🌗 مدار چراغ اتوماتیک با LDR (فتوسل) — بدون آردوینو

چراغ حیاط که غروب خودش روشن می‌شود، چراغ خواب بچه که با خاموش شدن لامپ اتاق روشن می‌شود و چراغ‌های خیابان که صبح خودشان خاموش می‌شوند، همه یک ایده‌اند: یک حسگر نور به اسم LDR، که در بازار ایران خیلی‌ها «فتوسل» صدایش می‌کنند، تاریکی را حس می‌کند و یک ترانزیستور چراغ را روشن می‌کند. این راهنما مدار چراغ اتوماتیک را بدون آردوینو و فقط با چند قطعه‌ی ارزان می‌سازد. اول می‌فهمیم LDR و مقسم ولتاژ چطور کار می‌کنند، بعد دو نسخه‌ی کامل را با عدد و فرمول می‌بندیم (تک‌ترانزیستوری و دوترانزیستوری)، حساسیت را با پتانسیومتر تنظیم می‌کنیم، مشکل چشمک زدن در غروب را با هیسترزیس حل می‌کنیم و در آخر یک رله اضافه می‌کنیم تا لامپ بزرگ‌تری روشن شود. همه‌ی این مدارها را در مود ساده‌ی شبیه‌ساز امتحان کرده‌ایم.

LDR یا فتوسل چیست؟

مقاومت نوری (LDR، Light Dependent Resistor یا Photoresistor) یک مقاومت است که مقدارش با نور عوض می‌شود: نور بیشتر، مقاومت کمتر. روی سطحش یک نوار مارپیچ از سولفید کادمیوم (CdS) هست؛ نور که به آن بتابد، الکترون‌های بیشتری آزاد می‌شوند و جریان راحت‌تر عبور می‌کند. قطب ندارد و از هر طرف ببندی کار می‌کند.

یک نکته‌ی اسمی: در برق‌کاری ایران «فتوسل» معمولاً به یک دستگاه کامل گفته می‌شود که روی تیر چراغ یا سردر خانه نصب می‌کنند: یک LDR، یک مدار مثل همین مقاله و یک رله‌ی ۲۲۰ ولتی، همه در یک جعبه‌ی ضدآب. در فروشگاه قطعه، فتوسل همان LDR تنهاست. این مقاله خود مدار را با برق کم‌ولتاژ می‌سازد.

مقاومت یک LDR رایج مثل GL5528 تقریباً این‌طور تغییر می‌کند (عددها تقریبی‌اند و از نمونه‌ای به نمونه‌ی دیگر فرق دارند):

وضعیت نورشدت نور تقریبیمقاومت تقریبی LDR
آفتاب مستقیمده‌ها هزار لوکسکمتر از چند صد اهم
اتاق روشن کنار پنجرهچند صد لوکسحدود ۱ تا ۳ کیلواهم
اتاق با نور کمحدود ۱۰ لوکسحدود ۱۰ تا ۲۰ کیلواهم
گرگ‌ومیش غروبحدود ۱ لوکسده‌ها تا بیش از صد کیلواهم
تاریکی کاملنزدیک صفر۱ مگااهم یا بیشتر

در شبیه‌ساز تینکرکد فارسی، وقتی روی LDR می‌زنی، در پنل ویژگی‌ها یک اسلایدر «نور» از ۰ تا ۱۰۰ درصد می‌بینی. مقاومت LDR شبیه‌ساز با این اسلایدر این‌طور عوض می‌شود: ۱۰۰٪ حدود ۱ کیلواهم، ۷۰٪ (پیش‌فرض) حدود ۸ کیلواهم، ۵۰٪ حدود ۳۲ کیلواهم، ۳۰٪ حدود ۱۲۶ کیلواهم و ۰٪ حدود ۱ مگااهم. همه‌ی عددهای «در شبیه‌ساز» این مقاله با همین اسلایدر به دست آمده‌اند.

