נגד תלוי-אור (LDR) הוא אחד הרכיבים המוכרים ביותר למייקרים מתחילים – למדידה של עוצמת אור נראה ובכלל – ויצא לו שם רע של חיישן איטי ולא מדויק. החלופה ה"מקצועית" שמוצעת בדרך כלל היא פוטו-טרנזיסטור. בפוסט הזה והבא אציג כמה מדידות ואשווה את הביצועים שלהם בפועל, בתנאים ביתיים.

אם הרמז שבשם שלו לא מספיק, נבהיר שנגד תלוי-אור (Light Dependent Resistor) הוא נגד שההתנגדות שלו משתנה בהתאם לכמות האור עליו – ליתר דיוק, על המשטח העליון שלו. כיוון השינוי הוא ירידה בהתנגדות ככל שיש יותר אור. לקחתי מד אור (דגם UT383) ומדדתי בעזרת מולטימטר את ההתנגדות של LDR גנרי, בחמישה תנאי תאורה שונים:

המדידות האלה בוצעו בתנאים לא מבוקרים, כך שיש לקחת אותן בערבון מוגבל מאוד. מד האור שלי גם נותן מספרים שלמים בלבד, כך שמה שמוגדר אצלו כאפס זה למעשה טווח די רחב בין חשכה מוחלטת לבין אור מספיק חזק כדי שאוכל לקרוא בו את הספרה "0" ממסך ה-LCD שאין לו תאורה משלו. למרות זאת, אנחנו מקבלים תמונה די ברורה של אופן התגובה של ה-LDR לאור. כדי לתת לכם קנה מידה למספרים האלה, ה-4000 Lux נמדדו מול שמש של אחרי צהריים, ה-240 נמדדו בצמוד למסך מחשב שמציג שטח לבן, וה-32 בחדר די חשוך (עדיין מספיק אור לקריאה בספר רגיל).

רואים, אם כן, שהתגובה של ה-LDR לאור מבחינת התנגדות היא ממש, אבל ממש, לא לינארית. עם זה אפשר להסתדר בעזרת מדידות נוספות וקצת חשבון. אך מה לגבי זמן התגובה? כאן העסק נעשה מורכב.

אור כבוי, דולק ומה שביניהם

בדרך כלל נרצה למדוד כמה זמן לוקח לחיישן לעבור מערך יציב אחד לאחר כאשר האור נדלק או כבה. אבל מי מבטיח לנו שהאור עצמו משתנה באופן מיידי? בנורות לד ביתיות, למשל, הציפוי הפנימי (שיוצר את האור הלבן) ממשיך לזרוח כל כך הרבה זמן אחרי הכיבוי, שאפשר לראות את זה בקלות בעין – ומן הסתם גם נדרש לו זמן כדי להגיע מאפס לבהירות מרבית. בגלל זה, אפילו אם זמן התגובה של החיישן עצמו יהיה אפס, עדיין נראה בפלט שלו שינוי איטי. וכמובן, לנסות לכסות את החיישן מהר עם היד זה גרוע לפחות באותה מידה.

במסכי מחשב מודרניים (LCD) יש תאורה פנימית לבנה קבועה, ומה שיוצר את הצבע השחור הוא בעצם חסימה של האור הזה על ידי הגביש הנוזלי שבפיקסל. הפרמטר "מהירות התגובה" של המסך הוא הזמן שלוקח לפיקסל לעבור מצבע לצבע (הבנתי שבדרך כלל זה אומר משחור ללבן וחזרה, אם כי כמו בכל פרמטר שחשוב לשיווק, הפרשנות של היצרן יכולה לפעמים להיות מאוד יצירתית). גם מסכים בסיסיים מבטיחים כיום זמן תגובה של 5ms, אז לכאורה אם נכתוב תוכנה שתצבע את המסך בשחור או בלבן לפי פקודה, "מהירות התגובה" הזו היא החסם העליון לזמן שינוי התאורה שהחיישן יראה, וכל עיכוב נוסף בפלט יגיע – לפחות בתיאוריה – מהחיישן עצמו. עדיין קיימת אפשרות שהזמן לריענון שטח גדול של פיקסלים יהיה ארוך יותר, בסביבות קצב הרענון של המסך כולו (100Hz, בדרך כלל, שזה 10ms).

