{"id":51480,"date":"2023-02-22T13:01:06","date_gmt":"2023-02-22T12:01:06","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/fotorezystor-jak-to-dziala\/"},"modified":"2023-03-08T12:05:10","modified_gmt":"2023-03-08T11:05:10","slug":"fotoresistor-wie-funktioniert-er","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/fotoresistor-wie-funktioniert-er\/","title":{"rendered":"Fotoresistor \u2013 Wie funktioniert er?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 6<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Fotowiderstand - Beschreibung der Arbeitsweise<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Fotowiderst\u00e4nde<\/a> <\/a><\/b>(LDR – ang. Light Dependent Resistor<\/em>) sind elektronische Bauteile, die h\u00e4ufig in solchen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine der Funktionen darin besteht, die An- oder Abwesenheit von Beleuchtung zu steuern sowie die Lichtintensit\u00e4t zu messen. In einer Umgebung mit sehr guter Dunkelheit (und damit sehr wenig oder gar keinem Licht) ist der Widerstand des Fotowiderstands am h\u00f6chsten und kann je nach Bauteil zwischen einigen k\u03a9 und bis zu 10M\u03a9 betragen. Wird ein Fotowiderstand dagegen Licht ausgesetzt (sei es nat\u00fcrliches Licht \u2013 z. B. Sonnenlicht \u2013 oder k\u00fcnstliches Licht \u2013 z. B. von einer Gl\u00fchbirne in einer Schreibtischlampe), sinkt sein Widerstandswert drastisch, sogar auf Werte von einigen Ohm, je nach Intensit\u00e4t des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts. <\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Fotowiderstand 50-100 k\u03a9 GL5539.<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Empfindlichkeit eines Fotowiderstands variiert nichtlinear mit der Wellenl\u00e4nge des auf seine Oberfl\u00e4che 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 h\u00e4ufig in MIDI-Schnittstellen verwendet werden) eingesetzt werden. Aufgrund strengerer Gesetze zur Entsorgung von Elektroschrott im Hinblick auf den Umweltschutz haben einige L\u00e4nder die Verwendung von Fotowiderst\u00e4nden mit Strukturen, die teilweise aus Schwermetallen (haupts\u00e4chlich Cadmium und Blei) bestehen, in der Elektronikproduktion verboten.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Typen von Fotowiderst\u00e4nden und ihre elektrischen Leitf\u00e4higkeitsmechanismen<\/h3>\n

Je nach den verwendeten Materialien lassen sich Fotowiderst\u00e4nde grob nach der Art des verwendeten Halbleiters, d. h. eigenst\u00e4ndig<\/b> oder nicht eigenst\u00e4ndig<\/b>, unterteilen. Fotowiderst\u00e4nde aus eigenst\u00e4ndigen Halbleitern werden aus Materialien ohne Dotierung hergestellt, wie Silizium und Germanium, deren Elementarstruktur jeweils ebenso viele freie Elektronen wie Elektronenl\u00f6cher enth\u00e4lt. In solchen Halbleitern regt Licht (Photonen), das auf die Halbleiteroberfl\u00e4che trifft, die Elektronen im Valenzband an und \u00fcbertr\u00e4gt sie in das Leitungsband. <\/p>\n

Durch diesen Vorgang erh\u00f6ht sich die Zahl der freien Elektronen in der Halbleiterstruktur (die elektrischen Ladungstr\u00e4ger), was den spezifischen Widerstand des Halbleiters verringert. Bei Fotowiderst\u00e4nden, 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 Energieb\u00e4nder oberhalb des bestehenden Valenzbandes. In einer solchen Situation ben\u00f6tigen die im neu gebildeten Band enthaltenen Elektronen aufgrund der geringeren Breite der verbotenen Bandl\u00fccke weniger Energie, um in das Leitungsband zu gelangen. <\/p>\n