قطعه‌های مدار چراغ اتوماتیک

#اسم فارسیEnglishمقدار یا مدلکارش در مدار
۱مقاومت نوری (فتوسل)LDR / PhotoresistorGL5528 یا مشابهچشم مدار
۲ترانزیستور NPNNPN TransistorBC547 یا 2N2222 (برای رله BC337 یا 2N2222)کلید برقی چراغ
۳مقاومت مقسم ولتاژDivider Resistor۱۰ یا ۴۷ کیلواهمهمراه LDR، نور را به ولتاژ تبدیل می‌کند
۴پتانسیومتر یا تریم‌پاتPotentiometer / Trimpot۴۷ تا ۱۰۰ کیلواهمتنظیم حساسیت
۵LED سفیدWhite LEDافت ولتاژ حدود ۳ ولتچراغ
۶مقاومت LEDLED Resistor۳۳۰ اهم روی ۹ ولتمحدود کردن جریان LED
۷باتری ۹ ولت9V Batteryیا آداپتور ۹ ولت برای کار دائمیتغذیه
۸رله و دیود (اختیاری)Relay & Flyback Diodeرله‌ی ۵ تا ۱۲ ولت و 1N4007روشن کردن لامپ بزرگ‌تر

اصل کار: مقسم ولتاژ (Voltage Divider)

ترانزیستور با «ولتاژ» بیسش روشن و خاموش می‌شود، ولی LDR «مقاومت» را عوض می‌کند. پل بین این دو، مقسم ولتاژ است: LDR و یک مقاومت ثابت سری بین مثبت و منفی، و ولتاژ نقطه‌ی وسطشان:

Vout = Vs × Rbottom ÷ (Rtop + Rbottom)

Rbottom مقاومتی است که بین نقطه‌ی وسط و منفی نشسته. حالا مهم‌ترین سؤال مدار: LDR بالا باشد یا پایین؟ با باتری ۹ ولت، مقاومت ثابت ۱۰ کیلواهم و LDR که در نور اتاق ۸ کیلواهم و در تاریکی ۱ مگااهم است:

چیدمانولتاژ وسط در نور اتاقولتاژ وسط در تاریکینتیجه
LDR بالا (مثبت تا وسط)، مقاومت ثابت پایین9 × 10 ÷ 18 = 5 V9 × 10 ÷ 1010 ≈ 0.09 Vتاریکی ولتاژ را پایین می‌برد؛ مدار حساس به نور (Light-Activated)
مقاومت ثابت بالا، LDR پایین (وسط تا منفی)9 × 8 ÷ 18 = 4 V9 × 1000 ÷ 1010 ≈ 8.9 Vتاریکی ولتاژ را بالا می‌برد؛ مدار حساس به تاریکی (Dark-Activated)

پس اگر نقطه‌ی وسط مستقیم به بیس یک ترانزیستور برود، برای چراغی که در تاریکی روشن شود LDR باید پایین باشد. اگر LDR را بالا بگذاری، مداری ساخته‌ای که در روشنایی روشن می‌شود؛ آن هم کاربرد دارد (پایین‌تر در جدول نسخه‌ها آمده)، ولی چراغ خواب نیست. برای حساب سریع مقسم‌ها از ماشین‌حساب مقسم ولتاژ استفاده کن.

مدار ۱: چراغ اتوماتیک تک‌ترانزیستوری (Dark-Activated Switch)

ساده‌ترین مدار فتوسل با ترانزیستور. سیم‌کشی:

چطور کار می‌کند؟

  1. روز: LDR در نور روز فقط چند صد اهم تا یکی‌دو کیلواهم است و بیس را به منفی نزدیک نگه می‌دارد. ولتاژ بیس زیر حدود ۰٫۶ ولت است، ترانزیستور خاموش و LED خاموش.
  2. غروب: مقاومت LDR بالا می‌رود و ولتاژ بیس هم. حدود ۰٫۶ ولت که برسد، کمی جریان به بیس می‌رود و LED آرام روشن می‌شود.
  3. شب: LDR در حد مگااهم است و تقریباً همه‌ی جریان مقاومت ۴۷ کیلواهم به بیس می‌رود. ترانزیستور تقریباً کاملاً روشن است و LED پرنور.

