Auf einen Blick

Lichtempfindliche Bauelemente

Lichtempfindliche Bauelemente sind heute nicht mehr wegzudenken. Man findet sie im Wohnbau, in der Mess- und Steuerungstechnik sowie in der digitalen Fotografie und Videotechnik.

Wie funktionieren sie?

Prinzipiell gilt, dass ein lichtempfindliches Bauelement aus zwei Ressourcen besteht (Licht und Halbleiterwerkstoffe). Dazu werden, wie der Name schon sagt, das „Licht“ sowie Halbleiterwerkstoffe benötigt. Dazu jeweils eine kurze Erläuterung.

Licht

Eine Lichtquelle sendet Photonen in elektromagnetischen Wellen aus. Photonen sind Lichtquanten, die eine bestimmte Lichtenergie in sich tragen. Je kürzer die Frequenz ist mit der die Wellen ausgesandt werden, umso mehr Energie tragen die Photonen. Hiervon hängt auch die Farbe des Lichtes ab die wir wahrnehmen. So hat blaues Licht mehr Energie als rotes Licht.

Wellenlänge

Die von der Lichtquelle ausgesandten Wellen aus Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Sie werden periodisch, also immer wieder ausgesandt. Die Zeit einer Periode wird als Wellenlänge bezeichnet und in Nanometer gemessen (1nm = 0,000001cm).

Das Lichtspektrum:

Das menschliche Auge kann nur das Licht in einem bestimmten Lichtspektrum von 380nm bis 780nm wahrnehmen. Darunter befindet sich der Ultraviolette Bereich (UV) mit sehr hoher Energie. Darüber ist der Infrarote Bereich (IF) mit sehr wenig Energie.

Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke (Lux, lx) ist der Parameter, der für die lichtempfindlichen Bauelemente von Bedeutung ist. Hier einige Beispiele für verschiedene Beleuchtungsstärken:

Beleuchtungsstärke in lx Quelle
0,25 Vollmondnacht
1 eine Kerze
50 Beleuchtung in Lokalen
500 Beleuchtung von Büros
1000 Beleuchtung von Montageplätzen für Kleinteile
10.000 Sommertag im Schatten
100.000 Sommertag in der Sonne

Parameter des Lichtes:

  • Die Wellenlänge, sprich der sichtbare Bereich, wird in nm (Nanometer) angegeben
  • Die Lichtmenge, sprich der Lichtstrom, den eine Leuchtquelle abgibt, wird in lm (Lumen) angegeben
  • Die Ausbreitung des Lichtstromes in einem bestimmten Raumwinkel wird in cd (Candela) angegeben
  • Die Beleuchtungsstärke, sprich die Fläche, die vom Licht bestrahlt wird, wird in lx (Lux) angegeben

Halbleiterwerkstoffe

In technischen Bereichen verwendet man als Halbleitermaterialien hauptsächlich Grundstoffe wie Silicium, Germanium oder chemische Verbindungen, die in einem Gitter wie bei einem Diamanten angeordnet sind. Deswegen sind bei allen Halbleitern die Elektronen fest an die Atomkerne gebunden. Es gibt keine freien Elektronen wie bei metallischen Leitern (gute Leiter). Deswegen kann theoretisch kein Strom durch Halbleiter fließen. Durch minimale Verunreinigung wird jedoch ein kleiner Stromfluss messbar sein. In der Praxis haben Halbleiter eine wesentlich kleinere Leitfähigkeit als metallische Leiter, jedoch eine größere als reine Isolierstoffe, daher auch der Begriff Halbleiter. Bei der Herstellung von Bauteilen werden Halbleiterwerkstoffe gezielt mit bestimmten Materialien verunreinigt. Dieser Vorgang nennt sich Dotieren. Dabei können Halbleiter mit Elektronenüberschuss als n-leitende oder mit Löcherüberschuss als p-leitende Halbleiter hergestellt werden. Ein Beispiel für einen Halbleiterwerkstoff in Verbindung mit seiner Anwendung wäre:
Silicium (Si)-Dioden, Transistoren, Solarzellen

Welche Bauelemente gibt es?

