Lichtsensoren

Ein Lichtsensor erzeugt ein Ausgangssignal, das die Intensität des Lichts anzeigt, indem er die Strahlungsenergie misst, die in einem sehr schmalen Frequenzbereich vorhanden ist, der im Allgemeinen als „Licht“ bezeichnet wird und dessen Frequenz vom „Infrarot“ über das „sichtbare“ bis zum „ultravioletten“ Lichtspektrum reicht.

Der Lichtsensor ist ein passives Gerät, das diese „Lichtenergie“, ob im sichtbaren oder im infraroten Bereich des Spektrums, in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Lichtsensoren werden allgemein als „photoelektrische Geräte“ oder „Photosensoren“ bezeichnet, weil sie Lichtenergie (Photonen) in Elektrizität (Elektronen) umwandeln.

Photoelektrische Geräte können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: solche, die bei Beleuchtung Elektrizität erzeugen, wie z.B. Photo-Voltaik oder Photo-Emissive usw., und solche, die ihre elektrischen Eigenschaften in irgendeiner Weise verändern, wie z.B. Photo-Widerstände oder Photo-Leiter.

• – Photoemissive Zellen – Dies sind Photovorrichtungen, die freie Elektronen aus einem lichtempfindlichen Material wie Cäsium freisetzen, wenn sie von einem Photon mit ausreichender Energie getroffen werden. Die Energiemenge der Photonen hängt von der Frequenz des Lichts ab, und je höher die Frequenz, desto mehr Energie haben die Photonen, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln.
• – Photoleitende Zellen – Diese Photovorrichtungen verändern ihren elektrischen Widerstand, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Die Lichtleitfähigkeit entsteht, wenn Licht auf ein Halbleitermaterial trifft, das den Stromfluss durch das Material steuert. Je mehr Licht, desto höher der Strom bei einer bestimmten Spannung. Das gebräuchlichste photoleitfähige Material ist Cadmiumsulfid, das in LDR-Fotozellen verwendet wird.
• – Photovoltaische Zellen – Diese Photovorrichtungen erzeugen eine elektrostatische Ladung im Verhältnis zur empfangenen Strahlungsenergie des Lichts und haben einen ähnlichen Effekt wie die Photoleitfähigkeit. Die Lichtenergie fällt auf zwei Halbleitermaterialien, die ineinander verschachtelt sind, und erzeugt eine Spannung von etwa 0,5 V. Das gebräuchlichste photovoltaische Material ist Selen, das in Solarzellen verwendet wird.
• – Bauelemente mit Photoübergang – Bei diesen Bauelementen handelt es sich hauptsächlich um echte Halbleiterbauelemente wie Photodioden oder Phototransistoren, die Licht verwenden, um den Fluss von Elektronen und Löchern über ihren PN-Übergang zu steuern. Fotoübergangsbauelemente sind speziell für Detektoranwendungen und Lichtdurchdringung konzipiert, wobei ihre spektrale Reaktion auf die Wellenlänge des einfallenden Lichts abgestimmt ist.

Die fotoleitende Zelle

Ein fotoleitender Lichtsensor erzeugt keine Elektrizität, sondern ändert lediglich seine physikalischen Eigenschaften, wenn er mit Lichtenergie beaufschlagt wird. Der gebräuchlichste Typ eines fotoleitenden Bauelements ist der Fotowiderstand, der seinen elektrischen Widerstand als Reaktion auf Änderungen der Lichtintensität ändert.

Fotowiderstände sind Halbleiterbauelemente, die Lichtenergie nutzen, um den Elektronenfluss und damit den durch sie fließenden Strom zu steuern. Die am häufigsten verwendete fotoleitende Zelle wird als lichtabhängiger Widerstand oder LDR bezeichnet.

Der lichtabhängige Widerstand

Wie der Name schon sagt, besteht der lichtabhängige Widerstand (LDR) aus einem Stück freiliegenden Halbleitermaterials, wie z. B. Cadmiumsulfid, das seinen elektrischen Widerstand von mehreren tausend Ohm im Dunkeln auf nur wenige hundert Ohm ändert, wenn Licht darauf fällt, indem es Loch-Elektronen-Paare im Material erzeugt.