محاسبه: آستانه و نور LED

آستانه‌ی روشن شدن: ترانزیستور وقتی شروع به روشن شدن می‌کند که ولتاژ بیس حدود ۰٫۶۵ ولت شود:

Rldr = Rtop × 0.65 ÷ (9 − 0.65) ≈ Rtop ÷ 13

با مقاومت بالای ۴۷ کیلواهم، آستانه حدود 47 ÷ 13 ≈ 3.6 kΩ است؛ یعنی چراغ از وقتی که LDR بیشتر از حدود ۳٫۶ کیلواهم شود (اتاق نسبتاً روشن) کم‌کم روشن می‌شود.

جریان LED در تاریکی کامل: با LDR برابر ۱ مگااهم، مقسم را با مدار معادل تونن (Thevenin) ساده می‌کنیم: Vth = 9 × 1000 ÷ 1047 ≈ 8.6 V و Rth ≈ 45 kΩ. جریان بیس (8.6 − 0.7) ÷ 45000 ≈ 0.18 mA است و با بهره‌ی حدود ۱۰۰، ترانزیستور تا ۱۸ میلی‌آمپر را اجازه می‌دهد. سقف جریان LED هم با مقاومت ۳۳۰ اهم (9 − 3 − 0.2) ÷ 330 ≈ 17.6 mA است. پس LED تقریباً با نور کامل روشن می‌شود.

معامله‌ی پنهان: اگر بخواهی چراغ دیرتر و فقط در تاریکی واقعی روشن شود، باید مقاومت بالا را بزرگ کنی. ولی با ۱۰۰ کیلواهم، جریان بیس در تاریکی به حدود ۰٫۰۸ میلی‌آمپر و جریان LED به حدود ۸ میلی‌آمپر می‌رسد: چراغ کم‌نورتر می‌شود. یک ترانزیستور تنها نمی‌تواند هم آستانه‌ی دیر و هم نور کامل بدهد؛ این دلیل وجود مدار ۲ است.

در شبیه‌ساز چه می‌بینی؟

همین مدار را در مود ساده ببند (مقاومت را روی ۴۷ کیلواهم و LED را سفید تنظیم کن) و اسلایدر نور LDR را جابه‌جا کن: در ۱۰۰٪ و ۹۰٪ LED خاموش است، از حدود ۸۰٪ شروع به روشن شدن می‌کند، در ۷۰٪ نیمه‌روشن است و از ۴۰٪ به پایین تقریباً کامل روشن است. با مقاومت ۱۰۰ کیلواهم، چراغ از زیر ۷۰٪ روشن می‌شود ولی حداکثر نورش نصف می‌ماند؛ همان معامله‌ای که حساب کردیم.

مدار ۲: چراغ اتوماتیک دو ترانزیستوری (Two-Transistor Dark Sensor)

این نسخه‌ی کلاسیک «مدار چراغ خیابان» است. ترانزیستور اول (Q1) نور را حس می‌کند و ترانزیستور دوم (Q2) چراغ را روشن می‌کند. چون Q1 سیگنال را وارونه می‌کند، این بار LDR بالا می‌نشیند:

چطور کار می‌کند؟

  1. روز: LDR کم است و از راه مقاومت سری، جریان کافی به بیس Q1 می‌رسد. Q1 کاملاً روشن است و کلکتورش، که همان بیس Q2 است، را به حدود ۰٫۱ ولت می‌کشد. Q2 خاموش و چراغ خاموش.
  2. شب: LDR زیاد است، ولتاژ بیس Q1 زیر آستانه می‌رود و Q1 خاموش می‌شود. حالا مقاومت ۱۰ کیلواهم بالایی آزادانه به بیس Q2 جریان می‌دهد: Q2 کاملاً روشن و چراغ روشن.

محاسبه

در شبیه‌ساز: با این عددها، LED از حدود ۳۵٪ نور به بالا کاملاً خاموش و از ۳۰٪ به پایین کاملاً روشن است؛ تغییر بین این دو تقریباً یک‌باره است. مصرف کل مدار در روز هم فقط ۱ تا ۲ میلی‌آمپر است.