Dank dieses Ph\u00e4nomens reagiert der eigenst\u00e4ndige Halbleiter auf Lichtwellen verschiedener Wellenl\u00e4ngen in der Weise, dass der spezifische Widerstand und folglich der Widerstand umso st\u00e4rker abnimmt, je h\u00f6her die Lichtintensit\u00e4t ist. Aus dieser Beschreibung des Ph\u00e4nomens folgt, dass die Eigenschaften eines Fotolacks (sein Widerstand in Abh\u00e4ngigkeit von der Intensit\u00e4t des auf die Oberfl\u00e4che seiner \u00e4u\u00dferen Struktur einfallenden Lichts) die Form einer hyperbolischen Kurve haben, die eine umgekehrte Proportionalit\u00e4t des Widerstands zur Lichtintensit\u00e4t aufweist. Vereinfacht ausgedr\u00fcckt: Wenn man die Sonden eines Digitalmessger\u00e4ts (das auf Ohmmeter-Modus eingestellt ist) an die Leitungen eines Fotowiderstands anschlie\u00dft und in einem gut beleuchteten Raum die Oberseite des Fotowiderstands mit der Hand abdeckt, kann man auf dem Display des Messger\u00e4ts beobachten, dass der Widerstandswert abnimmt, wenn der Fotowiderstand allm\u00e4hlich der Lichtquelle ausgesetzt wird.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Fotoresistoren \u2013 Abh\u00e4ngigkeit der Empfindlichkeit von der Lichtwellenl\u00e4nge<\/h3>\n

Die Empfindlichkeit eines Fotowiderstands<\/b> \u00e4ndert sich mit der Wellenl\u00e4nge des Lichts, das auf ihn f\u00e4llt. Liegt der Wert der Wellenl\u00e4nge jedoch au\u00dferhalb eines bestimmten Bereichs, so hat dies keine Auswirkungen auf die Ver\u00e4nderung des Widerstandswerts dieses Fotowiderstands aufgrund seiner Konstruktion, da verschiedene Materialien unterschiedliche spektrale Ansprechcharakteristiken aufweisen, die die Abh\u00e4ngigkeit der Empfindlichkeit von der Lichtwellenl\u00e4nge verdeutlichen. Fotowiderst\u00e4nde aus nicht selbsthaltenden Halbleitern sind in der Regel f\u00fcr Schaltungen und Systeme vorgesehen, die in Umgebungen arbeiten, in denen die Wellenl\u00e4ngen des Lichts h\u00f6here Werte erreichen, als sie f\u00fcr das sichtbare Sonnenlicht typisch sind, und in den Bereich der Wellenl\u00e4ngen nahe dem Infrarot vordringen. In einer solchen Umgebung muss darauf geachtet werden, dass Ma\u00dfnahmen getroffen werden, um eine \u00fcberm\u00e4\u00dfige W\u00e4rmeentwicklung zu vermeiden, die die Widerstands\u00e4nderung des Fotowiderstands ernsthaft beeintr\u00e4chtigen und die Messung durch eine teilweise oder vollst\u00e4ndige Verschlechterung der Eigenschaften seiner Struktur verf\u00e4lschen kann <\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Empfindlichkeitsparameter, Latenzph\u00e4nomen und M\u00e4ngel von Fotoresistoren<\/h3>\n\n\n

