Lichtabhängige Widerstände sind eine einfache Lösung, um auf Helligkeitsänderungen zu reagieren. Laß uns ihre Eigenschaften entdecken!
Lichtabhängige Widerstände
Lichtabhängige Widerstände (LDRs) oder Fotowiderstände sind elektrische Bauteile, deren Widerstand sich mit der Lichtintensität ändert. LDRs sind einfach zu verwenden und in vielen Hobby-Projekten zu finden.
In diesem Tutorial werden wir uns ansehen, wie LDRs funktionieren und wie sie verwendet werden können. Um deutlich zu machen, dass LDRs auf Licht reagieren, werden sie als ein Widerstand mit zwei einfallenden Lichtstrahlen symbolisiert. Das in Schaltplänen verwendete Symbol für die Schaltung ist in der Abbildung unten dargestellt. Wie immer gibt es eine ANSI- und eine IEC-Variante des Symbols. Zusätzlich gibt es auch Varianten, bei denen der Kreis weggelassen wird.
Widerstandsverhalten
LDRs sind Halbleiterbauelemente und machen sich den sogenannten Photoelektrischen Effekt zunutze. Wie im Hintergrundtutorial über Halbleiter erläutert, können die Photonen des einfallenden Lichts Elektronen aus dem Valenz- in das Leitungsband anregen, wodurch sich die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials erhöht.
LDRs werden typischerweise aus undotiertem Halbleitermaterial hergestellt. Sie bestehen aus einem dünnen amorphen Film aus Cadmiumsulfid (CdS) auf einer Keramikplatte. Dies ist der Typ von Fotowiderständen, auf den wir uns in diesem Tutorial konzentrieren werden. Es gibt auch extrinsische Fotowiderstände, die dotiertes Silizium oder Germanium verwenden. Diese Fotowiderstände werden hauptsächlich zur Erfassung von Infrarotlicht verwendet. Es ist wichtig zu betonen, dass Fotowiderstände im Gegensatz zu Fotodioden und Fototransistoren keinen p-n-Übergang aufweisen. Fotowiderstände sind passive Bauelemente.
Der Vorteil von LDRs, die CdS verwenden, besteht darin, dass sie eine ähnliche Empfindlichkeit für die verschiedene Wellenlängen des Lichts haben wie das menschliche Auge. Dadurch sind sie für Umgebungslichtmessungen geeignet. Selbst wenn diese LDRs kein dotiertes Halbleitermaterial verwenden, beeinflussen die Verunreinigungen und Korngrenzen in der amorphen CdS-Schicht ihr fotoleitendes Verhalten stark. Ein dadurch verursachter Effekt ist, dass LDRs eine ziemlich langsame Reaktionszeit im Bereich von zehn bis mehreren hundert Millisekunden haben. Insbesondere die Erholung nach einem Wechsel vom beleuchteten in den dunklen Zustand dauert einige Zeit. Die genaue Reaktionszeit hängt vom genutzten Herstellungsverfahren ab.
Der Widerstand von LDRs variiert stark über den Bereich der möglichen Lichtintensitäten. Ihr Widerstand beträgt im Dunkeln mehrere hundert Megaohm und bei hellem Licht nur wenige hundert Ohm. Bei normalen Lichtverhältnissen liegt der Widerstand in der Größenordnung von 10 kΩ. Die Widerstandskurve ist stark nichtlinear. Die Widerstandsänderung wird mit zunehmender Helligkeit immer geringer. Dieses Verhalten ist in der Praxis jedoch durchaus nützlich, da auch unsere menschliche Wahrnehmung von Lichtintensitäten nichtlinear ist.
Es gibt allerdings auch eine Sache, die überhaupt nicht nützlich ist. Wie alle Halbleiter reagieren auch LDRs auf Temperaturänderungen. Sie weisen eine hohe Temperaturabhängigkeit auf. Für genaue Messungen muss eine Temperaturkompensation durchgeführt werden. Zusätzlich gibt es eine hohe Bauteilvarianz zwischen verschiedenen LDRs. Dies erfordert die Kalibrierung jedes einzelnen Sensors, um genaue Messungen zu ermöglichen. Die typischen Anwendungsbereiche für LDRs erfordern jedoch meist ohnehin keine große Genauigkeit.