تنظیم حساسیت با پتانسیومتر

جای مناسب آستانه در هر خانه فرق دارد، پس یکی از مقاومت‌های مقسم را قابل تنظیم کن:

چشمک زدن در غروب و هیسترزیس (Hysteresis)

دو چیز چراغ اتوماتیک را در غروب به چشمک‌زدن می‌اندازد. اول، نور غروب چند دقیقه دور آستانه بالا و پایین می‌رود (ابر، چراغ ماشین، سایه). دوم و مهم‌تر، نور خود لامپ: اگر نور چراغ به LDR برسد، مدار فکر می‌کند هوا روشن شده و چراغ را خاموش می‌کند؛ تاریک که شد، دوباره روشن می‌کند و این حلقه بی‌پایان است. راه‌حل اول همیشه این است که LDR را از لامپ دور کنی، رو به آسمان بگذاری و دورش یک لوله‌ی کوچک مات بکشی.

راه‌حل اصولی، هیسترزیس است: دو آستانه‌ی جدا، یکی برای روشن شدن و یکی برای خاموش شدن، که بینشان مدار وضعیت قبلی‌اش را نگه می‌دارد. ساده‌ترین راهش یک تایمر ۵۵۵ است که به‌شکل «اشمیت تریگر» (Schmitt Trigger) بسته شود:

۵۵۵ وقتی ولتاژ پایه‌ی ۲ زیر یک‌سوم ولتاژ تغذیه برود خروجی را HIGH می‌کند و وقتی پایه‌ی ۶ از دوسوم بالاتر برود LOW. با ۹ ولت یعنی ۳ و ۶ ولت. حساب کنیم:

خروجی ۵۵۵ تا حدود ۲۰۰ میلی‌آمپر جریان می‌دهد و می‌تواند یک رله‌ی کوچک را هم (با دیود هرزگرد) مستقیم راه بیندازد. در شبیه‌ساز می‌توانی این مدار را ببندی و روشن و خاموش شدنش را با اسلایدر نور ببینی؛ «حافظه»ی بین دو آستانه را روی بردبورد واقعی، با پوشاندن و باز کردن آرام LDR، بهتر می‌بینی. اگر ۵۵۵ برایت تازه است، مدار تایمر ۵۵۵ پایه‌ها و حالت‌هایش را کامل توضیح داده است.

دو راه دیگر برای هیسترزیس: خود رله که جریان چسبیدنش از جریان رها شدنش بیشتر است و کمی هیسترزیس طبیعی دارد، و یک خازن چندده میکروفارادی بین بیس Q1 و منفی در مدار ۲ که تغییرهای سریع (مثل چراغ ماشینی که رد می‌شود) را نادیده می‌گیرد.

افزودن رله برای لامپ بزرگ‌تر

LED کوچک را ترانزیستور مستقیم روشن می‌کند، ولی برای یک لامپ ۱۲ ولتی با آداپتور جدا رله لازم است. در مدار ۲، LED و مقاومتش را بردار و این‌ها را بگذار:

چرا مدار ۱ برای رله کافی نیست؟ جریان بیس آن در تاریکی حداکثر حدود ۰٫۱۸ میلی‌آمپر است، یعنی حدود ۱۸ میلی‌آمپر برای سیم‌پیچ؛ خیلی کمتر از چیزی که رله برای چسبیدن لازم دارد. در شبیه‌ساز هم همین را می‌بینی: نسخه‌ی تک‌ترانزیستوری با رله هیچ‌وقت نمی‌چسبد، ولی نسخه‌ی دو ترانزیستوری زیر ۳۰٪ نور رله را می‌چسباند و بالای حدود ۳۵٪ رها می‌کند. جزئیات کامل درایور رله، دیود و NO و NC در مدار رله آمده است.

ساخت مدار چراغ اتوماتیک در شبیه‌ساز تینکرکد فارسی

همه‌ی این مدارها بدون کد و در مود «ساده» ساخته می‌شوند؛ قطعه‌ها و درس‌ها رایگان‌اند و بچه‌ها از حدود ۷ سالگی (با کمی کمک) می‌توانند شروع کنند.