\nIm Gegensatz zur Fotodiode, Fototransistor und Optokoppler reagieren Fotowiderst\u00e4nde 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 Elektronenl\u00f6chern \u00fcber einen p-n-\u00dcbergang steuern, w\u00e4hrend Fotowiderst\u00e4nde eigentlich passive Elemente mit einem viel einfacheren Mechanismus der elektrischen Leitf\u00e4higkeit sind. Auch wenn die Lichtintensit\u00e4t einen konstanten Wert hat, kann sich der Widerstandswert aufgrund von Temperaturschwankungen \u00e4ndern. Aus diesem Grund eignen sich Fotowiderst\u00e4nde nicht sehr gut f\u00fcr den Einsatz in Pr\u00e4zisionslichtmessger\u00e4ten. Eine interessante Eigenschaft von Fotowiderst\u00e4nden ist die Latenzzeit, d. h. die Zeit, die zwischen einer \u00c4nderung der Eigenschaften der Lichtquelle (und vor allem ihrer Intensit\u00e4t) und einer \u00c4nderung des Widerstands des Fotowiderstands vergeht. Der Parameter, der dieses Ph\u00e4nomen beschreibt, ist die Reaktionszeit des Fotowiderstands. In den meisten F\u00e4llen liegt diese Zeit zwischen einigen Millisekunden und einigen zehn Millisekunden f\u00fcr die \u00c4nderung des Widerstandswerts von einem Maximum zu einem Minimum, d. h. durch eine schnelle Belichtung des Fotowiderstands von v\u00f6lliger 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 Fotowiderst\u00e4nde nicht pr\u00e4zise genug f\u00fcr Anwendungen, bei denen es darum geht, schnelle \u00c4nderungen der Lichtintensit\u00e4t im kurzen Zeitbereich zu erfassen. In der Audiotechnik wird diese Unvollkommenheit jedoch gerne f\u00fcr Effekte wie Kompressoren und Limiter genutzt, die einen voreingestellten Audiosignalpegel stabilisieren sollen.\n<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Fotowiderst\u00e4nde<\/h4>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Physikalisch-chemische Eigenschaften und Ablauf des Herstellungsprozesses von Fotoresistoren<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Im Jahr 1873 entdeckte der britische Elektroingenieur Willoughby Smith bei seinen wissenschaftlichen Forschungen, dass Selen fotoelektrische Eigenschaften aufweist, was den Ansto\u00df gab, das Ph\u00e4nomen der Fotoleitf\u00e4higkeit 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 f\u00fcr Anwendungen im Bereich der Fotoleitf\u00e4higkeit eingesetzt. Moderne Fotowiderst\u00e4nde 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 anschlie\u00dfend bei hoher Temperatur gesintert. Die Anordnung der lichtempfindlichen Elektroden auf der Oberfl\u00e4che des Fotoresistors erfolgt durch Aufdampfen d\u00fcnner Halbleiterschichten in Form von K\u00e4mmen, die durch eine lichtempfindliche Schicht getrennt sind. Die Endanschl\u00fcsse des Fotowiderstands werden dann mit den Elektroden verbunden, und die Elektroden und die lichtempfindliche Oberfl\u00e4che werden durch eine transparente Schutzschicht gesch\u00fctzt, die normalerweise aus Glas oder Kunststoff besteht. Die spektralen Eigenschaften von Cadmiumsulfid liegen innerhalb der spektralen Eigenschaften des menschlichen Sehverm\u00f6gens. Dieses Material ist am empfindlichsten f\u00fcr Lichtwellenl\u00e4ngen im Bereich von 500 \u2013 600 nm, die im Spektrum des f\u00fcr das menschliche Auge sichtbaren Lichts (380 \u2013 750 nm) enthalten sind. <\/p>\n

Nach der RoHS-Richtlinie (Risk of Hazardous Substances<\/em>) geh\u00f6ren Blei und Cadmium zu den umweltsch\u00e4dlichen Stoffen, deren Verwendung bei der Herstellung von Elektronik in einigen L\u00e4ndern gesetzlich verboten ist.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Fotowiderst\u00e4nde in Anwendungen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Am h\u00e4ufigsten werden Fotowiderst\u00e4nde als Lichtsensoren eingesetzt. In ihrer einfachsten Anwendung dienen sie dazu, die An- oder Abwesenheit von Licht festzustellen, aber sie k\u00f6nnen auch f\u00fcr einfache Anwendungen zur Messung der Lichtintensit\u00e4t verwendet werden \u2013 Fotolichtmesser und D\u00e4mmerungssensoren, die das Ein- und Ausschalten der Stra\u00dfen- und Parkbeleuchtung steuern, sind beliebte Beispiele. Fotowiderst\u00e4nde werden auch h\u00e4ufig bei der Konstruktion von Robotern verwendet<\/em>, die an Wettbewerben und Wettk\u00e4mpfen teilnehmen. In diesen F\u00e4llen arbeiten Fotowiderst\u00e4nde mit LEDs zusammen, um ein einfaches Navigationssystem zu schaffen, das dem Steuersystem des Roboters mitteilt, dass er die Richtung \u00e4ndern soll, damit er dem Weg folgt, auf dem der Roboter fahren soll. <\/p>\n