Der Fotowiderstand (LDR)

Der Light Dependent Resistor ist ein lichtabhängiger Widerstand und besteht aus Mischkristallen verschiedener Halbleiter, jedoch ohne Sperrschicht. Je nach Lichtempfindlichkeit der Halbleiter gibt es spezielle Halbleitermischungen, um ihren Effekt zu verstärken.

Funktion:

Die Funktion des LDR basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Fällt hierbei Licht (Photonen) auf das lichtempfindliche Halbleitermaterial, dann werden Elektronen aus ihren Kristallen herausgelöst (Paarbildung). Der LDR wird leitfähiger, somit sein Widerstand kleiner. Je mehr Licht auf den LDR fällt, desto kleiner wird sein Widerstand und desto größer der elektrische Strom. Im Gegenzug, je weniger Licht, desto höher der Widerstand und desto kleiner der Strom. Wichtig: Der Fotowiderstand ist nicht für alle Wellenlängen gleich empfindlich. So gibt es für einen bestimmten Anwendungsbereich wie z. B. UV- und Infrarotbereich auch spezielle Fotowiderstände.

In der Grafik ist der Widerstandsverlauf in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke Lux (lx) zu sehen. Man erkennt einen nicht linearer Verlauf sowie die beiden schwarzen Linien ober- und unterhalb der roten Linie. Dies ist der Streubereich des LDR. Dieser wird durch die Trägheit des Bauteils und durch Temperatureinflüsse hervorgerufen, nimmt aber mit zunehmender Beleuchtungsstärke ab.

Vorteile von Fotowiderständen:

  • preisgünstig herzustellen
  • hohe Lichtempfindlichkeit
  • auf definiertes Lichtspektrum herstellbar
  • können in Gleich- und Wechselstromkreisen betrieben werden

Nachteile von Fotowiderständen:

  • träge bei schnellem Lichtwechsel
  • Verzögerungen im Millisekunden-Bereich

Anwendung

Fotowiderstände findet man als Belichtungsmesser in Kameras und in der Steuerungstechnik als Lichtsensoren für Dämmerungsschalter. Weiterhin werden sie als Sensoren für Lichtschranken und als Flammenwächter für Brandschutz verwendet.

Die Fotodiode

Die Fotodiode ist eine Halbleiterdiode, bei der die Sperrschicht von außen sichtbar und deshalb für auffallendes Licht erreichbar ist. Die Kennwerte sind in gewissen Grenzen abhängig von der Wahl der Halbleitermaterialien. Die Halbleiterkristalle inklusive der Anschlussdrähte sind in einem Plastik- oder Glasgehäuse mit Lichtöffnung zum Schutz verbaut. Für den Einsatz im UV- oder IR-Bereich muss also vor der Lichtöffnung mit durchlässigen Materialien gearbeitet werden.

Funktion:

Ist es vollständig dunkel, so ist das Verhalten gleich einer normalen Diode. Sprich: Legen wir den positiven Pol der Spannung an die Anode (+) und den negativen Pol der Spannung an die Kathode (–), so befindet sich die Diode in Durchlassrichtung. Die Sperrschicht nimmt also so weit ab, dass Strom beim Überschreiten der Schwellenspannung von ca. 0,6 – 0,7 V fließen kann. Bei umgekehrter Polarität baut sich die Sperrschicht noch weiter auf. Die Diode befindet sich in Sperrrichtung.

Die Photonen sind bei Lichteinfall in der Lage, das Kristallgefüge der Sperrschicht zu stören. Dies führt dazu, dass freie Elektronen und Löcher entstehen und somit ein Stromfluss durch die Sperrschicht möglich ist. Wichtig: Die Fotodiode ist nicht für alle Wellenlängen gleich empfindlich, hat jedoch einen größeren Bereich als der Fotowiderstand. So lässt sich je nach Verwendung die Empfindlichkeit durch die Auswahl der Halbleitermaterialien bestimmen.