  1. درس: درس چراغ خواب خودکار در دوره‌ی برق، LDR، مقسم ولتاژ و ترانزیستور را در سه قدم معرفی می‌کند.
  2. مقسم نوری را اندازه بگیر: پروژه‌ی مقسم نوری (Light Divider) یک LDR، یک مقاومت ۱۰ کیلواهم و مولتی‌متر دارد. اسلایدر نور را تکان بده و عدد ولتاژ وسط را با جدول بالا مقایسه کن.
  3. پروژه‌ی آماده را بررسی کن: چراغ خواب خودکار (Automatic Night Light) را باز کن، روی LDR بزن و اسلایدر نور را از ۱۰۰٪ تا ۰٪ بکش. ببین LED در کدام سمت روشن است و با قانون «LDR بالا یا پایین؟» توضیحش بده.
  4. مدار ۱ و ۲ را خودت ببند و رفتارشان را با عددهای این مقاله مقایسه کن. اگر مدارت برعکس رفتار کرد (در روشنایی روشن شد)، جای LDR و مقاومت را عوض کن.
  5. ولتاژ بیس را ببین: یک مولتی‌متر در حالت ولت بین بیس و منفی بگذار و اسلایدر را آرام عوض کن؛ لحظه‌ای که عدد از حدود ۰٫۶ ولت رد می‌شود، همان لحظه‌ی روشن شدن چراغ است.

برای چند چراغ هم‌زمان، پروژه‌ی باغچه‌ی شب (The Night Garden) سه LED را با یک ترانزیستور راه انداخته است؛ هر LED مقاومت خودش را دارد.

نسخه‌ی آردوینو، در یک نگاه

با آردوینو، LDR و یک مقاومت ۱۰ کیلواهم به ورودی آنالوگ A0 می‌روند و تصمیم را کد می‌گیرد: دو آستانه‌ی جدا، تأخیر و حتی کم و زیاد کردن نور با PWM. این نسخه را مفصل در پروژه چراغ خواب هوشمند با آردوینو ساخته‌ایم و نمونه‌ی آماده‌اش مدار چراغ شب آردوینو است. سیم‌کشی و کد LDR در محیط ووکوی هم در سنسور نور LDR با آردوینو آمده است.

نسخه‌ها و مدارهای مشابه

#اسم فارسیEnglishایده
۱مدار چراغ خواب اتوماتیکAutomatic Night Lightمدار ۱ یا ۲ همین مقاله با یک LED سفید یا زرد
۲مدار حساس به نورLight-Activated SwitchLDR بالا در مدار تک‌ترانزیستوری؛ با رسیدن نور روشن می‌شود، مثلاً هشدار باز شدن کشوی تاریک یا زنگ بیدارباش صبح
۳چراغ حیاط با رلهDusk-to-Dawn Lampمدار ۲ یا ۵۵۵ با رله و لامپ کم‌ولتاژ
۴فتوسل با ۵۵۵555 Dark Detector (Schmitt)دو آستانه و بدون چشمک
۵فتوسل با آپ‌امپOp-amp Comparator Light Sensorیک آپ‌امپ LM358 ولتاژ مقسم را با ولتاژ یک پتانسیومتر مقایسه می‌کند؛ با یک مقاومت فیدبک مثبت، هیسترزیس هم می‌گیرد
۶دزدگیر لیزریLaser Tripwire Alarmنور یک لیزر کوچک روی LDR؛ قطع شدن پرتو، بازر را روشن می‌کند
۷ترمین نوریLight ThereminLDR صدای بازر را با نور عوض می‌کند؛ پروژه‌ی ترمین نوری
۸چشمک‌زن شبNight-Time Flasherمدار فتوسل، تغذیه‌ی یک چشمک‌زن ۵۵۵ را وصل می‌کند؛ بیشتر در چشمک‌زن ۵۵۵
۹ردیاب خورشیدSun Trackerدو LDR و یک سروو؛ نسخه‌ی آردوینویی