Der Nettoeffekt ist eine Verbesserung der Leitfähigkeit mit einer Abnahme des Widerstands bei zunehmender Beleuchtung. Zu den Materialien, die als Halbleitersubstrat verwendet werden, gehören Bleisulfid (PbS), Bleiselenid (PbSe) und Indiumantimonid (InSb), die Licht im Infrarotbereich erkennen, wobei Cadmiumsulfid (Cds) der am häufigsten verwendete photoresistive Lichtsensor ist.

Cadmiumsulfid wird bei der Herstellung von photoleitenden Zellen verwendet, da seine spektrale Ansprechkurve der des menschlichen Auges sehr nahe kommt und sogar mit einer einfachen Taschenlampe als Lichtquelle gesteuert werden kann. Typischerweise hat es dann eine Spitzenempfindlichkeitswellenlänge (λp) von etwa 560nm bis 600nm im sichtbaren Spektralbereich.

Die lichtabhängige Widerstandszelle

Der am häufigsten verwendete photoresistive Lichtsensor ist die ORP12-Cadmiumsulfid-Fotoleitzelle. Dieser lichtabhängige Widerstand hat eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 610nm im gelben bis orangenen Bereich des Lichts. Der Widerstand der Zelle im unbeleuchteten Zustand (Dunkelwiderstand) ist mit etwa 10 MΩ sehr hoch und sinkt bei voller Beleuchtung auf etwa 100Ω (Beleuchtungswiderstand).

Um den Dunkelwiderstand zu erhöhen und damit den Dunkelstrom zu verringern, bildet der Widerstandspfad ein Zickzackmuster über das Keramiksubstrat. Die CdS-Fotozelle ist ein sehr kostengünstiges Bauelement, das häufig für die automatische Dimmung, die Erkennung von Dunkelheit oder Dämmerung zum Ein- und Ausschalten von Straßenlaternen und für fotografische Belichtungsmesser verwendet wird.

Wenn man einen lichtabhängigen Widerstand mit einem Standardwiderstand wie diesem in Reihe schaltet und an eine einzige Gleichspannung anschließt, hat das einen großen Vorteil: Bei verschiedenen Lichtstärken wird an ihrem Übergang eine unterschiedliche Spannung erzeugt.

Die Höhe des Spannungsabfalls am Reihenwiderstand R2 wird durch den Widerstandswert des lichtabhängigen Widerstands RLDR bestimmt. Diese Fähigkeit, unterschiedliche Spannungen zu erzeugen, ergibt eine sehr praktische Schaltung, die als „Spannungsteiler“ oder Spannungsteiler-Netzwerk bezeichnet wird.

Wie wir wissen, ist der Strom durch eine Reihenschaltung gleich, und da der LDR seinen Widerstandswert aufgrund der Lichtintensität ändert, wird die an VOUT anliegende Spannung durch die Spannungsteilerformel bestimmt. Der Widerstand eines LDR, RLDR, kann von etwa 100Ω im Sonnenlicht bis zu über 10MΩ in absoluter Dunkelheit variieren, wobei diese Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung an VOUT umgewandelt wird, wie gezeigt.

Eine einfache Verwendung eines lichtabhängigen Widerstands ist die eines lichtempfindlichen Schalters, wie unten gezeigt.

Diese einfache Lichtsensorschaltung besteht aus einem lichtaktivierten Schalter mit Relaisausgang. Zwischen dem Fotowiderstand, dem LDR und dem Widerstand R1 wird ein Spannungsteiler geschaltet. Wenn kein Licht vorhanden ist, d. h. bei Dunkelheit, ist der Widerstand des LDR sehr hoch im Megaohm-Bereich (MΩ), so dass an den Transistor TR1 eine Basisvorspannung von Null angelegt wird und das Relais stromlos oder „AUS“ ist.