Einsatzbereiche
Ein typisches Anwendungsbeispiels für LDRs sind Dämmerungsschalter, wie sie in Straßenlaternen oder Nachtlichtern zu finden sind. Sie wurden darüber hinaus auch in Alarmsystemen, Rauchmeldern und ähnlichen Systemen verwendet, die mit einer Lichtschranke arbeiten. Obwohl sie immer noch eine billige und einfache Lösung sind, werden sie heute nicht mehr häufig verwendet. Das liegt daran, dass sie aufgrund der Verwendung des Schwermetalls Kadmium nicht ROHS-konform sind. Aus diesem Grund sind sie für neue Produkte nicht zugelassen und wurden weitgehend durch Fotodioden und Fototransistoren ersetzt.
Um LDRs in einer Schaltung zu verwenden, kann man einen einfachen Spannungsteiler aufbauen, wie es im untenstehenden Schaltplan dargestellt ist. Bei normalen Lichtverhältnissen genügt ein 10 kΩ Widerstand für R2. Für mehr Flexibilität kann man auch ein 100 kΩ Potentiometer als Varistor verwenden. Der Spannungsteiler wird typischerweise zusammen mit einem Analogkomparator oder einer einfachen Transistorschaltung verwendet. Wie man solche Schaltungen aufbaut, werden wir in einem der kommenden Tutorials lernen. Natürlich kann man den Ausgang des Spannungsteilers auch an einen analogen Pin eines Arduinos anschließen und den integrierten ADC für die Messung und Reaktion auf Helligkeitsänderungen verwenden.
Dies wurde haben wir beispielsweise im Rahmen der Arduino-Einführungsserie im Tutorial zu analogen Eingängen umgesetzt.
LDRs sind aufgrund der großen Bauteilvarianz und Temperaturabhängigkeit nicht für präzise Lichtintensitätsmessungen geeignet. Aus diesem Grund interessiert uns die genaue Widerstandskurve in der Regel nicht wirklich und wir setzen sie nur für Anwendungen ein, die keine Messung von absoluten Lichtintensitätswerten erfordern. Nichtsdestotrotz wurden LDRs in Belichtungsmessern für die Fotografie eingesetzt. Auch wenn sie nicht so genau wie andere Sensoren sind, erlauben sie eine weitaus genauere Beurteilung der Lichtstärke, als wir es mit unserem subjektiven Eindruck tun könnten. Es versteht sich von selbst, dass ein solcher Anwendungsfall eine Kalibrierung des verwendeten LDRs erfordert.
Ich würde dir empfehlen, für diese Art von Anwendungen einen digitalen Umgebungslichtsensor zu verwenden. Diese Sensoren nutzen intern eine Fotodiode oder einen Fototransistor und liefern einen Ausgangswert in Lux, ohne dass komplexe Berechnungen und Temperaturkorrekturen erforderlich sind. Die Mathematik hinter Lichtintensitätsmessungen ist ziemlich kompliziert. Für die Berechnung der Lichtintensität in Lux muss die Intensität für verschiedene Wellenlängen entsprechend der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gewichtet werden. Wenn die Sensorempfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen nicht genau der Empfindlichkeit des menschlichen Auges entspricht, müssen zusätzliche Farbfilter eingesetzt werden, um z.B. UV- und Infrarotlicht auszufiltern, und wahrscheinlich sind auch noch weitere mathematische Berechnungen erforderlich. Digitale Sensoren erledigen in der Regel all dies für dich. Sie sind somit eine gute Wahl, falls man wirklich einmal absolute Lichtintensitätswerte benötigt.
LDRs sind wegen ihrer langsamen Reaktionszeit ebenfalls nicht für Datenübertragungen geeignet. Für diese Anwendungen sind Fotodioden und Fototransistoren die bessere Wahl. Der IR-Empfänger, der in der Arduino-Einführungsserie verwendet wird, ist ein perfektes Beispiel dafür. Neben zusätzlicher Verstärkungs-, Filter- und Datendemodulationslogik nutzt er eine IR-Fotodiode für den Datenempfang.
