chiếu sáng, cho phép phát hiện các biến động nhỏ trong môi trường ánh sáng.

3. Kích thước nhỏ gọn: Quang trở thường có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các mạch điện tử hoặc các thiết bị có hạn chế về không gian.

Nhược điểm:

1. Độ chính xác hạn chế: Quang trở có độ chính xác không cao bằng các linh kiện điện tử khác, có thể gây sai số trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
2. Đáp ứng khác biệt giữa các loại quang trở: Không phải tất cả các loại quang trở đáp ứng giống nhau, điều này có thể gây khó khăn trong việc lựa chọn linh kiện phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.
3. Độ bền hạn chế: Quang trở có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, gây giảm độ bền của linh kiện.

Đo và kiểm tra quang trở bằng đồng hồ vạn năng

Để đo và kiểm tra quang trở bằng đồng hồ vạn năng, bạn có thể làm theo các bước sau:

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị

• Chuẩn bị một đồng hồ vạn năng (multimeter) có tính năng đo điện trở và đo điện áp.
• Kiểm tra xem đồng hồ vạn năng có đúng dải đo điện trở phù hợp với quang trở bạn đang kiểm tra.

Bước 2: Chuẩn bị quang trở

• Kiểm tra quang trở để đảm bảo không có dấu hiệu hỏng hóc hoặc bị hư hỏng trước khi đo.
• Nếu quang trở đang được sử dụng trong một mạch điện tử, hãy ngắt kết nối với nguồn điện trước khi tiến hành đo.

Bước 3: Đo điện trở của quang trở

• Kết nối các đầu đo của đồng hồ vạn năng vào hai đầu của quang trở.
• Đặt đồng hồ vạn năng vào chế độ đo điện trở (Ohm).
• Đọc giá trị điện trở trên màn hình đồng hồ vạn năng. Giá trị này sẽ cho biết điện trở của quang trở tại điều kiện đo hiện tại. Giá trị điện trở sẽ thay đổi tùy thuộc vào mức độ chiếu sáng vào quang trở.

Bước 4: Đo điện áp trên quang trở (tùy chọn)

• Nếu muốn đo điện áp trên quang trở, bạn có thể kết nối các đầu đo của đồng hồ vạn năng vào hai đầu của quang trở, nhưng đặt đồng hồ vạn năng vào chế độ đo điện áp (Volt).
• Đọc giá trị điện áp trên màn hình đồng hồ vạn năng. Giá trị này sẽ cho biết điện áp đang có trên quang trở tại điều kiện đo hiện tại.

Khi đo và kiểm tra quang trở, cần chú ý đến giới hạn dải đo của đồng hồ vạn năng để tránh làm hỏng linh kiện hoặc đồng hồ vạn năng. Nên thực hiện đo trong điều kiện an toàn và đúng theo hướng dẫn của nhà sản xuất hoặc kỹ thuật viên chuyên nghiệp.

Ứng dụng của quang điện trở

Quang điện trở (quang trở, LDR) là một linh kiện điện tử có ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của quang điện trở:

1. Điều khiển ánh sáng: Quang điện trở được sử dụng để điều khiển hoạt động của các thiết bị dựa trên mức ánh sáng, chẳng hạn như trong các bộ đèn tự động, đèn đường tự động, đèn chiếu sáng trong nhà, hay đèn chiếu sáng công cộng. Khi mức ánh sáng thay đổi, quang điện trở sẽ thay đổi điện trở của nó, từ đó điều khiển hoạt động của các thiết bị điện tử liên quan.

2. Cảm biến ánh sáng: Quang điện trở được sử dụng làm cảm biến ánh sáng để đo và phản hồi lại mức độ chiếu sáng trong các ứng dụng như đo độ sáng trong môi trường, điều khiển độ sáng màn hình, đo lượng ánh sáng trong camera, đo độ sáng trong các thiết bị đo lường và điều khiển tự động.

3. Bảo vệ mắt: Quang điện trở được sử dụng trong các thiết bị bảo vệ mắt, chẳng hạn như kính chống chói hoặc kính chống tia UV. Quang điện trở có thể giúp giảm độ sáng, tia UV hoặc ánh sáng xanh có hại để bảo vệ mắt của người dùng.

4. Công nghệ điện tử: Quang điện trở cũng được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ điện tử như bộ lọc ánh sáng trong màn hình điện thoại di động, thiết bị đọc mã vạch, máy in, hoặc các thiết bị đo lường, kiểm tra, điều khiển tự động trong công nghiệp.

5. Công nghệ năng lượng: Quang điện trở cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến năng lượng, chẳng hạn như trong hệ thống điện mặt trời để theo dõi và kiểm soát mức độ chiếu sáng, hoặc trong các dự án đo lường năng lượng mặt trời.

6. Điện tử tiêu dùng: Quang điện trở còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như đồng hồ thông minh, thiết bị định vị GPS, đèn đọc sách tự động, hoặc các sản phẩm đèn LED có tính năng tự động điều chỉnh độ sáng.

7. Điện tử y tế: Quang điện trở được sử dụng trong các thiết bị y tế, chẳng hạn như trong máy đo đường huyết, máy đo nhịp tim, hoặc các thiết bị y tế khác để đo và kiểm tra các dấu hiệu về sức khỏe dựa trên mức độ ánh sáng.

8. Ô tô: Quang điện trở cũng có ứng dụng trong công nghệ ô tô, chẳng hạn như trong hệ thống đèn pha tự động, đèn gạt mưa tự động, hay các hệ thống cảm biến đo độ sáng để điều chỉnh đèn trong xe hơi.