اشتباه‌های رایج در مدار فتوسل

اشتباهنشانهراه‌حل
جای LDR و مقاومت برعکسچراغ در روز روشن و در شب خاموشدر مدار تک‌ترانزیستوری LDR پایین؛ در دو ترانزیستوری LDR بالا
LDR رو به لامپچشمک زدن در غروبLDR را دور و رو به آسمان بگذار؛ هیسترزیس اضافه کن
مقاومت بالای خیلی کوچک در مدار ۱چراغ همیشه روشن استمقاومت بزرگ‌تر یا پتانسیومتر
مقاومت بالای خیلی بزرگ در مدار ۱چراغ کم‌نور استمدار ۲ را بساز
بیس مستقیم به مثبت (پتانسیومتر در انتها)ترانزیستور داغ می‌شودیک مقاومت ثابت سری با پتانسیومتر
LED بدون مقاومتLED یک لحظه پرنور و بعد خاموش برای همیشهمقاومت ۳۳۰ اهم سری LED
پایه‌های ترانزیستور جابه‌جاهیچ واکنشی به نور نیستترتیب E، B، C را از دیتاشیت بخوان
رله بدون دیودترانزیستور بعد از مدتی خراب می‌شوددیود موازی سیم‌پیچ
باتری ۹ ولت برای کار همیشگیباتری زود تمام می‌شودآداپتور (حساب پایین جدول)

درباره‌ی آخری: یک باتری ۹ ولت قلیایی حدود ۵۰۰ میلی‌آمپرساعت ظرفیت دارد. LED با ۱۸ میلی‌آمپر آن را در حدود یک شبانه‌روز خالی می‌کند و مدار ۲ حتی در روز هم ۱ تا ۲ میلی‌آمپر برای روشن نگه داشتن Q1 مصرف می‌کند. برای کار دائمی، آداپتور بهترین دوست این مدار است.

نکته‌های ایمنی

چراغ اتوماتیک را بدون کد بساز 🌗

سؤال‌های رایج

فتوسل با LDR فرق دارد؟

LDR یا مقاومت نوری خود حسگر است: مقاومتی که در نور کم و در تاریکی زیاد می‌شود. در بازار ایران به LDR هم فتوسل می‌گویند، ولی فتوسل برق‌کاری معمولاً یک دستگاه کامل ۲۲۰ ولتی است که LDR، مدار و رله را با هم دارد و چراغ سردر یا خیابان را روشن می‌کند.

چرا مدار چراغ اتوماتیک من در روشنایی روشن می‌شود؟

احتمالاً جای LDR و مقاومت ثابت را عوض بسته‌ای. در مدار تک‌ترانزیستوری، برای روشن شدن در تاریکی مقاومت ثابت یا پتانسیومتر باید بین مثبت و بیس باشد و LDR بین بیس و منفی. در نسخه‌ی دو ترانزیستوری قضیه برعکس است، چون ترانزیستور اول سیگنال را وارونه می‌کند.

حساسیت مدار فتوسل را چطور تنظیم کنم؟

یکی از مقاومت‌های مقسم ولتاژ را با پتانسیومتر یا تریم‌پات عوض کن و در غروب پیچ را آرام بچرخان تا چراغ درست در همان تاریکی که می‌خواهی روشن شود. یک مقاومت ثابت چندکیلواهمی هم سری با پتانسیومتر بگذار تا در انتهای مسیر، بیس مستقیم به مثبت یا منفی وصل نشود.

چرا چراغ اتوماتیک در غروب چشمک می‌زند؟

چون نور غروب آرام کم می‌شود و ولتاژ بیس مدتی دور آستانه می‌ماند. اگر نور خود لامپ هم به LDR برسد، مدار با نور خودش خاموش و دوباره روشن می‌شود. LDR را از لامپ دور و رو به آسمان بگذار و برای حل کامل از هیسترزیس، مثلاً ۵۵۵ به‌شکل اشمیت تریگر، استفاده کن.

می‌توانم با این مدار لامپ ۲۲۰ ولت روشن کنم؟

به‌صورت خودساخته نه. این مدار برای LED و لامپ‌های کم‌ولتاژ با باتری یا آداپتور است. برای لامپ برق شهر از فتوسل آماده و استاندارد استفاده کن که برق‌کار نصبش کند.

مقاله‌های دیگر

🌙

پروژه چراغ خواب هوشمند با آردوینو — قدم به قدم

🧲

مدار رله (Relay Driver): راه‌اندازی رله با ترانزیستور و آردوینو

⏲️

مدار تایمر با ۵۵۵ (Monostable Timer) — از تایمر ۱۰ ثانیه تا تایمر آردوینو