Wenn der Lichtpegel steigt, beginnt der Widerstand des LDR zu sinken, wodurch die Basisvorspannung an V1 steigt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, der durch das mit dem Widerstand R1 gebildete Potentialteilernetzwerk bestimmt wird, ist die Basisvorspannung hoch genug, um den Transistor TR1 „EIN“ zu schalten und damit das Relais zu aktivieren, das wiederum zur Steuerung einiger externer Schaltungen verwendet wird. Wenn die Helligkeit wieder auf Dunkelheit zurückfällt, erhöht sich der Widerstand des LDR, wodurch die Basisspannung des Transistors sinkt und der Transistor und das Relais bei einer festen Helligkeitsstufe, die wiederum durch das Potentialteilernetzwerk bestimmt wird, „AUS“ schaltet.

Durch Ersetzen des festen Widerstands R1 durch ein Potentiometer VR1 kann der Punkt, an dem das Relais „EIN“ oder „AUS“ schaltet, auf eine bestimmte Helligkeitsstufe voreingestellt werden. Die oben gezeigte einfache Schaltung hat eine relativ geringe Empfindlichkeit, und ihr Schaltpunkt kann aufgrund von Schwankungen der Temperatur oder der Versorgungsspannung nicht konstant sein. Eine empfindlichere Präzisionsschaltung mit Lichtaktivierung lässt sich leicht herstellen, indem man den LDR in eine „Wheatstone-Brücke“ einbaut und den Transistor wie gezeigt durch einen Operationsverstärker ersetzt.

Schaltung zur Erfassung des Lichtpegels

In dieser einfachen Schaltung zur Erfassung der Dunkelheit, bilden der lichtabhängige Widerstand LDR1 und das Potentiometer VR1 einen einstellbaren Zweig eines einfachen Widerstandsbrückennetzwerks, das auch als Wheatstone-Brücke bezeichnet wird, während die beiden Festwiderstände R1 und R2 den anderen Zweig bilden. Beide Seiten der Brücke bilden Potentialteilernetzwerke über der Versorgungsspannung, deren Ausgänge V1 und V2 mit den nichtinvertierenden bzw. invertierenden Spannungseingängen des Operationsverstärkers verbunden sind.

Der Operationsverstärker ist als Differenzverstärker konfiguriert, der auch als Spannungskomparator mit Rückkopplung bekannt ist und dessen Ausgangsspannungszustand durch die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen oder -spannungen V1 und V2 bestimmt wird. Die Widerstandskombination R1 und R2 bildet eine feste Spannungsreferenz am Eingang V2, die durch das Verhältnis der beiden Widerstände festgelegt wird. Die Kombination aus LDR und VR1 liefert eine variable Eingangsspannung V1, die proportional zur Lichtstärke ist, die vom Fotowiderstand erfasst wird.

Wie bei der vorherigen Schaltung wird der Ausgang des Operationsverstärkers zur Steuerung eines Relais verwendet, das durch eine Freilaufdiode D1 geschützt ist. Wenn der vom LDR erfasste Lichtpegel und seine Ausgangsspannung unter die an V2 eingestellte Referenzspannung fallen, ändert der Ausgang des Operationsverstärkers seinen Zustand und aktiviert das Relais und schaltet die angeschlossene Last.

Wenn der Lichtpegel ansteigt, schaltet der Ausgang zurück und schaltet das Relais aus. Die Hysterese der beiden Schaltpunkte wird durch den Rückkopplungswiderstand Rf eingestellt und kann so gewählt werden, dass sich eine geeignete Spannungsverstärkung des Verstärkers ergibt.

Die Funktionsweise dieser Art von Lichtsensorschaltung kann auch umgekehrt werden, um das Relais „EIN“ zu schalten, wenn der Lichtpegel den Referenzspannungspegel überschreitet, und umgekehrt, indem die Positionen des Lichtsensors LDR und des Potentiometers VR1 umgekehrt werden. Das Potentiometer kann verwendet werden, um den Schaltpunkt des Differenzverstärkers auf ein bestimmtes Lichtniveau einzustellen, wodurch er sich ideal als einfache Lichtsensor-Projektschaltung eignet.

Photojunction-Bauelemente

Photojunction-Bauelemente sind im Grunde PN-Junction-Lichtsensoren oder -Detektoren aus Silizium-Halbleiter-PN-Junction, die lichtempfindlich sind und sowohl sichtbares Licht als auch Infrarot-Lichtpegel erkennen können. Zu dieser Klasse photoelektrischer Lichtsensoren gehören die Photodiode und der Phototransistor.