Bei elektronischen Systemen, die so konzipiert sind, dass sie Licht als Ausl\u00f6ser f\u00fcr das Ein- oder Ausschalten von Schaltkreisen erkennen, ist es in der Regel m\u00f6glich, die Einstellung der Ausl\u00f6seschwelle zu \u00e4ndern. Dazu wird ein Einstellpotentiometer mit dem Fotowiderstand in Reihe geschaltet, mit dem die Eigenschaften des Fotowiderstands verschoben werden k\u00f6nnen, wodurch der Schwellenwert des Stroms in seinem Stromkreis ver\u00e4ndert wird, bei dessen \u00dcberschreitung ein Spannungsabfall im gesteuerten Stromkreis auftritt, der dessen Ein- oder Ausschalten bewirkt \u2013 z. B die Spule eines Relais oder das Gate eines MOSFET-Transistors, der den Strom im Beleuchtungskreislauf des Innenraums einer K\u00fchltruhe steuert. Bei solchen und \u00e4hnlichen Anwendungen ist es auch m\u00f6glich, einen Fotowiderstand an den Eingang eines ADC in einem Mikrocontroller anzuschlie\u00dfen und \u00fcber einen Eingangs-Prescaler in einem Timer programmatisch einen Bitwert einzustellen, der einer Schwellenspannung entspricht, bei deren \u00dcberschreitung das Programm einen Befehl ausf\u00fchren muss, um ausgew\u00e4hlte digitale Pins (an die z. B. die Relais von Netzwerkschaltungen angeschlossen sind) auf einen hohen Zustand zu setzen. Fotowiderst\u00e4nde werden auch gerne in der Studiotechnik und Musikelektronik in Ger\u00e4ten wie Kompressoren und Audiobegrenzern eingesetzt. <\/p>\n

Der Zweck solcher Ger\u00e4te besteht darin, den Eingangspegel des Verst\u00e4rkers in Echtzeit zu korrigieren, wenn der Spitzenwert des Audiosignals einen voreingestellten Schwellenwert \u00fcberschreitet. Dies geschieht durch Verst\u00e4rkung derjenigen Oberwellen des Signals, deren Amplitude einen voreingestellten Schwellenwert nicht \u00fcbersteigt, so dass eine \u00dcbersteuerung von Oberwellen mit einem Spitzenwert, der in der N\u00e4he der voreingestellten Ausl\u00f6seschwelle des Kompressors schwankt, verhindert wird. Solche Ger\u00e4te verwenden zur Realisierung der Audiosignalkompressionsschaltung einen Optokoppler<\/em>, d. h. einen in einem Lichtschutzgeh\u00e4use eingeschlossenen Fotowiderstand zusammen mit einer LED, die mit der Signalquelle verbunden ist. \u00c4nderungen in der Intensit\u00e4t des von der LED emittierten Lichts entsprechen dann \u00c4nderungen im Pegel des Audiosignals (der elektrischen Spannung, die dieses Signal widerspiegelt). Aufgrund des Latenzph\u00e4nomens in Fotowiderst\u00e4nden wird der Anstieg und Abfall des Audiosignals gegl\u00e4ttet. Bei solchen Anwendungen liegt die optimale Latenzzeit innerhalb von 100 ms. Das Audiosignal ist dann praktisch frei von ungewollten Verzerrungen.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Fotowiderstand – FAQ<\/h2>\n\n
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