Fotowiderstand – Funktionsweise, Typen und Anwendungen

Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung. Das elektromagnetische Spektrum ist in viele Bänder unterteilt, von denen sich Licht normalerweise auf das sichtbare Spektrum bezieht. Aber auch Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen werden in der Physik als Licht betrachtet. Das Spektrum des sichtbaren Lichts hat Wellenlängen im Bereich von 400-700 Nanometern, die zwischen Infrarotstrahlenspektrum und Ultraviolettspektrum liegen. Licht trägt Energie in Form von Photonen. Wenn diese Photonen mit anderen Teilchen in Kontakt kommen, wird aufgrund der Kollision Energie übertragen. Durch die Nutzung dieses Lichtprinzips wurden viele nützliche Produkte wie Fotodioden, Fotowiderstände, Sonnenkollektoren usw. erfunden.

Was ist ein Fotowiderstand?

Licht hat eine Welle-Teilchen-Dualität. Das bedeutet, dass Licht sowohl teilchen- als auch wellenartig ist. Wenn Licht auf Halbleitermaterial fällt, werden im Licht vorhandene Photonen von Elektronen absorbiert und zu höheren Energiebändern angeregt.

Ein Fotowiderstand ist eine Art lichtabhängiger Widerstand, der seine Widerstandswerte basierend auf dem darauf einfallenden Licht variiert. Diese Fotowiderstände neigen dazu, ihre Widerstandswerte mit zunehmender Intensität des einfallenden Lichts zu verringern.

Fotowiderstände weisen Fotoleitfähigkeit auf. Diese sind im Vergleich zu Fotodioden und Fototransistoren weniger lichtempfindlich. Der Photowiderstand eines Photowiderstands variiert mit einer Änderung der Umgebungstemperatur.

Arbeitsprinzip

Der Fotowiderstand hat keinen P-N-Übergang wie Fotodioden. Es ist eine passive Komponente. Diese bestehen aus Halbleitermaterialien mit hohem Widerstand.

Wenn Licht auf den Fotowiderstand fällt, werden Photonen vom Halbleitermaterial absorbiert. Die Energie des Photons wird von den Elektronen absorbiert. Wenn diese Elektronen genügend Energie haben, um die Bindung aufzubrechen, springen sie in das Leitungsband. Dadurch verringert sich der Widerstand des Fotowiderstands. Mit abnehmendem Widerstand steigt die Leitfähigkeit.

Je nach Art des Halbleitermaterials, das für den Fotowiderstand verwendet wird, unterscheiden sich Widerstandsbereich und Empfindlichkeit. In Abwesenheit von Licht kann der Fotowiderstand Widerstandswerte in Megaohm aufweisen. Und wenn Licht vorhanden ist, kann sein Widerstand auf einige hundert Ohm sinken.

Typen von Fotowiderständen

Je nach den Eigenschaften des Halbleitermaterials, das zum Entwerfen eines Fotowiderstands verwendet wird, werden diese in zwei Typen eingeteilt – extrinsische und intrinsische Fotowiderstände. Diese Halbleiter reagieren unterschiedlich unter verschiedenen Wellenlängenbedingungen.

Intrinsische Fotowiderstände werden aus intrinsischem Halbleitermaterial entwickelt. Diese intrinsischen Halbleiter haben ihre eigenen Ladungsträger. In ihrem Leitungsband sind keine freien Elektronen vorhanden. Sie enthalten Löcher im Valenzband.

Um also in einem intrinsischen Halbleiter vorhandene Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband anzuregen, sollte ausreichend Energie bereitgestellt werden, damit sie die gesamte Bandlücke durchqueren können. Daher benötigen wir Photonen mit höherer Energie, um das Gerät auszulösen. Daher sind intrinsische Fotowiderstände für die Lichterkennung mit höherer Frequenz ausgelegt.

Andererseits werden extrinsische Halbleiter durch Dotieren von intrinsischen Halbleitern mit Störstellen gebildet. Diese Verunreinigungen stellen freie Elektronen oder Löcher für die Leitung bereit. Diese freien Leiter liegen im Energieband näher am Leitungsband. So kann eine geringe Energiemenge dazu führen, dass sie in das Leitungsband springen. Extrinsische Fotowiderstände werden zum Erfassen von Licht mit längerer Wellenlänge und niedrigerer Frequenz verwendet.