Die Photodiode.

Der Aufbau des Lichtsensors Photodiode ähnelt dem einer herkömmlichen PN-Übergangsdiode, mit der Ausnahme, dass das äußere Gehäuse der Diode entweder durchsichtig ist oder eine klare Linse hat, um das Licht auf den PN-Übergang zu fokussieren und so die Empfindlichkeit zu erhöhen. Der Übergang reagiert vor allem auf Licht mit längeren Wellenlängen wie Rot und Infrarot und nicht auf sichtbares Licht.

Diese Eigenschaft kann ein Problem für Dioden mit transparenten oder glasperlenförmigen Gehäusen wie die Signaldiode 1N4148 darstellen. LEDs können auch als Fotodioden verwendet werden, da sie von ihrem Übergang aus sowohl Licht aussenden als auch erkennen können. Alle PN-Übergänge sind lichtempfindlich und können in einem fotoleitenden, nicht vorgespannten Spannungsmodus verwendet werden, wobei der PN-Übergang der Fotodiode immer in Sperrichtung vorgespannt ist, so dass nur der Leck- oder Dunkelstrom der Diode fließen kann.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie (I/V-Kurven) einer Fotodiode ohne Licht an ihrem Übergang (Dunkelmodus) ist einer normalen Signal- oder Gleichrichterdiode sehr ähnlich. Wenn die Fotodiode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, steigt der Strom wie bei einer normalen Diode exponentiell an. Wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird, tritt ein kleiner Sättigungsstrom auf, der eine Vergrößerung des Verarmungsbereichs, des empfindlichen Teils der Sperrschicht, bewirkt. Fotodioden können auch im Strommodus angeschlossen werden, wobei eine feste Vorspannung an den Übergang angelegt wird. Der Strommodus ist über einen weiten Bereich sehr linear.

Aufbau und Eigenschaften von Fotodioden

Bei Verwendung als Lichtsensor beträgt der Dunkelstrom einer Fotodiode (0 Lux) etwa 10uA bei Geranium und 1uA bei Siliziumdioden. Wenn Licht auf den Übergang fällt, werden mehr Loch-/Elektronenpaare gebildet und der Leckstrom steigt. Dieser Leckstrom steigt mit zunehmender Beleuchtungsstärke des Übergangs.

Der Strom der Fotodioden ist also direkt proportional zur Lichtintensität, die auf den PN-Übergang fällt. Ein Hauptvorteil von Fotodioden, die als Lichtsensoren verwendet werden, ist ihr schnelles Ansprechen auf Änderungen der Lichtstärke, aber ein Nachteil dieser Art von Fotodioden ist der relativ geringe Stromfluss, selbst wenn sie voll beleuchtet sind.

Die folgende Schaltung zeigt einen Fotostrom-zu-Spannungs-Wandler, der einen Operationsverstärker als Verstärkergerät verwendet. Die Ausgangsspannung (Vout) wird als Vout = IP*Rƒ angegeben und ist proportional zu den Lichtintensitätseigenschaften der Fotodiode.

Dieser Schaltungstyp nutzt auch die Eigenschaften eines Operationsverstärkers mit zwei Eingangsanschlüssen bei etwa Nullspannung, um die Fotodiode ohne Vorspannung zu betreiben. Diese Nullvorspannungs-Operationsverstärkerkonfiguration führt zu einer hochohmigen Belastung der Fotodiode, was eine geringere Beeinflussung durch den Dunkelstrom und einen breiteren linearen Bereich des Fotostroms im Verhältnis zur Strahlungslichtintensität zur Folge hat. Der Kondensator Cf wird verwendet, um Schwingungen oder Verstärkungsspitzen zu verhindern und die Ausgangsbandbreite (1/2πRC) einzustellen.

