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Ratgeber
Lichtsensoren begleiten uns in vielen Lebenssituationen. Von der Kamera im Smartphone über den Dämmerungsschalter zu Hause bis zur Lichtschranke am Aufzug. Dass diese Sensoren heute omnipräsent sind, ist nicht zuletzt Albert Einstein zu verdanken, der für die Erklärung des "photoelektrischen Effekts" 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt. Lesen Sie hier, welche Lichtsensoren den Markt dominieren, wie sie funktionieren und wie ihr praktischer Einsatz aussieht.
So funktionieren Lichtsensoren
Licht hat die merkwürdige Eigenschaft, sowohl aus Wellen als auch aus Teilchen zu bestehen, Experten bezeichnen dies als Welle-Teilchen-Dualismus. Für Lichtsensoren spielt beides eine Rolle: Über die Wellenlänge definiert sich jener Teil des elektromagnetischen Spektrums, auf den das Halbleitermaterial des Sensors grundsätzlich anspricht. Die Energie der Lichtteilchen (Photonen) wird dabei im Halbleiter absorbiert – Strom fließt.
Marktbeherrschend sind derzeit drei Typen von Lichtsensoren: Fotodioden, Fototransistoren und Fotowiderstände.
Fotodioden
Fotodioden sind Bauelemente, die Licht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Sie können optische Filter und eingebaute Linsen enthalten und ähneln normalen Halbleiterdioden. Viele Dioden, die speziell für den Einsatz als Lichtsensor entwickelt wurden, verwenden einen p-i-n-Übergang anstelle eines p-n-Übergangs, um die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen. Eine Fotodiode ist für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt.
Fototransistoren
Mit Fototransistoren werden lichtempfindliche Transistoren bezeichnet. Sie besitzen ein transparentes Gehäuse, sodass Licht den Basis-Kollektor-Übergang erreichen kann. Die an diesem Übergang erzeugten Elektronen werden in die Basis injiziert und durch den Transistoreffekt verstärkt. Bei Nutzung lediglich der Basis- und Kollektorleitungen wird der Fototransistor zur Fotodiode.
Fototransistoren besitzen zwar gegenüber reinen Fotodioden eine höhere Empfindlichkeit für Licht, können aber niedrige Lichtpegel nicht besser erkennen als Fotodioden. Nachteilig ist auch die wesentlich längere Ansprechzeit.
Bildsensor in Digitalkameras
Beim hier überwiegend eingesetzten Aktiv-Pixel-Sensor (APS) entspricht jede Pixel-Sensoreinheitszelle einer Fotodiode und einem oder mehrere aktiven Transistoren.
In einem Metalloxid-Halbleiter werden MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als Verstärker verwendet.
Diese als CMOS bekannten Sensoren sind in Handy- beziehungsweise Smartphone-Kameras, Webkameras, den meisten modernen digitalen Taschenkameras sowie in digitalen Spiegelreflexkameras (DSLRs) weit verbreitet.
Sensor in Dämmerungsschaltern
Die in Dämmerungsschaltern eingesetzten Fotodioden erfassen das Umgebungslicht und schalten Leuchten je nach Lichtstärke ein und aus.
Häufig eingesetzt werden Dämmerungsschalter bei Außen-, Garten- und Schmuckbeleuchtungen sowie bei Werbeleuchten und der öffentlichen Beleuchtung. Die Sensorgehäuse sind in der Regel Staub- und spritzwassergeschützt.
Empfänger in Infrarot-Fernbedienungen
Handelsübliche Fernbedienungen zum Beispiel für TV-Geräte arbeiten mit infrarotem Licht. Da die LED in der Fernbedienung unterschiedliche Befehle an den Empfänger sendet, ist eine Modulations- beziehungsweise Demodulationsschaltung bei Sender und Empfänger nötig. Üblicherweise werden dazu Bandpassfilter für eine bestimmte Frequenz verwendet und die Signale über die Pulsweite und die Pulslänge moduliert.
Empfänger in Lichtschranken
Sowohl Gabel- als auch Reflexions-Lichtschranken und Lichttaster nutzen überwiegend Infrarot-Fotodioden als Empfangselemente.
Eine Modulation ist nicht nötig, bei großen Abständen zwischen Sender und Empfänger sind die Leistungsfähigkeit der LED und die Empfindlichkeit der Fotodiode entscheidend.
