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.

Dämmerungsschalter mit Fotozelle EEN101

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 in 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.

     

    Skizze eines Schalters.

    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.

    Graphik des Steuerbereichs von Licht.

    Vorteile von Foto­wi­der­ständen Nach­teile von Foto­wi­der­ständen 
     preis­günstig herzu­stellen träge bei schnellem Licht­wechsel
     hohe Licht­emp­find­lich­keit Verzö­ge­rungen im Milli­se­kunden-Bereich
     auf defi­niertes Licht­spek­trum herstellbar  
     können in Gleich- und Wech­sel­strom­kreisen betrieben werden  

     

    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.

    Skizze einer Fotodiode mit Sperrschicht.

    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.

    Abbildung des Stromverlaufs in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke.
    Vorteile von Foto­di­oden: Nach­teile von Foto­di­oden:
     schnelle Reak­ti­ons­zeit von wenigen Nano­se­kunden geringe Sperr­strom­än­de­rungen
     sehr klein herstellbar 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.

    Schaltzeichen eines Fototransitors.

    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.

    Erstazschaltung eines NPN Fototransitors.
    Vorteile von Foto­tran­sis­toren:  Nach­teile von Foto­tran­sis­toren:
     hohe Licht­emp­find­lich­keit nicht linear zwischen Beleuch­tungs­stärke und Ausgangs­strom
     hoher Ausgangs­strom bin in mA-Bereich 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.

     

    Skizze eines Schalters.

    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.

     

    Skizze der Funktionsweise von Fotoelement und Solarzelle.

    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).

    Graphik des Zusammenhangs zwischen Leerlaufspannung und steigendem Lichteinfall.
    Vorteile von Foto­ele­menten und Solar­zellen: Nach­teile von Foto­ele­menten und Solar­zellen: 
    gut geeignet zur Erzeu­gung von Strom teuer in der Herstel­lung 
    gut geeignet zur Erzeu­gung von Warm­wasser 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 rechts in der Abbil­dung ist witte­rungs­be­ständig und für den Außen­be­reich einzu­setzen. Über die Anschluss­lei­tung wird die Foto­zelle mit dem Eingang des Dämme­rungs­schal­ters verbunden. Hierfür steht das Schalt­zei­chen , 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.

Dämmerungsschalter mit Fotozelle EEN101

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