מדידה מול מסך

כתבתי תוכנה שצובעת חלון בשחור ולבן לחילופין בלחיצת עכבר, והצבתי צמוד ככל האפשר למסך (אותו מסך שהראה 240 Lux למעלה) מחלק מתח עם LDR ונגד 10K, מחובר לספק כוח שולחני שמוציא 3.3V. הנה מה שהסקופ קלט במוצא של מחלק המתח הזה במעבר משחור ללבן:

קודם כל, אנחנו רואים שהמתח ב"לבן" הוא 1.97V, ובחישוב לפי הנוסחאות של מחלק מתח זה אומר שהתנגדות ה-LDR הייתה כ-6.7K, יותר ממה שראינו בטבלה קודם עם אותו מסך – שוב, כנראה כי המדידה לא הייתה בתנאים מבוקרים ומסודרים מדי. בכל אופן, זמן העלייה היה קרוב לציפיות – קצת פחות מ-20ms כדי להגיע מהמתח המינימלי למקסימלי. מה לגבי הכיוון ההפוך?

כאן המתח ההתחלתי היה 2.05V, כלומר התנגדות 6K, שזה קצת יותר קרוב לטבלה. אבל זמן הירידה היה על הפנים (שימו לב שציר הזמן כאן שונה מבתמונה הקודמת!) – קרוב יותר ל-50ms. ההבדל בזמני התגובה בין עליה לירידה אולי לא אינטואיטיבי, אך כפי שעוד נראה, הוא מוכר היטב בתחום.

מדידה מול לד

הנתונים האלה מעניינים, אבל לא נותנים לנו את כל התמונה כי כאמור אנחנו לא באמת יודעים כמה זמן לקח לפיקסלים עצמם להשתנות. ומה יקרה בעוצמת אור שונה? האם זמן התגובה ישתפר מול אור/חושך קיצוניים יותר, או יתדרדר?

כדי לבדוק את העניין לעומק, יצרתי "מתקן חושך" מכוס פלסטיק עטופה באיזולירבנד שחור, עם מעמד ומכסה שתכננתי והדפסתי מ-PLA שחור (עם עוד קצת איזולירבנד). המתקן בנוי כך שאפשר להציב בו מעגלים קטנים למטה ולמעלה – חיישן ומקור אור – ולמתוח מהם חוטים החוצה בלי שייכנס כמעט שום אור מבחוץ, מה שיאפשר לי לבצע מדידות מבוקרות ומדויקות יותר.

רוב חיישני האור הנראה, כולל LDR, נותנים תגובה מקסימלית לאור באורך גל איפשהו בין 500-650 ננומטר (ירוק עד כתום). לדים לבנים יוציאו גם את אורכי הגל האלה, אך כפי שציינתי הם מכילים ציפוי פנימי שמשפיע לרעה על זמני ה-rise וה-fall של התאורה. לדים צבעוניים רגילים, לעומת זאת, אמורים להגיב בסדר גודל של כמה עשרות ננו-שניות. לכן, אם נשים במתקן שלי את ה-LDR ישר מול לד ירוק, צהוב או כתום, נקבל תגובה די "נקיה".

בדקתי עם מד התאורה כמה לדים שמצאתי במגירה, ונתקלתי בדילמה: הלדים הצהובים והכתומים נתנו משהו כמו 400 Lux (ממש מקרוב), ואילו אחד הכחולים נתן מעל 4000(!) אילו היה לי גרף תגובה לאורך גל ("Spectral response") של ה-LDR, הייתי יכול לחשב מי עדיף מבחינת עוצמה. לדוגמה, אם בגרף היה נאמר שהתגובה לאור כחול (נניח אורך גל 450nm) היא רק 20% מהתגובה המקסימלית, אז 20% מ-4000 זה עדיין הרבה יותר מאשר 100% מ-400, והלד הכחול עדיף. אין לי גרף לחיישן הספציפי שלי, אבל גרפים שמצאתי ברשת נראים די מבטיחים מבחינה זו – סביבות 20-30%, אז התקנתי את הלד הכחול במתקן החושך:

הרעיון היה להפעיל אותו ב-5V מארדואינו, אך כפי שראינו בפוסט קודם, ברגע שהזרם עולה על מיליאמפרים בודדים, המתח בפיני הפלט של ארדואינו יורד משמעותית, אז שקללתי את הגורם הזה כדי להבטיח שהזרם ללד עדיין יהיה ניכר. כמו כן, אנחנו יודעים שזמן העלייה והירידה של המתח בפין פלט אינו אפס – גם הוא יכול להוסיף לנו בכיף כמה מיליוניות שנייה. הנה גרף העלייה:

המתח המקסימלי בצילום המסך הזה הוא 2.32V, אבל במצב מנוחה מול הלד הדולק הוא הגיע עד 2.5V (לפי הנוסחאות, התנגדות של 3.2K). אם נחליט שהגרף כאן מגיע מספיק קרוב למקסימום, זמן העלייה הוא בסביבות 6-7ms. והנה הירידה:

התחלת הירידה חדה יותר ממה שקיבלנו מול המסך, ועם זאת הזמן הכולל לחזרה למתח מינימלי כמעט לא השתנה – עדיין כ-50ms.

בידוד השפעות

אם הגענו עד לכאן, יש עוד משהו שכדאי לבדוק לפני שנעבור לפוטו-טרנזיסטור. ראינו שירידת ההתנגדות של ה-LDR מול הלד הייתה מהירה יותר מאשר מול המסך, אך כמה מזה אפשר לייחס למהירות התגובה של המסך, וכמה לעוצמת האור? בעזרת נגד משתנה אפשר לכוון את בהירות הלד הכחול שבמתקן עד שהמתח המקסימלי יהיה זהה לזה שהתקבל מול המסך, וככה לבודד את משתנה מהירות התגובה. הנה גרף העלייה, עם "גרף רפאים" של מה שהתקבל מול המסך, לצורך השוואה:

שימו לב שהבהירות המינימלית (הערך הכי נמוך בגרף) מול המסך ומול הלד שונה – זה צפוי והגיוני. מה שחשוב לבדיקה הוא שהערך העליון כמעט זהה, מה שאומר שעד כמה שאני יכול לשלוט באמצעים ביתיים, ההבדל בין הגרפים נובע אך ורק מההבדל בזמני התגובה בין המסך לבין הלד.

את אותו התרגיל אפשר לעשות עם המדידות מול הלד – בעוצמה "מלאה" וב"עוצמת מסך" – וכך לראות מה ההשפעה של עוצמת האור בלבד על הגרפים. הנה התוצאות, כאשר כאן מתוך עצלנות פשוט "מתחתי" בתוכנת ציור את הגרפים כך שהסקאלה של ציר X תהיה זהה:

מסקנות ביניים

ה-LDR אוהב אור: הוא מגיב בצורה הרבה יותר מהירה וחדה להדלקה של אור מאשר לכיבוי. כאשר השינוי בעוצמת האור הוא קרוב-למיידי, זמן התגובה של ה-LDR להדלקת אור (ממתח יציב נמוך ליציב גבוה) הוא עד 10ms, וכנראה גם מהיר יותר ככל שהאור יותר חזק. בכיוון ההפוך, של כיבוי, ה-LDR מתקשה להיפרד מהאור האהוב: ירידה ממתח יציב גבוה ליציב נמוך לוקחת כ-50ms, ומתארכת ככל שהפרש העוצמות גדל.

בדף הזה אפשר למצוא מידע יותר טכני ומפורט על LDR, עם מספרים קצת שונים אבל לא מספיק שונים כדי לשנות את השורה התחתונה: אם אתם בונים מערכת מבוססת LDR שצריכה להגיב מהר לשינוי בתאורה, כדאי לעשות הכול כדי שהשינוי המבוקש יהיה תוספת אור ולא הפחתה. ואם אתם מנסים להעביר מידע בקצב מהיר באמצעות אור, LDR הוא לא הפתרון הנכון.

בפוסט הבא בנושא נבדוק את המועמד השני שלנו, הפוטו-טרנזיסטור, ונגלה עד כמה ובאילו אופנים, אם בכלל, הוא טוב יותר.