Empfänger in Bewegungsmeldern
Bewegungsmelder reagieren auf den Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und einem wärmeren Objekt, beispielsweise Menschen oder Tiere. Die Messung erfolgt über eine Fotodiode für passives Infrarot, Kurzbezeichnung PIR. Wird die einstellbare Empfindlichkeitsschwelle erreicht, löst der Bewegungsmelder über ein Relais eine Aktion aus, meist das Einschalten der Außenbeleuchtung.
Sensor für farbiges Licht und Umgebungslicht
Spezielle Fotodioden sind mit einem RGB-Filter ausgestattet und liefern je nach Wellenlänge des auftreffenden Lichts unterschiedliche Ströme. Mit den Werten lassen sich beispielsweise die Farbe eines Displays einstellen oder Objekte nach Farben sortieren. Als Regulativ kann eine RGB-Fotodiode mit einem Chip für das Messen des Umgebungslichts eingesetzt werden.
Fotowiderstände
Ein Fotowiderstand ist ein aktives Bauelement, das den Widerstand im Verhältnis zur Lichtintensität verringert: Je heller das Licht, desto geringer der Widerstand. Im Dunkeln kann dieser Widerstand bis zu einigen Megaohm betragen, im Licht lediglich wenige hundert Ohm.
Der Widerstandsbereich und die Empfindlichkeit eines Fotowiderstandes können sich bei unterschiedlichen Ausführungen erheblich unterscheiden. Darüber hinaus reagieren Fotowiderstände innerhalb bestimmter Wellenlängenbänder wesentlich unterschiedlicher auf Photonen. Außerdem kann der Widerstand je nach Umgebungstemperatur stark variieren. Das macht sie für ungeeignet für Anwendungen, die beispielsweise eine präzise Messung von Photonen erfordern.
Fotowiderstände weisen zudem eine gewisse Latenzzeit zwischen der Belichtung und der anschließenden Widerstandsabnahme auf, die normalerweise etwa 10 Millisekunden beträgt. Die Verzögerungszeit beim Übergang von einer beleuchteten in eine dunkle Umgebung ist sogar noch größer und beträgt oft bis zu einer Sekunde.
Typische Einsatzbereiche für Fotowiderstände
• Empfänger in Gebrauchsartikeln
Preiswerte Cadmiumsulfid-Zellen finden sich in vielen Geräten des täglichen Lebens, zum Beispiel in Kamerabelichtungsmessern, Radioweckern, Alarmgeräten, Nachtlichtern, Außenuhren und Straßenbeleuchtungen.
• Sensor für geschaltetes Licht
Fotowiderstände lassen sich zur Schaltkontrolle in Straßenlaternen platzieren. Umgebungslicht, das auf den Fotowiderstand fällt, bewirkt das Ausschalten der Straßenbeleuchtung. Auf diese Weise wird Energie gespart, indem sichergestellt wird, dass das Licht nur in den Stunden der Dunkelheit eingeschaltet ist.
• Sensor in einer Alarmanlage
Fotowiderstände werden auch in laserbasierten Sicherheitssystemen verwendet: Wenn eine Person oder ein Objekt den Laserstrahl durchquert, ändert sich die Lichtintensität und ein Alarm wird ausgelöst.
Gehören auch Solarpaneele zu Lichtsensoren?
Die herkömmliche Solarzelle, die zur Erzeugung von elektrischem Solarstrom verwendet wird, ist eine letztlich eine großflächige Fotodiode. Die meisten Module verwenden waferbasierte kristalline Siliziumzellen oder Dünnschichtzellen.
Welche Halbleitermaterialen werden bei Fotowiderständen verwendet?
Für den Spektralbereich des mittleren Infrarots ist häufig Bleisulfid (PbS) und Indiumantimonid (InSb) im Einsatz. Ge:Cu-Fotoleiter gehören zu den besten verfügbaren Ferninfrarot-Detektoren und werden für die Infrarot-Astronomie und Infrarot-Spektroskopie verwendet.
Wichtig: Die Verwendung von CdS- und CdSe-Fotowiderständen ist in Europa aufgrund des RoHS-Verbots für Cadmium stark eingeschränkt.
Gibt es auch fertig aufgebaute Lichtsensoren zum Beispiel für die Gebäudetechnik?
Ja, speziell für die Gebäudetechnik sind fertig aufgebaute Lichtsensoren im Handel, die nur noch angeschlossen werden müssen. Diese Geräte sind für den Dauereinsatz konzipiert und gegen Überspannung und Transienten geschützt. Oft besteht auch die Wahl zwischen DC- oder AC-Speisungsspannung. Die Ausgabe des Messwerts sollte als 0…10 V-Standardsignal erfolgen.