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Fotowiderstand - Beschreibung der Arbeitsweise
Fotowiderstände (LDR – ang. Light Dependent Resistor) sind elektronische Bauteile, die häufig in solchen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine der Funktionen darin besteht, die An- oder Abwesenheit von Beleuchtung zu steuern sowie die Lichtintensität zu messen. In einer Umgebung mit sehr guter Dunkelheit (und damit sehr wenig oder gar keinem Licht) ist der Widerstand des Fotowiderstands am höchsten und kann je nach Bauteil zwischen einigen kΩ und bis zu 10MΩ betragen. Wird ein Fotowiderstand dagegen Licht ausgesetzt (sei es natürliches Licht – z. B. Sonnenlicht – oder künstliches Licht – z. B. von einer Glühbirne in einer Schreibtischlampe), sinkt sein Widerstandswert drastisch, sogar auf Werte von einigen Ohm, je nach Intensität des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts.
Die Empfindlichkeit eines Fotowiderstands variiert nichtlinear mit der Wellenlänge des auf seine Oberfläche auftreffenden Lichts. Sie sind in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden, obwohl anstelle von Fotoresistoren zunehmend Fotodioden, Fototransistoren und Optokoppler (Optoisolatoren, z. B. SHARP PC900V, die häufig in MIDI-Schnittstellen verwendet werden) eingesetzt werden. Aufgrund strengerer Gesetze zur Entsorgung von Elektroschrott im Hinblick auf den Umweltschutz haben einige Länder die Verwendung von Fotowiderständen mit Strukturen, die teilweise aus Schwermetallen (hauptsächlich Cadmium und Blei) bestehen, in der Elektronikproduktion verboten.
Typen von Fotowiderständen und ihre elektrischen Leitfähigkeitsmechanismen
Je nach den verwendeten Materialien lassen sich Fotowiderstände grob nach der Art des verwendeten Halbleiters, d. h. eigenständig oder nicht eigenständig, unterteilen. Fotowiderstände aus eigenständigen Halbleitern werden aus Materialien ohne Dotierung hergestellt, wie Silizium und Germanium, deren Elementarstruktur jeweils ebenso viele freie Elektronen wie Elektronenlöcher enthält. In solchen Halbleitern regt Licht (Photonen), das auf die Halbleiteroberfläche trifft, die Elektronen im Valenzband an und überträgt sie in das Leitungsband.
Durch diesen Vorgang erhöht sich die Zahl der freien Elektronen in der Halbleiterstruktur (die elektrischen Ladungsträger), was den spezifischen Widerstand des Halbleiters verringert. Bei Fotowiderständen, die auf nicht selbstorganisierten Halbleitern basieren, werden dagegen Materialien verwendet, die Verunreinigungen in Form von Beimischungen anderer chemischer Elemente enthalten. In solchen Halbleitern schaffen die Dotierstoffe neue, von Elektronen dominierte Energiebänder oberhalb des bestehenden Valenzbandes. In einer solchen Situation benötigen die im neu gebildeten Band enthaltenen Elektronen aufgrund der geringeren Breite der verbotenen Bandlücke weniger Energie, um in das Leitungsband zu gelangen.
Dank dieses Phänomens reagiert der eigenständige Halbleiter auf Lichtwellen verschiedener Wellenlängen in der Weise, dass der spezifische Widerstand und folglich der Widerstand umso stärker abnimmt, je höher die Lichtintensität ist. Aus dieser Beschreibung des Phänomens folgt, dass die Eigenschaften eines Fotolacks (sein Widerstand in Abhängigkeit von der Intensität des auf die Oberfläche seiner äußeren Struktur einfallenden Lichts) die Form einer hyperbolischen Kurve haben, die eine umgekehrte Proportionalität des Widerstands zur Lichtintensität aufweist. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn man die Sonden eines Digitalmessgeräts (das auf Ohmmeter-Modus eingestellt ist) an die Leitungen eines Fotowiderstands anschließt und in einem gut beleuchteten Raum die Oberseite des Fotowiderstands mit der Hand abdeckt, kann man auf dem Display des Messgeräts beobachten, dass der Widerstandswert abnimmt, wenn der Fotowiderstand allmählich der Lichtquelle ausgesetzt wird.
