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Wir können elektrischen Strom in Lichtenergie umwandeln. Wir können auch Licht verwenden, um den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen zu steuern – erfahre mehr über Fotowiderstände!
Fotoresistoren in der Elektronik
In diesem Artikel werden der Aufbau, das Funktionsprinzip und die praktischen Anwendungen von Fotowiderständen vorgestellt. Fotowiderstände sind Elemente, die ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Intensität des auf ihre lichtempfindliche Oberfläche einfallenden Lichts ändern.
Was ist ein Fotoresistor?
Ein Fotowiderstand (LDR – Light Dependent Resistor) ist ein elektronisches Bauteil, das wie ein gewöhnlicher Widerstand zwei Anschlüsse hat. Während jedoch Widerstände ihren konstanten Widerstand unter den verschiedenen Umgebungsbedingungen, für die sie ausgelegt sind, beibehalten, hängt ihr Widerstand bei Fotowiderständen von der Lichtintensität ab. Dank dieser Eigenschaft finden sie in verschiedenen Anwendungen der modernen Elektronik breite Verwendung.
Der Widerstand eines Fotowiederstands ist ein Parameter, der von der Intensität des Lichts abhängt, das auf seine lichtempfindliche Oberfläche trifft. Vereinfacht ausgedrückt, haben Fotowiderstände einen sehr hohen Widerstand, der bis zu Millionen von Ohm betragen kann. Wird ein Fotowiderstand hingegen mit Licht bestrahlt, sinkt sein Widerstand erheblich – bei ausreichend starkem Licht sogar auf ein einziges Ohm. Wichtig ist, dass die Lichtquelle, für die der Fotowiderstand empfindlich ist, entweder eine Glühbirne oder Sonnenlicht sein muss. Die elektromagnetische Wellenlänge, d. h. das auf die Oberfläche des Widerstands auftreffende Licht, und die Empfindlichkeit des Fotowiderstands hängen nicht linear voneinander ab.
Aufbau und Funktionsweise von Fotowiderständen
Fotowiderstände unterscheiden sich unter anderem durch die Art der verwendeten Materialien, die die Art des verwendeten Leiters bestimmen, der ein eigenständiger Halbleiter (undotiert) sein kann, zu dem Halbmetalle wie Silizium und Germanium gehören, oder ein nicht eigenständiger Halbleiter (dotiert), bei dem der quantitative Anteil freier Elektronen und Löcher gleich ist. In Fotowiderständen, die auf eigenständigen Halbleitern basieren, regen Photonen des Lichts die Valenzelektronen an und geben ihnen die notwendige Energie für ihren Übergang in das Leitungsband. Dadurch erhöht sich die elektrische Ladungsakkumulation und der spezifische Widerstand dieses Materials nimmt ab. Anders verhält es sich bei Fotowiderständen aus Halbleitern, deren Struktur verunreinigt ist. Hier kommt es zur Bildung neuer Energiebänder, die Elektronen oberhalb des normalerweise vorhandenen Valenzbandes enthalten. Dadurch wird die Breite des verbotenen Bandes so weit verringert, dass weniger Energie erforderlich ist, um Elektronen in das Leitungsband zu bewegen, als dies bei eigenständigen Halbleitern der Fall ist.
Dies führt dazu, dass ein Fotowiderstand auf der Basis eines eigenständigen Halbleiters auf eine Lichtwelle so reagiert, dass mit zunehmender Lichtintensität sein spezifischer Widerstand und der daraus resultierende Widerstand abnimmt. Die Einschwingcharakteristik des Fotowiderstands ist dann hyperbolisch, da der Widerstand des Fotowiderstands umgekehrt proportional zur Intensität des auf seine lichtempfindliche Oberfläche einfallenden Lichts ist. Dies lässt sich leicht beobachten, indem man ein Ohmmeter an die Leitungen des Fotowiderstands anschließt. Wenn man den Fotowiderstand in einem Raum mit viel Tageslicht abdeckt und nach und nach wieder freilegt, kann man am Ohmmeter eine allmähliche Abnahme des Widerstandes des Fotoresistors beobachten.
Empfindlichkeit des Fotoresistors
Aus dem zuvor beschriebenen kurzen Experiment geht hervor, dass sich die Empfindlichkeit des Fotoresistors mit der Wellenlänge des Lichts ändert, das auf seine lichtempfindliche Oberfläche trifft. Überschreitet die Wellenlänge des Lichts hingegen den Bereich, der von den Übergangseigenschaften des Widerstands abgedeckt wird, so ändert sich sein Verhalten nicht. Überschreitet der Wert der Wellenlänge jedoch den Bereich, der von den Eigenschaften des Fotowiderstands abgedeckt wird, so ändert sich der Wert des Widerstands dieses Fotoresistors in keiner Weise, da verschiedene lichtempfindliche Materialien unterschiedliche spektrale Ansprechcharakteristiken aufweisen, die die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Lichtwellenlänge verdeutlichen. Fotowiderstände aus nicht selbsthaltenden Halbleitern werden meist für Anwendungen hergestellt, die in einer Umgebung mit einer stärkeren Bestrahlung als der des Sonnenlichts arbeiten und einen Wellenlängenbereich nahe der Infrarotstrahlung erreichen. In solchen Fällen sollte die lichtempfindliche Schicht des Fotowiderstands zusätzlich vor den Auswirkungen übermäßiger Wärme geschützt werden, die zu Messverfälschungen und sogar zur Beschädigung der lichtempfindlichen Struktur führen kann.