Höher die Lichtintensität, desto größer der Widerstandsabfall des Fotowiderstands. Die Empfindlichkeit von Fotowiderständen variiert mit der Wellenlänge des angewendeten Lichts. Wenn keine ausreichende Wellenlänge vorhanden ist, wird das Gerät ausreichend getriggert, das Gerät reagiert nicht auf das Licht. Extrinsische Fotowiderstände können auf Infrarotwellen reagieren. Intrinsische Fotowiderstände können höherfrequente Lichtwellen erkennen.

Symbol des Fotowiderstands

Fotowiderstände werden verwendet, um das Vorhandensein oder Fehlen von Licht anzuzeigen. Es wird auch als LDR geschrieben. Diese bestehen normalerweise aus Cds, Pbs, Pbse usw. Diese Geräte reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen. Selbst wenn die Lichtintensität konstant gehalten wird, ist eine Widerstandsänderung in den Fotowiderständen zu sehen.

Anwendungen von Fotowiderständen

Der Widerstand des Fotowiderstands ist eine nichtlineare Funktion der Lichtintensität. Fotowiderstände sind nicht so lichtempfindlich wie Fotodioden oder Fototransistoren. Einige der Anwendungen von Fotowiderständen sind wie folgt-

• Diese werden als Lichtsensoren verwendet.
• Diese werden verwendet, um die Lichtintensität zu messen.
• Nachtlicht- und Fotobelichtungsmesser verwenden Fotowiderstände.
• Ihre Latenzzeit wird in Audiokompressoren und in der Außenerkennung verwendet.
• Fotowiderstände sind auch in Weckern, Außenuhren, Solarstraßenlaternen usw. zu finden…
• Infrarotastronomie und Infrarotspektroskopie verwenden auch Fotowiderstände zur Messung des mittleren Infrarot-Spektralbereichs.

Projekte basierend auf Fotowiderständen

Fotowiderstände waren für viele Bastler ein praktisches Gerät. Viele neue Forschungsarbeiten und elektronische Projekte auf Basis von Photowiderständen sind verfügbar. Fotowiderstände haben neue Anwendungen in medizinischen, eingebetteten und astronomischen Bereichen gefunden. Einige der Projekte, die mit Fotowiderstand entworfen wurden, sind wie folgt:

• Fotometer auf Fotowiderstandsbasis, von Schülern gebaut und seine Anwendung in der forensischen Analyse von Farbstoffen.
• Integration eines biokompatiblen organischen resistiven Speichers und Fotowiderstands für tragbare Bildsensoranwendungen.
• Photogate-Timing mit einem Smartphone.
• Design und Implementierung eines einfachen akusto-optischen Doppelsteuerkreises.
• System zur Standorterkennung von Lichtquellen.
• Der mobile Roboter wird durch Ton eingeschaltet und von einer externen Lichtquelle richtungsgesteuert.
• Design eines Open-Source-Monitoring-Systems zur thermodynamischen Analyse von Gebäuden und Anlagen.
• Überhitzungsschutz.
• Gerät zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung.
• Automatischer zweiachsiger solarbetriebener Rasenmäher für landwirtschaftliche Anwendungen.
• Sensormechanismus für Wassertrübung mit LED für ein In-Situ-Überwachungssystem.
• Die lichtinduzierte Leuchttastatur ist mit Fotowiderständen ausgestattet.
• Neuartiges elektronisches Schloss mit Morsecode basierend auf dem Internet der Dinge.
• Straßenbeleuchtungssystem für Smart Cities mit Fotowiderständen.
• Tracking von MRT-Interventionsgeräten mit computergesteuerten verstimmbaren Markern.
• Diese werden in lichtaktivierten Jalousien verwendet.
• Fotowiderstände werden auch zur automatischen Kontrast- und Helligkeitsregelung in Fernsehern und Smartphones verwendet.
• Für den Entwurf von Näherungsschaltern werden Fotowiderstände verwendet.

Aufgrund des Cadmiumverbots in Europa ist die Verwendung von Cds- und Cdse-Fotowiderständen eingeschränkt. Fotowiderstände können einfach implementiert und mit Mikrocontrollern verbunden werden.

Diese Geräte sind als IC-Sensoren auf dem Markt erhältlich. Sie sind als Umgebungslichtsensoren, Light to Digital Sensors, LDR usw. erhältlich. Einige der am häufigsten verwendeten Produkte sind OPT3002 Lichtsensor, LDR passiver Lichtsensor usw. Die elektrischen Eigenschaften, Spezifikationen usw. von OPT3002 finden Sie in das Datenblatt von Texas Instruments. Können wir Fotowiderstände als Alternative zu Fotodioden verwenden? Was macht den Unterschied?