In der Grafik ist der Stromverlauf in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke lx zu sehen. So ist anhand des nahezu linearen Verlaufs zu erkennen, dass der Sperrstrom von unter 1 µA bei Dunkelheit bis zu einigen hundert µA Hellstrom ansteigen kann.

Vorteile von Fotodioden:

  • schnelle Reaktionszeit von wenigen Nanosekunden
  • sehr klein herstellbar

Nachteile von Fotodioden:

  • geringe Sperrstromänderungen
  • kann nicht in Wechselspannung betrieben werden

Anwendung:

Die wohl bekannteste Anwendung ist die Nutzung im TV- und Audiobereich als IR-Empfänger für digitale Infrarotimpulse der Fernbedienungen. Auch eignen sie sich als Lichtsensor bei Messgeräten, da Fotodioden einen nahezu linearen Verlauf besitzen. Auch in Lichtschranken, in der Steuerungstechnik und der Digitalfotografie werden sie eingesetzt.

Der Fototransistor

Der Fototransistor ist mit einem normalen Bipolartransistor vergleichbar. Allerdings wird durch eine Gehäuseöffnung Lichteinfall auf die Basissperrschicht ermöglicht. Bei manchen Typen wird zusätzlich ein Anschlussdraht nach außen geführt, um den Arbeitspunkt mit einer Vorsteuerung festzulegen. Die Halbleiterkristalle werden in einem Kunststoff- oder Metallgehäuse mit Lichteinfallscheibe gefertigt.

Funktion:

Ist es vollständig dunkel, so ist das Verhalten gleich einem normalen Transistor. Legen wir bei einem NPN-Transistor an den Kollektoranschluss eine positive und an den Emitteranschluss eine negative Spannung an und lassen dabei den Basisanschluss unbeschaltet, so wird weder am Kollektor noch am Emitter ein Stromfluss stattfinden. Die Kollektor-Emitter-Strecke ist „gesperrt“. Wird nun in die Basis ein kleiner, langsam steigender Steuerstrom eingespeist, so wird die Kollektor-Emitter-Strecke mit steigendem Steuerstrom immer leitfähiger. Daraus folgt auch ein steigender Kollektorstrom, allerdings ist er um ein Vielfaches höher als der Basisstrom. Dieser Effekt wird als Stromverstärkung eines Transistors bezeichnet. Der Kollektorstrom kann dabei, je nach Stromverstärkungsfaktor, mehrere hundertmal größer sein als der Basisstrom.

Bei langsam steigendem Lichteinfall auf die Basissperrschicht wird mit zunehmender Beleuchtungsstärke die Kollektor-Emitter-Strecke immer leitfähiger, was einen Anstieg des Kollektorstromes bewirkt.
Zum Verständnis das folgende Ersatzschaltbild:

Der Fototransistor kann wie eine Zusammenschaltung aus einer Fotodiode mit einem Transistor betrachtet werden. Die Fotodiode wird dabei als lichtgesteuerte Stromquelle betrieben.

Vorteile von Fototransistoren:

  • hohe Lichtempfindlichkeit
  • hoher Ausgangsstrom bis in mA-Bereich

Nachteile von Fototransistoren:

  • nicht linear zwischen Beleuchtungsstärke und Ausgangsstrom
  • bei schnellem Lichtwechsel leichte Verzögerung

Anwendung:

Der Fototransistor findet sich in Überwachungs- und Regelkreisen wieder. Durch die hohe Lichtempfindlichkeit wird er oftmals in Lichtschranken eingesetzt, da er auf kleinste Lichtimpulse reagiert.

Fotoelemente und Solarzelle

Das Siliziumfotoelement besteht aus einer p-leitenden Silizium-Trägerplatte mit einer dünnen, nur etwa 1 bis 2 μm eindotierten n-leitenden Zone. Zum Schutz wird die dünne n-leitende Schicht mit einer Glasscheibe oder einer durchsichtigen Kunststoffmasse überzogen.