Wie werden Fotowiderstände hergestellt?
Zu den Substanzen, die zur Herstellung von Fotoresistoren verwendet werden, gehören Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Blei(II)-sulfid, Blei(II)-selenid und Indiumantimon. Das beste Endergebnis wird erzielt, wenn diese Stoffe in Pulverform vorliegen. Bei der Herstellung von Fotowiderständen aus diesen Stoffen wird das Pulver mit einem Bindemittel zusammengepresst und bei einer entsprechend hohen Temperatur gesintert. Auf die so entstandene Oberfläche werden dann Kammerelektroden aufgebracht, die die lichtempfindliche Schicht bilden. Am Ende der Produktion werden die lichtempfindlichen Kämme mit den Lötanschlüssen des Fotoresistors verbunden. Um den Fotowiderstand in Gebieten mit starker Sonneneinstrahlung gut vor hohen Temperaturen zu schützen, wird seine lichtempfindliche Schicht mit einer transparenten Schutzschicht aus Glas oder hitzebeständigem Kunststoff überzogen.
Fotowiderstände - Praktische Anwendungen
Fotowiderstände - Praktische Anwendungen
Eine der häufigsten Anwendungen für Widerstände sind Lichtintensitätssensoren. Die einfachste Schaltung, die auf einem Fotowiderstand basiert, erkennt das Vorhandensein von Licht auf eine starre Null-Eins-Weise, d. h. es ist Licht vorhanden oder es ist kein Licht vorhanden. Fotowiderstände können auch dort eingesetzt werden, wo eine genaue Messung der Lichtintensität erforderlich ist. Zu nennen sind hier z. B. Luxmeter für Kameras sowie Miniaturroboter, die einem vorgezeichneten Weg folgen, wobei LEDs im Zusammenspiel mit Fotowiderständen die notwendigen Signale an einen Mikrocontroller liefern, um den Roboter automatisch zu navigieren. Eine sehr beliebte Anwendung für Fotowiderstände sind auch Dämmerungsschalter, mit denen wir das Ein- und Ausschalten der Außenbeleuchtung, z. B. in Parkhäusern, Straßen oder Parks, automatisieren können. Bei solchen Anwendungen kann die Schaltschwelle in der Regel direkt vom Zielbenutzer eingestellt werden. Bei einer Dämmerungsschalteranwendung wird ein kleines einstellbares Potentiometer zur Einstellung der Schaltschwelle verwendet. Von seiner Stellung hängt die Verschiebung der Fotowiderstandseigenschaften und der Wert des Stroms im Schaltkreis ab, der einen entsprechenden Spannungsabfall verursacht, der das Schalten im Schaltkreis bewirkt, der die Spule des Schützes oder Relais des Beleuchtungskreises oder anderer Geräte steuert. Die Einstellung der Schaltschwelle in einer auf einem Fotowiderstand basierenden Schaltung kann auch mit Hilfe eines Mikrocontrollers (oder einer Entwicklungsplatine mit einem Mikrocontroller – z. B. Arduino oder STM32) geändert werden, der einen ADC enthält. Wir können Fotowiderstände auch zum Aufbau von Soundeffekten verwenden, die für die Komprimierung des Tons und die Begrenzung des maximalen Pegels des Audiosignals verantwortlich sind. Bei solchen Anwendungen wird der Ton selektiv verstärkt, d. h. es werden bestimmte Obertöne verstärkt, deren Amplitude innerhalb der voreingestellten Schwelle des Signalbegrenzers liegt. Um ein solches Gerät zu bauen, müssen Fotowiderstände so mit LEDs verbunden werden, dass das Licht der LED auf die lichtempfindliche Schicht des Fotowiderstands fällt. Die Helligkeit und der Dynamikbereich der LED hängen dann vom Pegel der einzelnen Obertöne im Audiosignal ab.
Da Fotowiderstände naturgemäß ein Latenzphänomen aufweisen, wird das Audiosignal entsprechend geglättet, so dass es frei von Verzerrungen ist. Damit der Fotowiderstand zusammen mit der LED in der Begrenzerschaltung ordnungsgemäß funktioniert, ist es notwendig, diese Komponenten in einen Schrumpfschlauch oder ein Isolierband einzuschweißen, um das Licht von außen zu blockieren – vor allem, wenn sich andere LEDs im Gerätegehäuse befinden, deren Licht den Fotowiderstand stören könnte.