Photodioden-Verstärkerschaltung

Photodioden sind sehr vielseitige Lichtsensoren, die ihren Stromfluss in Nanosekunden sowohl „EIN“ als auch „AUS“ schalten können und häufig in Kameras verwendet werden, Sie werden häufig in Kameras, Belichtungsmessern, CD- und DVD-ROM-Laufwerken, TV-Fernbedienungen, Scannern, Faxgeräten und Kopierern usw. eingesetzt. Wenn sie in Operationsverstärkerschaltungen integriert sind, dienen sie als Infrarot-Spektrumsdetektoren für Glasfaserkommunikation, Bewegungserkennungsschaltungen für Einbruchsalarme und zahlreiche Bildgebungs-, Laserscan- und Positionierungssysteme usw.

Der Fototransistor

Eine Alternative zur Fotodiode ist der Fototransistor, der im Grunde eine Fotodiode mit Verstärkung ist. Beim Fototransistor-Lichtsensor ist der PN-Übergang zwischen Kollektor und Basis in Sperrichtung vorgespannt, so dass er der Lichtquelle ausgesetzt ist.

Fototransistoren funktionieren genauso wie Fotodioden, mit dem Unterschied, dass sie eine Stromverstärkung bieten und viel empfindlicher sind als Fotodioden, deren Ströme 50- bis 100-mal höher sind als die der Standard-Fotodiode, und jeder normale Transistor kann leicht in einen Fototransistor-Lichtsensor umgewandelt werden, indem eine Fotodiode zwischen Kollektor und Basis angeschlossen wird.

Phototransistoren bestehen hauptsächlich aus einem bipolaren NPN-Transistor, dessen großer Basisbereich elektrisch nicht angeschlossen ist, obwohl einige Phototransistoren einen Basisanschluss zur Steuerung der Empfindlichkeit zulassen, und der mit Hilfe von Lichtphotonen einen Basisstrom erzeugt, der wiederum einen Stromfluss von Kollektor zu Emitter bewirkt. Die meisten Fototransistoren sind NPN-Typen, deren Außengehäuse entweder durchsichtig ist oder eine klare Linse hat, um das Licht auf den Basisanschluss zu fokussieren und so die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Aufbau und Eigenschaften von Fototransistoren

Beim NPN-Transistor ist der Kollektor gegenüber dem Emitter positiv vorgespannt, so dass der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist. Daher fließt, wenn kein Licht auf den Übergang fällt, ein normaler Leckstrom oder Dunkelstrom, der sehr gering ist. Wenn Licht auf die Basis fällt, werden in diesem Bereich mehr Elektronen/Loch-Paare gebildet, und der dadurch erzeugte Strom wird durch den Transistor verstärkt.

Gemeinsam ist die Empfindlichkeit eines Fototransistors eine Funktion der Gleichstromverstärkung des Transistors. Daher ist die Gesamtempfindlichkeit eine Funktion des Kollektorstroms und kann durch Anschließen eines Widerstands zwischen Basis und Emitter gesteuert werden, aber für sehr hochempfindliche Anwendungen vom Typ Optokoppler werden im Allgemeinen Darlington-Fototransistoren verwendet.

Photo-Darlington-Transistoren verwenden einen zweiten bipolaren NPN-Transistor, um eine zusätzliche Verstärkung zu erreichen oder wenn eine höhere Empfindlichkeit eines Photodetektors aufgrund geringer Lichtstärken oder selektiver Empfindlichkeit erforderlich ist, sein Ansprechverhalten jedoch langsamer ist als das eines gewöhnlichen NPN-Phototransistors.

Photo-Darlington-Bauelemente bestehen aus einem normalen Fototransistor, dessen Emitterausgang mit der Basis eines größeren bipolaren NPN-Transistors gekoppelt ist. Da eine Darlington-Transistor-Konfiguration eine Stromverstärkung ergibt, die dem Produkt der Stromverstärkungen zweier einzelner Transistoren entspricht, ergibt ein Photodarlington-Bauelement einen sehr empfindlichen Detektor.

Typische Anwendungen von Phototransistor-Lichtsensoren sind Opto-Isolatoren, geschlitzte Opto-Schalter, Lichtstrahlsensoren, Glasfasern und Fernbedienungen usw. Bei der Erkennung von sichtbarem Licht sind manchmal Infrarotfilter erforderlich.