Funktion:

Zwischen der p- und der n-Zone bildet sich ein elektrisches Feld. Tritt nun Licht in dieses Feld, so werden die Kristallbindungen gestört und es können freie Elektronen und Löcher entstehen. Die freien Elektronen wandern in den oberen Bereich der n-Zone, während sich die Löcher in der unteren p-leitenden Trägerplatte verdichten. Durch Anschlüsse an der p- und der n-Zone kann eine Spannung entnommen werden. Solarzellen zählen zu den Energiewandlern. Sie sind in der Lage, das einfallende Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei gibt es wie bei allen Spannungsquellen eine innere Leerlaufspannung und einen inneren Widerstand.

Die Grafik zeigt, wie die Leerlaufspannung mit steigendem Lichteinfall steigt (aber bis zu einem Maximum von ca. 0,58 V bei 1000 lx). Der Spannungsanstieg ist nicht linear (rote Kurve). Der innere Widerstand ist von der wirksamen Fläche des Fotoelementes abhängig. Je größer diese Fläche ist, desto geringer ist der Innenwiderstand, wodurch mehr Strom entnommen werden kann. Wird ein Fotoelement im Kurzschluss betrieben, so steigt dieser Kurzschlussstrom mit der einfallenden Lichtmenge linear an (blaue Kurve).

Vorteile von Fotoelementen und Solarzellen:

  • gut geeignet zur Erzeugung von Strom
  • gut geeignet zur Erzeugung von Warmwasser

Nachteile von Fotoelementen und Solarzellen:

  • teuer in der Herstellung
  • schwierige Entsorgung

Anwendung:

Fotoelemente findet man heutzutage überall wieder. Werden Geräte mit geringem Energiebedarf benötigt, so eignen sie sich für Taschenrechner oder Uhren. Ein kleiner Trend entwickelte sich im Gartenbereich: Hier werden Beleuchtungseinrichtungen mit Solarenergie betrieben. Dabei wird tagsüber ein Akku aufgeladen, der sich nachts über eine LED wieder entlädt.

Die leistungsfähigeren Solarzellen werden für die Fotovoltaik - in vielfacher Reihen- und Parallelschaltung - zu großflächigen Solarmodulen aufgebaut. Damit lassen sich bei direkter Sonneneinstrahlung Spannungen von mehreren hundert Volt und Ströme von vielen Ampere gewinnen. Diese Energie wird mit speziellen „Zerhackern“ in Wechselspannung umgesetzt und in das Netz eingespeist.

Lichtsensoren in der Praxis

In der Praxis kommen Lichtsensoren in unterschiedlichster Weise zum Einsatz. Ein gutes Beispiel ist hierzu der Dämmerungsschalter.

Der Dämmerungsschalter

Ein Dämmerungsschalter misst über eine Fotozelle, die Beleuchtungsstärke. Er steuert auch in Abhängigkeit vom Tageslicht und von dem vom Benutzer eingestellten Schwellenwert die Beleuchtung. Damit lassen sich Beleuchtungskosten deutlich senken.

Die Fotozelle links in der Abbildung ist witterungsbeständig und für den Außenbereich einzusetzen. Über die Anschlussleitung wird die Fotozelle mit dem Eingang des Dämmerungsschalters verbunden. Hierfür steht dieses Schaltzeichen (rechts), das am Schalter zu erkennen ist. Über die beiden Drehregler lässt sich die gewünschte Empfindlichkeit zwischen 5 lx und 2000 lx einstellen. Eine automatische Verzögerung schützt bei schlagartigen Lichtveränderungen wie bspw. Blitzen oder Autoscheinwerfern.

Die neuen Dämmerungsschalter benötigen nur noch eine Platzeinheit im Verteilerschrank. Gleichzeitig wurde ihr Einsatzspektrum durch verbesserte Technik erweitert. Somit sind sie ideal sowohl für den gewerblichen als auch für den privaten Bereich.

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