Fotoresistoren – Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Lichtwellenlänge
Die Empfindlichkeit eines Fotowiderstands ändert sich mit der Wellenlänge des Lichts, das auf ihn fällt. Liegt der Wert der Wellenlänge jedoch außerhalb eines bestimmten Bereichs, so hat dies keine Auswirkungen auf die Veränderung des Widerstandswerts dieses Fotowiderstands aufgrund seiner Konstruktion, da verschiedene Materialien unterschiedliche spektrale Ansprechcharakteristiken aufweisen, die die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Lichtwellenlänge verdeutlichen. Fotowiderstände aus nicht selbsthaltenden Halbleitern sind in der Regel für Schaltungen und Systeme vorgesehen, die in Umgebungen arbeiten, in denen die Wellenlängen des Lichts höhere Werte erreichen, als sie für das sichtbare Sonnenlicht typisch sind, und in den Bereich der Wellenlängen nahe dem Infrarot vordringen. In einer solchen Umgebung muss darauf geachtet werden, dass Maßnahmen getroffen werden, um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden, die die Widerstandsänderung des Fotowiderstands ernsthaft beeinträchtigen und die Messung durch eine teilweise oder vollständige Verschlechterung der Eigenschaften seiner Struktur verfälschen kann
Empfindlichkeitsparameter, Latenzphänomen und Mängel von Fotoresistoren
Im Gegensatz zur Fotodiode, Fototransistor und Optokoppler reagieren Fotowiderstände weniger empfindlich auf Licht. Bei den genannten Alternativen zum Fototransistor handelt es sich um echte aktive Halbleiterelemente, die Licht wie einen Stimulus nutzen, um die Bewegung von Elektronen und Elektronenlöchern über einen p-n-Übergang steuern, während Fotowiderstände eigentlich passive Elemente mit einem viel einfacheren Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit sind. Auch wenn die Lichtintensität einen konstanten Wert hat, kann sich der Widerstandswert aufgrund von Temperaturschwankungen ändern. Aus diesem Grund eignen sich Fotowiderstände nicht sehr gut für den Einsatz in Präzisionslichtmessgeräten. Eine interessante Eigenschaft von Fotowiderständen ist die Latenzzeit, d. h. die Zeit, die zwischen einer Änderung der Eigenschaften der Lichtquelle (und vor allem ihrer Intensität) und einer Änderung des Widerstands des Fotowiderstands vergeht. Der Parameter, der dieses Phänomen beschreibt, ist die Reaktionszeit des Fotowiderstands. In den meisten Fällen liegt diese Zeit zwischen einigen Millisekunden und einigen zehn Millisekunden für die Änderung des Widerstandswerts von einem Maximum zu einem Minimum, d. h. durch eine schnelle Belichtung des Fotowiderstands von völliger Dunkelheit in Richtung der Lichtquelle. Im Gegensatz dazu kann es in der anderen Richtung bis zu einer Sekunde dauern, bis der maximale Widerstandswert wieder erreicht ist, wenn dem Fotowiderstand das Licht wieder entzogen wird. Wegen dieser hohen Latenzzeit sind Fotowiderstände nicht präzise genug für Anwendungen, bei denen es darum geht, schnelle Änderungen der Lichtintensität im kurzen Zeitbereich zu erfassen. In der Audiotechnik wird diese Unvollkommenheit jedoch gerne für Effekte wie Kompressoren und Limiter genutzt, die einen voreingestellten Audiosignalpegel stabilisieren sollen.
Fotowiderstände
Physikalisch-chemische Eigenschaften und Ablauf des Herstellungsprozesses von Fotoresistoren
Im Jahr 1873 entdeckte der britische Elektroingenieur Willoughby Smith bei seinen wissenschaftlichen Forschungen, dass Selen fotoelektrische Eigenschaften aufweist, was den Anstoß gab, das Phänomen der Fotoleitfähigkeit in anderen Elementen und chemischen Verbindungen zu untersuchen. In den 1930er und 1940er Jahren wurde der fotoelektrische Effekt in Blei-Schwefel-, Selen- und Tellurverbindungen erforscht, und auch Silizium und Germanium wurden für Anwendungen im Bereich der Fotoleitfähigkeit eingesetzt. Moderne Fotowiderstände basieren auf Blei(II)-sulfid, Blei(II)-selenid, Indiumantimon und zunehmend auch auf Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid in Pulverform in einer Mischung mit einem Bindemittel. Bei der Herstellung wird ein solches Gemisch in einer Presse gestanzt und anschließend bei hoher Temperatur gesintert. Die Anordnung der lichtempfindlichen Elektroden auf der Oberfläche des Fotoresistors erfolgt durch Aufdampfen dünner Halbleiterschichten in Form von Kämmen, die durch eine lichtempfindliche Schicht getrennt sind. Die Endanschlüsse des Fotowiderstands werden dann mit den Elektroden verbunden, und die Elektroden und die lichtempfindliche Oberfläche werden durch eine transparente Schutzschicht geschützt, die normalerweise aus Glas oder Kunststoff besteht. Die spektralen Eigenschaften von Cadmiumsulfid liegen innerhalb der spektralen Eigenschaften des menschlichen Sehvermögens. Dieses Material ist am empfindlichsten für Lichtwellenlängen im Bereich von 500 – 600 nm, die im Spektrum des für das menschliche Auge sichtbaren Lichts (380 – 750 nm) enthalten sind.