Trên đây chỉ là một số ví dụ về ứng dụng của quang điện trở trong đời sống hàng ngày và công nghiệp. Quang điện trở là một linh kiện điện tử có tính linh hoạt cao và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Một số mạch ứng dụng quang điện trở đơn giản

Mạch cảm biến ánh sáng: Mạch này sử dụng một cặp cảm biến quang điện, một để đo ánh sáng và một để đo tín hiệu phản xạ. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến ánh sáng được sử dụng để điều khiển độ sáng của đèn hoặc để đo mức độ ánh sáng trong một khu vực cụ thể.

Mạch điều khiển bằng tín hiệu quang: Mạch này sử dụng một cặp cảm biến quang điện, một để đo tín hiệu quang và một để đo tín hiệu phản xạ. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến quang được sử dụng để điều khiển động cơ hoặc các thiết bị khác.

Mạch điều khiển độ sáng phòng học: Mạch này sử dụng một cặp cảm biến quang điện, một để đo độ sáng tổng thể của phòng học và một để đo độ sáng tại từng vị trí trong phòng học. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến được sử dụng để điều khiển độ sáng tổng thể và độ sáng tại từng vị trí trong phòng học.

Mạch điều khiển đèn giao thông: Mạch này sử dụng một cặp cảm biến quang điện, một để đo độ sáng và một để đo tín hiệu phản xạ từ đèn giao thông. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến được sử dụng để điều khiển đèn giao thông.

Mạch điều khiển đèn tín hiệu: Mạch này sử dụng một cặp cảm biến quang điện, một để đo tín hiệu quang và một để đo tín hiệu phản xạ từ đèn tín hiệu. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến được sử dụng để điều khiển đèn tín hiệu.

Dưới đây là hai ví dụ cụ thể của mạch sử dụng quang trở 

1. Mạch báo động sử dụng quang trở

Mạch báo động sử dụng quang trở là một ứng dụng phổ biến của quang điện trở trong lĩnh vực điện tử. Mạch báo động này sử dụng tính chất của quang điện trở thay đổi điện trở dựa trên mức độ ánh sáng để phát hiện sự thay đổi trong môi trường xung quanh và kích hoạt hệ thống báo động. Các thành phần cơ bản của mạch báo động sử dụng quang trở bao gồm:

1. Quang điện trở (Photocell/LDR): Là linh kiện chủ đạo trong mạch, có khả năng thay đổi điện trở dựa trên mức độ ánh sáng chiếu vào.

2. Điện trở (Resistor): Điện trở được sử dụng để giới hạn dòng điện và điều chỉnh ngưỡng kích hoạt của mạch báo động.

3. Transistor hoặc IC điều khiển: Dùng để khuếch đại và điều khiển tín hiệu điện từ quang điện trở.

4. Các linh kiện khác như tụ điện, điốt, nút nhấn, loa... để hoàn thành mạch báo động.

Khi mức ánh sáng chiếu vào quang điện trở thay đổi, điện trở của quang điện trở cũng thay đổi, từ đó làm thay đổi tín hiệu điện vào cho transistor hoặc IC điều khiển. Khi tín hiệu này vượt qua ngưỡng kích hoạt đã được định trước, mạch sẽ kích hoạt báo động, chẳng hạn là bật đèn báo động, phát ra âm thanh hoặc gửi tín hiệu đến các thiết bị khác để cảnh báo người dùng về sự thay đổi trong môi trường ánh sáng. Mạch báo động sử dụng quang trở thường được áp dụng trong các ứng dụng như hệ thống báo động an ninh, đèn báo động, cảnh báo thời tiết, đèn giao thông tự động, và nhiều ứng dụng khác

2. Mạch mở đèn điện tự động về đêm

Mạch mở đèn điện tự động về đêm là một ứng dụng của quang điện trở (quang trở, LDR) trong lĩnh vực điện tử. Mạch này được thiết kế để tự động bật đèn vào ban đêm hoặc trong điều kiện ánh sáng yếu, và tắt đèn vào ban ngày hoặc khi có đủ ánh sáng. Các thành phần cơ bản của mạch mở đèn điện tự động về đêm gồm:

1. Quang điện trở (Photocell/LDR): Là linh kiện chủ đạo trong mạch, có khả năng thay đổi điện trở dựa trên mức độ ánh sáng chiếu vào.

2. Transistor hoặc Relay: Dùng để kích hoạt đèn khi điện trở của quang điện trở thấp hoặc cao, tùy thuộc vào cấu hình của mạch.

3. Điện trở (Resistor) và tụ điện (Capacitor): Được sử dụng để điều chỉnh độ nhạy của mạch, thời gian chậm tắt và tín hiệu đầu vào của transistor hoặc relay.

4. Điện trở biến trở (Potentiometer): Được sử dụng để điều chỉnh ngưỡng bật/tắt của mạch, cho phép người dùng tuỳ chỉnh độ nhạy của mạch theo ý muốn.

Khi mức ánh sáng chiếu vào quang điện trở thấp, điện trở của quang điện trở giảm, từ đó làm kích hoạt transistor hoặc relay để đóng mạch và bật đèn. Ngược lại, khi mức ánh sáng tăng lên, điện trở của quang điện trở tăng, làm ngắt mạch và tắt đèn. Mạch mở đèn điện tự động về đêm được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đèn đường, đèn sân vườn, đèn chiếu sáng ngoài trời, đèn tiết kiệm điện và các ứng dụng khác giúp tiết kiệm điện năng và tự động hóa hoạt động của hệ thống chiếu sáng.