Fotowiderstand

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Fotowiderstand: runde Scheibe mit mäanderförmiger Fotoleiterschicht
CdS-Fotowiderstand, unten das Schaltsymbol
Fotowiderstand-Schaltsymbol: wie Widerstandssymbol, jedoch zusätzlich zwei Pfeile zur Veranschaulichung des Lichteinfalls

Ein Fotowiderstand, auch Photowiderstand oder LDR von englisch Light Dependent Resistor, ist ein lichtempfindliches elektrisches Bauelement.

Je mehr Licht auf den Fotowiderstand fällt, desto kleiner wird sein elektrischer Widerstand. Die Ursache für diese Funktion ist der innere fotoelektrische Effekt in einer Schicht, die aus einem amorphen Halbleiter besteht. Im Vergleich zu anderen Lichtsensoren reagieren Fotowiderstände sehr langsam.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fotowiderstand aus Cadmiumselenid

Auf eine Keramik-Unterlage wird eine dünne Schicht aus dem fotosensitiven Halbleitermaterial aufgebracht, indem ein Pulver aufgesintert wird[1]. Die elektrischen Anschlüsse bestehen aus zwei anschließend aufgebrachten kammartigen Metallflächen, die sich gegenüberstehen. Dadurch hat die Struktur der lichtempfindlichen Schicht die Form eines Mäanders, der quer zum Verlauf vom Fotostrom durchflossen wird.

Die gesamte Anordnung wird mit Anschlussdrähten versehen und mit transparentem Kunstharz beschichtet oder vergossen. Auch hermetisch dichte Metallgehäuse mit Glasfenster und Glasdurchführungen sind gebräuchlich.

Materialien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fotowiderstände bestehen oft aus einer Cadmiumsulfid- (CdS) oder Cadmiumselenid-Schicht (CdSe), die etwa die gleiche Farbempfindlichkeitskurve wie das menschliche Auge oder Fotofilme hat.

Cadmiumsulfid weist bei einer Wellenlänge von 520 nm, Cadmiumselenid bei 730 nm die maximale Empfindlichkeit auf.

Für Infrarot werden Materialien wie Bleisulfid (spektrale Empfindlichkeit bei Wellenlängen von 0,3 bis 3,5 µm) und Indiumantimonid (Wellenlänge 4,5 bis 6,5 µm) verwendet[2].

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typische Kennlinie eines Fotowiderstandes nach [3]

Bei Halbleitern, die für LDRs geeignet sind, wird nicht der normale innere Fotoelektrische Effekt, sondern Übergänge zu Störstellen genutzt. Wenn durch das Licht eine Störstelle ionisiert wird, wirkt diese für einige Millisekunden wie eine Dotierung und erhöht die elektrische Leitfähigkeit. Durch die relativ lange Zeit, die es dauert, die Störstelle wieder zu neutralisieren, erhält man eine hohe Empfindlichkeit, aber auch die langsame Reaktion. Wegen der Beteiligung der Störstellen ist die Fotoleitung nicht nur vom Basismaterial, sondern auch von der Mikrostruktur und von Verunreinigungen abhängig. Der verwendete Halbleiter muss nicht amorph sein.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenige, auch nach langer Abdunkelung verbleibende, freie Ladungsträger verursachen einen Dunkelstrom. Dieser kann durch niedrigere Temperatur verringert werden.

Fotowiderstände werden durch folgende Parameter gekennzeichnet:

  • Dunkelwiderstand (Widerstandswert des Fotowiderstands bei Dunkelheit), typisch 1 MΩ bis 100 MΩ; wird erst nach mehreren Sekunden Dunkelheit erreicht
  • Hellwiderstand (Widerstandswert des Fotowiderstands bei 1000 lx), typisch 100 Ω bis 2 kΩ
  • Ansprechzeit (Zeit, die nach Einschalten einer Beleuchtungsstärke von 1000 Lux nach Dunkelheit vergeht, bis der Strom 65 % seines spezifizierten Wertes erreicht hat), typischer Wert 1 bis 3 ms
  • Spektralbereich (materialabhängige spektrale Empfindlichkeitskurve)

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

CdS- und CdSe-Fotowiderstände werden beispielsweise in Belichtungsmessern und in Dämmerungsschaltern eingesetzt, um mit geringem technischem Aufwand auch geringe Beleuchtungsstärken messen zu können – die spektrale Empfindlichkeit stimmt gut mit der Hellempfindlichkeitskurve des Auges überein. Die Verwendung bietet sich an, wenn keine schnellen Reaktionszeiten gefordert sind.

Die gekrümmte Kennlinie gestattet zum Beispiel, über 4 Größenordnungen die Beleuchtungsstärke anhand der Spannung an einem einfachen Spannungsteiler zu bestimmen.[3]

Da sich LDR träge sind und sich wie lineare ohmsche Widerstände verhalten, wurden Optokoppler mit Fotowiderständen in Audiokompressoren [1] und spannungsgesteuerten Filtern (z. B. Phaser) eingesetzt.

RoHS-Konformität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die EG-Richtlinie 2011/65/EU (RoHS 2)[4] schränkt die Verwendung von Gefahrenstoffen in Elektro- und Elektronikgeräten ein. Der Einsatz von cadmiumhaltigen Fotowiderständen in Produkten ist laut der geltenden Richtlinie in der EU nicht mehr erlaubt. Ausnahmen sind am 31. Dezember 2009 ausgelaufen.[5]

Ähnliche Bauteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: Fotowiderstände – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Mitteilung der Firma EETech Media, LLC. zu Fotowiderständen (englisch), abgerufen am 1. August 2020
  2. VALVO-Taschenbuch 1965
  3. a b https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/photocells.pdf Mitteilung der Firma Adafruit: Photocells, abgerufen am 1. August 2020
  4. Amtsblatt der Europäischen Union: Richtlinie 2011/65/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Juni 2011 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten.
  5. Amtsblatt der Europäischen Union: Entscheidung der Kommission vom 10. Juni 2009 zur Änderung des Anhangs der Richtlinie 2002/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates hinsichtlich der ausgenommenen Verwendungen von Blei, Cadmium und Quecksilber zwecks Anpassung an den technischen Fortschritt.