Nach der RoHS-Richtlinie (Risk of Hazardous Substances) gehören Blei und Cadmium zu den umweltschädlichen Stoffen, deren Verwendung bei der Herstellung von Elektronik in einigen Ländern gesetzlich verboten ist.
Fotowiderstände in Anwendungen
Am häufigsten werden Fotowiderstände als Lichtsensoren eingesetzt. In ihrer einfachsten Anwendung dienen sie dazu, die An- oder Abwesenheit von Licht festzustellen, aber sie können auch für einfache Anwendungen zur Messung der Lichtintensität verwendet werden – Fotolichtmesser und Dämmerungssensoren, die das Ein- und Ausschalten der Straßen- und Parkbeleuchtung steuern, sind beliebte Beispiele. Fotowiderstände werden auch häufig bei der Konstruktion von Robotern verwendet, die an Wettbewerben und Wettkämpfen teilnehmen. In diesen Fällen arbeiten Fotowiderstände mit LEDs zusammen, um ein einfaches Navigationssystem zu schaffen, das dem Steuersystem des Roboters mitteilt, dass er die Richtung ändern soll, damit er dem Weg folgt, auf dem der Roboter fahren soll.
Bei elektronischen Systemen, die so konzipiert sind, dass sie Licht als Auslöser für das Ein- oder Ausschalten von Schaltkreisen erkennen, ist es in der Regel möglich, die Einstellung der Auslöseschwelle zu ändern. Dazu wird ein Einstellpotentiometer mit dem Fotowiderstand in Reihe geschaltet, mit dem die Eigenschaften des Fotowiderstands verschoben werden können, wodurch der Schwellenwert des Stroms in seinem Stromkreis verändert wird, bei dessen Überschreitung ein Spannungsabfall im gesteuerten Stromkreis auftritt, der dessen Ein- oder Ausschalten bewirkt – z. B die Spule eines Relais oder das Gate eines MOSFET-Transistors, der den Strom im Beleuchtungskreislauf des Innenraums einer Kühltruhe steuert. Bei solchen und ähnlichen Anwendungen ist es auch möglich, einen Fotowiderstand an den Eingang eines ADC in einem Mikrocontroller anzuschließen und über einen Eingangs-Prescaler in einem Timer programmatisch einen Bitwert einzustellen, der einer Schwellenspannung entspricht, bei deren Überschreitung das Programm einen Befehl ausführen muss, um ausgewählte digitale Pins (an die z. B. die Relais von Netzwerkschaltungen angeschlossen sind) auf einen hohen Zustand zu setzen. Fotowiderstände werden auch gerne in der Studiotechnik und Musikelektronik in Geräten wie Kompressoren und Audiobegrenzern eingesetzt.
Der Zweck solcher Geräte besteht darin, den Eingangspegel des Verstärkers in Echtzeit zu korrigieren, wenn der Spitzenwert des Audiosignals einen voreingestellten Schwellenwert überschreitet. Dies geschieht durch Verstärkung derjenigen Oberwellen des Signals, deren Amplitude einen voreingestellten Schwellenwert nicht übersteigt, so dass eine Übersteuerung von Oberwellen mit einem Spitzenwert, der in der Nähe der voreingestellten Auslöseschwelle des Kompressors schwankt, verhindert wird. Solche Geräte verwenden zur Realisierung der Audiosignalkompressionsschaltung einen Optokoppler, d. h. einen in einem Lichtschutzgehäuse eingeschlossenen Fotowiderstand zusammen mit einer LED, die mit der Signalquelle verbunden ist. Änderungen in der Intensität des von der LED emittierten Lichts entsprechen dann Änderungen im Pegel des Audiosignals (der elektrischen Spannung, die dieses Signal widerspiegelt). Aufgrund des Latenzphänomens in Fotowiderständen wird der Anstieg und Abfall des Audiosignals geglättet. Bei solchen Anwendungen liegt die optimale Latenzzeit innerhalb von 100 ms. Das Audiosignal ist dann praktisch frei von ungewollten Verzerrungen.
