Ratgeber
Wenn Straßenlaternen sich nach Einbruch der Dunkelheit automatisch ein- und bei Tagesanbruch wieder ausschalten, steckt meist ein Fotowiderstand dahinter, auch LDR genannt. Die Abkürzung LDR steht für light-dependent resistor, also lichtabhängiger Widerstand.
Lesen Sie hier, wie solch ein LDR funktioniert, welche Einsatzmöglichkeiten es gibt und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Prinzipiell ist ein Fotowiderstand ein Halbleiter, dessen Widerstand je nach Intensität des einfallenden Lichts ansteigt oder abnimmt. Oberhalb eines bestimmten materialspezifischen Niveaus geben die vom Halbleiter absorbierten Photonen den gebundenen Elektronen genügend Energie, um vom Valenzband in das Leitungsband zu wechseln. Die freien Elektronen und die entstehenden Elektronenlöcher senken den Widerstand des Materials. Deshalb gilt: Je heller das einfallende Licht, desto geringer der Widerstand. Der Widerstandswert lässt sich demnach als Kehrwert der Beleuchtungsstärke definieren.
Allerdings ist ein Fotowiderstand weniger lichtempfindlich als seine nächsten Verwandten, die Fotodiode und der Fototransistor. Die beiden letztgenannten Bauteile sind echte Halbleiterbauelemente, während ein Fotowiderstand keinen PN-Übergang besitzt. Die Lichtempfindlichkeit eines Fotowiderstands kann zudem je nach Umgebungstemperatur stark variieren. Das macht sie ungeeignet für Anwendungen, die eine präzise Messung der Photonenenergie erfordern.
Außerdem weisen Fotowiderstände eine gewisse Latenzzeit zwischen der Lichteinwirkung und der anschließenden Abnahme des Widerstands auf, die in der Regel bei etwa zehn Millisekunden liegt. Die Verzögerungszeit beim Übergang von einer beleuchteten zu einer dunklen Umgebung ist sogar noch größer und beträgt oft bis zu einer Sekunde. Schnell blinkende Lichter lassen sich mit Fotowiderständen daher nicht detektieren.
Ein LDR eignet sich perfekt als Sensor in lichtempfindlichen Detektorschaltungen und in Schaltkreisen mit Licht- und Dunkelaktivierung. Im Dunkeln kann ein solcher Sensor dem Stromfluss einen Widerstand bis zu mehreren Megaohm entgegensetzen, während er in hellem Licht lediglich einige hundert Ohm betragen kann.
Schaltungstechnisch und auch finanziell stellt eine Lichtsteuerung mit Fotowiderständen keine großen Anforderungen. Schon für wenige Euro lässt sich eine Leiterplatte mit einigen ein paar Bauteilen bestücken. Meistgenutzt werden dabei ein Sensor- und ein Aktorkreis: Der Sensorkreis enthält neben dem Fotowiderstand, einem Operationsverstärker, einem NPN-Transistor und stabilisierenden Widerständen, Dioden und Kondensatoren ein Trimm-Potentiometer zur Einstellung der Lichtempfindlichkeit sowie Anschlüsse für die Versorgung mit Strom. Der Aktorkreis besteht aus einem Relais zum galvanisch getrennten Schalten eines Verbrauchers, zum Beispiel eine Leuchte.
Sobald das einfallende Licht eine definierte Schwelle unterschreitet und der LDR damit höherohmig geworden ist, zieht das Relais an und schaltet den Verbraucher. Sinkt der Widerstandswert des LDR, öffnet das Relais, der Verbraucher wird abgeschaltet. Vielfach sind solche Dämmerungs- beziehungsweise Helligkeitsschalter als Bausatz erhältlich.
Schaltungen mit LDRs als Sensorelement sind häufig in Straßenlaternen eingebaut. Die auf den Sensor einfallende Lichtmenge schaltet die Laterne ein oder aus. So wird Strom gespart, indem sichergestellt wird, dass das Licht nur in den Stunden der Dunkelheit eingeschaltet ist. LDRs lassen sich aber auch in Sicherheitssystemen wie Lichtschranken einsetzen. Wenn eine Person oder ein Objekt den Lichtstrahl passiert, ändert sich die Lichtintensität und damit der Widerstandswert des LDR. Ein hoher Widerstand kann zur Aktivierung weiterer Maßnahmen genutzt werden.
Fotowiderstände sind in vielen Ausführungen im Handel. Preiswerte Cadmiumsulfid-Zellen finden sich in zahlreichen Konsumgütern wie Kamera-Belichtungsmessern, Radioweckern, in Alarmgeräten als Detektor für einen Lichtstrahl, in Nachtlichtern, Außenuhren und Solar-Beleuchtungen.
Sofern LDRs nicht als zentrale Elemente von Relais-Bausätzen sondern einzeln beschafft werden, ist die schaltungstechnische Passgenauigkeit zu beachten. Denn LDRs lassen sich durchaus mit maximalen Betriebsspannungen von 100 bis 350 Volt betreiben.
Weitere Parameter sind die detektierbaren Wellenlängen, die in der Regel zwischen 400 und 700 Nanometer liegt, der Zellenwiderstand sowie die Temperaturgrenzen. Letztere reichen meist von minus 60 bis plus 75 Grad Celsius. Der Standardwiderstand wird bei einer Beleuchtungsstärke von 10 Lux angegeben und liegt üblicherweise zwischen 6 und 60 Kiloohm.
Was genau ist ein Lux?
Das Lux ist die Einheit der Beleuchtungsstärke. Mit ihm wird der Lichtstrom in Lumen pro Flächeneinheit gemessen. Ein Lux entspricht einem Lumen pro Quadratmeter. Die Beleuchtungsstärke ist ein Maß dafür, wie viel Lichtstrom über eine bestimmte Fläche verteilt ist. Man kann sich den Lichtstrom als ein Maß für die gesamte „Menge“ des vorhandenen sichtbaren Lichts vorstellen, die Beleuchtungsstärke als ein Maß für die Intensität der Beleuchtung auf einer Fläche. Eine gegebene Lichtmenge beleuchtet eine Oberfläche schwächer, wenn sie über eine größere Fläche verteilt ist, daher ist die Beleuchtungsstärke umgekehrt proportional zur Fläche, wenn der Lichtstrom konstant gehalten wird.
Zum Vergleich: Bei einer Vollmondnacht und klarem Himmel beträgt die Beleuchtungsstärke etwa 0,2 Lux. In typischen Büros herrschen rund 400 Lux, im vollen Tageslicht ungefähr 18.000 Lux und in direktem Sonnenlicht 50.000 Lux.
Was ist unter der LDR-Bauart THT zu verstehen?
THT steht für das Englische trough-hole technology, zu Deutsch Durchsteckmontage. Die Anschlussdrähte von THT-Bauelementen werden also durch Löcher in der Leiterplatte gesteckt und an der Unterseite der Platte verlötet. Das Gegenteil von THT ist SMD, die surface-mount technology, deutsch Oberflächenmontage. Hier sind die Bauelemente direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte verlötet.
Ist beim Einsatz von Fotowiderständen auf die Polung der Anschlussdrähte zu achten?
Nein, Fotowiderstände sind wie ganz normale Widerstände einzusetzen, eine Polung wie beispielsweise bei Fotodioden gibt es nicht. Das heißt auch, dass LDRs sowohl mit Gleichstrom wie mit Wechselstrom funktionieren.