Informations- und Kommunikationstechnik

LDR - lichtabhängiger Widerstand

Halbleiterwerkstoffe verbessern ihre Eigenleitfähigkeit durch Zufuhr von Wärmeenergie. Ist die zugeführte Energie größer als die Energiebandlücke ihrer atomaren oder molekularen Struktur, so können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband wechseln. Im Valenzband bleibt eine positive Ladung oder Elektronenloch zurück. Wärmestrahlung und Licht unterscheiden sich physikalisch nur durch ihre Wellenlängen. Die Paarbildung der Ladungsträger im Halbleiter kann daher auch beim Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlänge erfolgen. Die dabei entstehenden Ladungsträgerpaare verringern den Widerstandswert des Halbleiters. Die Änderung des Widerstandswerts ist unabhängig von der Polarität und der Höhe der angelegten Spannung. Derartige Bauteile werden Fotowiderstand oder LDR, Light Dependent Resistor) genannt.

LDR Energieband

Da die Freisetzung der Ladungsträger nur innerhalb des Halbleiters stattfindet und die Elektronen den Halbleiter nicht verlassen, wird der Vorgang als innerer fotoelektrischer Effekt bezeichnet. Für Silizium wird die Energielücke im Bändermodell mit 1,14 eV angegeben. Mit dem Planckschen Wirkumsquantum h = 6,625·10−34 Ws2 kann die minimal notwendige Frequenz und mit der Lichtgeschwindigkeit c die zugehörige Wellenlänge λ des Lichtes errechnet werden, die den Fotoeffekt erstmals auslösen kann.

Berechnung der Wellenlänge

Für Silizium liegt die Mindestwellenlänge liegt im nahen Infrarot, einem definierten Bereich von 1400 nm bis 780 nm. Das menschliche Auge nimmt Licht im Wellenlängenbereich von rot, 780 nm bis violett, 380 nm wahr. Ein LDR auf Si-Halbleiterbasis ist daher auch auf sichtbares Licht empfindlich, da diese Energie oberhalb der Bandlückenenergie liegt.

Im LDR-Widerstand wird der Halbleiter meistens mäanderförmig auf eine nicht leitende Trägerplatte aufgebracht. Der Widerstand wird durch einen Glaskolben oder eine klare Kunststoffumhüllung geschützt. Der Dunkelwiderstand ist sehr hoch und liegt teilweise im unteren MΩ-Bereich. Der von der Beleuchtungsstärke abhängige Hellwiderstand kann Werte unterhalb 1 kΩ erreichen.

LDR-Spektraldiagramm

Die verschiedenen Halbleiterwerkstoffe haben ihre höchste Lichtempfindlichkeit bei unterschiedlichen Wellenlängen. Je breiter die verbotene Zone im Bändermodell ist, desto mehr Energie muss aufgebracht werden, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu überführen. Die Energieaufnahme erfolgt gequantelt und nicht kontinuierlich. Das Diagramm stellt die spektrale Empfindlichkeit einiger wichtiger LDR-Halbleiter dar.

Vielfach werden keine reinen Halbleiter verwendet. Durch geeignete Dotierung von Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenid (CdSe) kann der Bandabstand und damit die spektrale Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich gut angepasst werden.

Bei wechselnder Beleuchtung erfolgt die Änderung des Widerstandswertes nur träge mit Reaktionszeiten im Millisekundenbereich. Zu beachten sind die vom Hersteller angegebenen Grenzwerte für die maximale Verlustleistung, die höchste zugelassene Arbeitsspannung und Umgebungstemperatur. LDRs gleicher Bauart weisen immer einen Streubereich auf.

Eingesetzt werden LDR bei der Lichtstärkemessung und in Schaltungen zur lichtabhängigen Steuerung. Die Widerstandsänderung wird als proportionale Spannungsänderung in einer Reihenschaltung mit einem ohmschen Arbeitswiderstand gemessen. Die Versorgungsspannung kann eine stabilisierte Gleich- oder Wechselspannung sein. Die Bemessung der Schaltung richtet sich nach dem Strom-Spannungs-Kennlinienfeld des jeweiligen Fotowiderstands.

Kennlinienfeld

Das Diagramm zeigt das Kennlinienfeld eines LDR Fotowiderstands. Der Hersteller gibt die Verlustleistung mit 100 mW an. Die Betriebsspannung soll 20 V betragen. Der Arbeitswiderstand muss so gewählt werden, dass seine Widerstandsgerade unterhalb der Verlustleistungshyperbel bleibt. Der Widerstand R = 1,2 kΩ erfüllt diese Bedingung. Bei einer Beleuchtungsstärke von 10 lx beträgt die Spannung U2 am LDR 17 V und bei 1000 lx verbleiben nur noch 5 V.