Ein weiterer erwähnenswerter Typ von Halbleiter-Lichtsensoren mit Photoübergang ist der Photo-Thyristor. Dabei handelt es sich um einen lichtaktivierten Thyristor oder einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR), der als lichtaktivierter Schalter in Wechselstromanwendungen eingesetzt werden kann. Ihre Empfindlichkeit ist jedoch in der Regel sehr gering im Vergleich zu gleichwertigen Fotodioden oder Fototransistoren.

Um ihre Lichtempfindlichkeit zu erhöhen, werden Fotothyristoren um den Gate-Übergang herum dünner gemacht. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Anodenstrom, den sie schalten können, begrenzt wird. Bei Wechselstromanwendungen mit höheren Strömen werden sie dann als Vorschaltgeräte in Optokopplern verwendet, um größere herkömmliche Thyristoren zu schalten.

Photovoltaikzellen.

Der häufigste Typ von photovoltaischen Lichtsensoren ist die Solarzelle. Solarzellen wandeln Lichtenergie direkt in elektrische Gleichstromenergie in Form einer Spannung oder eines Stroms um, um eine ohmsche Last wie eine Lampe, eine Batterie oder einen Motor zu betreiben. Photovoltaikzellen ähneln also in vielerlei Hinsicht einer Batterie, da sie Gleichstrom liefern.

Im Gegensatz zu den anderen Fotogeräten, die wir oben betrachtet haben und die die Lichtintensität sogar einer Taschenlampe zum Betrieb nutzen, funktionieren Photovoltaik-Solarzellen jedoch am besten mit der Strahlungsenergie der Sonne.

Solarzellen werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, um eine alternative Energiequelle zu herkömmlichen Batterien zu bieten, z. B. in Taschenrechnern, Satelliten und jetzt auch in Haushalten, wo sie eine Form von erneuerbarer Energie bieten.

Photovoltaische Zellen bestehen aus Einkristall-Silizium-PN-Übergängen, die den Photodioden mit einem sehr großen lichtempfindlichen Bereich ähneln, aber ohne Sperrschicht verwendet werden. Im Dunkeln haben sie die gleichen Eigenschaften wie eine sehr große Fotodiode.

Bei Beleuchtung bewirkt die Lichtenergie, dass Elektronen durch den PN-Übergang fließen, und eine einzelne Solarzelle kann eine Leerlaufspannung von etwa 0,58 V (580 mV) erzeugen. Solarzellen haben wie eine Batterie eine „positive“ und eine „negative“ Seite.

Einzelne Solarzellen können in Reihe geschaltet werden, um Solarmodule zu bilden, die die Ausgangsspannung erhöhen, oder parallel geschaltet werden, um den verfügbaren Strom zu erhöhen. Im Handel erhältliche Solarmodule werden in Watt angegeben, was dem Produkt aus Ausgangsspannung und Stromstärke (Volt mal Ampere) bei voller Beleuchtung entspricht.

Merkmale einer typischen photovoltaischen Solarzelle.

Die Menge des verfügbaren Stroms aus einer Solarzelle hängt von der Lichtintensität, der Größe der Zelle und ihrem Wirkungsgrad ab, der im Allgemeinen mit etwa 15 bis 20 % sehr niedrig ist. Um den Gesamtwirkungsgrad der Zelle zu erhöhen, verwenden handelsübliche Solarzellen polykristallines Silizium oder amorphes Silizium, die keine kristalline Struktur aufweisen und Ströme zwischen 20 und 40 mA pro cm2 erzeugen können.

Andere Materialien, die beim Bau von Photovoltaikzellen verwendet werden, sind Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Diselenid und Cadmium-Tellurid. Diese verschiedenen Materialien haben jeweils eine andere Spektralbandreaktion und können so „abgestimmt“ werden, dass sie eine Ausgangsspannung bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts erzeugen.

In diesem Lehrgang über Lichtsensoren haben wir uns mehrere Beispiele von Geräten angesehen, die als Lichtsensoren eingestuft werden. Dazu gehören solche mit und solche ohne PN-Übergänge, die zur Messung der Lichtintensität verwendet werden können.