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Ratgeber

Photodetektoren

Photodetektoren gehören zu den passiven Bauelementen in der Optoelektronik. Während aktive Komponenten wie LEDs durch Stromanschluss Licht ausstrahlen, empfangen passive Photodetektoren Lichtwellen beziehungsweise Photonen und verwandeln diese über Photoeffekte direkt in elektrischen Strom oder erzeugen über einen Schaltkreis elektrische Signale. In diesem Ratgeber stellen wir Ihnen die wichtigsten Typen vor und erklären deren Funktion.



Typen und Einsatzbereiche von Photodetektoren

Farbsensoren

Farbsensoren sind häufig in der Druckindustrie direkt an der Maschine im Einsatz. Sie erkennen schwarze Passermarken auf Druckbögen ebenso wie die am Rand aufgedruckten Kontrollfelder für die Druckfarben Cyan, Magenta und Gelb. Sie lassen sich sowohl als schneller Kontrastsensor als auch für die Ermittlung von Farbwerten einsetzen.  

Im Kontrastmodus arbeitet der Sensor als optischer Taster für Markierungen. Beim „Einlernen“ sucht die eingebaute Elektronik die Farbe der Sende-LED aus, mit der die Markierung am sichersten erkannt wird. Im Farbmodus werden die drei Lichtquellenfarben Rot, Grün und Blau zur Farbbeurteilung herangezogen, die Werte erscheinen auf dem integrierten Display.


Fotowiderstände

Ein Fotowiderstand oder auch LDR (von light-dependent resistor) ist ein Photodetektor, dessen Widerstand mit der auftreffenden Lichtstärke korreliert. Das heißt: Je größer die Lichtintensität, desto geringer ist der elektrische Widerstand des optischen Bauelements. Er lässt sich daher sehr gut in Detektorschaltungen einsetzen, die auf Licht oder Dunkelheit reagieren sollen.

Eine häufig anzutreffende Anwendung sind beispielsweise Lichtschranken. In der Regel leuchtet hier ein Infrarotlichtstrahl permanent auf einen lichtabhängigen Widerstand und lässt einen konstanten elektrischen Strom fließen. Wenn sich vor dem Detektor etwas bewegt, wird der Strahl unterbrochen, so dass sich sein Widerstand erhöht und er plötzlich viel weniger Strom durchlässt. Ein elektronischer Schaltkreis erkennt die Stromänderung und löst die gewünschte Aktion aus.

Im Dunkeln kann der Widerstand Werte bis zu mehreren Megaohm erreichen, während er bei intensivem Licht nur wenige hundert Ohm aufweist. Die vom Halbleiter absorbierten Photonen geben dabei den gebundenen Elektronen genügend Energie, um in das sogenannte Leitungsband zu springen. Die frei werdenden Elektronen und ihre Lochpartner leiten zusätzlichen Strom und verringern so den Widerstand.


Fotodioden

Auch Fotodioden, manchmal auch als Photodioden bezeichnet, sind Lichtsensoren auf Halbleiterbasis. Im Gegensatz zu LDRs verwandeln sie einfallendes Licht direkt in elektrischen Strom und können je nach Einsatzzweck auch optische Filter und eingebaute Linsen enthalten. Die übliche Solarzelle, die zur Erzeugung von Solarstrom verwendet wird, ist quasi eine einzige großflächige Fotodiode.

Fotodioden ähneln normalen Halbleiterdioden, besitzen allerdings ein kleines Fenster aus klarem Kunststoff. Sie können neben dem sichtbaren Licht auch IR-, UV-oder Röntgenstrahlen erkennen. Die häufigsten Anwendungen nutzen allerdings Ihre Fähigkeit für das Erkennen unsichtbarer infraroter Lichtwellen (IR). Typische Beispiele finden sich beispielsweise bei CD-Playern, Rauchmeldern, Fernbedienungen in der Unterhaltungselektronik und Computer-Mäusen.


Fototransistoren

Auch Fototransistoren reagieren sowohl auf sichtbares als auch auf unsichtbares Licht, in der Praxis meist auf Infrarot. Trifft das Licht durch ein Fenster auf die Basisregion des Transistors, erzeugen Photonen dort Ladungsträger, die sich durch den transistoreigenen Verstärkungseffekt sehr gut für Schaltungszwecke verwenden lassen. Der Fototransistor ist daher auch lichtempfindlicher als die Fotodiode.

Bestimmte Modelle dieses Photodetektors sind auf das Spektrum eines Infrarot-Lasers abgestimmt. Sie enthalten in der Regel eine Silizium-Fotodiode mit differenziellem Ausgangsverstärker. Durch die extreme Bündelung der Laserstrahlen lassen sich mit eine Kombination aus Infrarot-Laser und -Photodetektor auch größere Distanzen überbrücken, beispielsweise bei Zugangskontrollen oder Alarmanlagen. 

Fototransistoren werden häufig zusammen mit einer LED gekapselt eingesetzt und bilden optische Schalter. Sie erkennen die Unterbrechung des Lichtstrahls durch ein Objekt über Transmission und Reflexion, die Schaltgeschwindigkeit ist allerdings geringer als bei einer Fotodiode.


PIR-Sensoren

Die Abkürzung PIR steht für passives Infrarot. Ein PIR-Detektor ist somit ein elektronisches Bauelement, der das von Objekten in seinem Sichtfeld abgestrahlte Infrarotlicht misst. PIR-Photodetektoren finden sich am häufigsten in Bewegungsmeldern und sind oft Teil von Alarmanlagen oder automatischen Beleuchtungseinrichtungen.

Ein PIR-Detektor kann Veränderungen in der Menge der auf ihn auftreffenden Infrarotstrahlung erkennen, die je nach Temperatur und Oberflächenbeschaffenheit der Objekte vor dem Detektor variiert. Wenn zum Beispiel eine Person am Bewegungsmelder vorbeigeht, steigt die Temperatur an diesem Punkt im Sichtfeld des Melders von Raumtemperatur auf Körpertemperatur und sinkt dann wieder. Der Melder wandelt die daraus resultierende Änderung der einfallenden Infrarotstrahlung in eine Änderung der Ausgangsspannung um und löst damit die Erkennung aus. Objekte mit ähnlicher Temperatur, aber unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit können auch ein unterschiedliches Infrarot-Emissionsmuster aufweisen, so dass ihre Bewegung im Verhältnis zum Hintergrund den Melder ebenfalls auslösen kann.


Solarzellen

Solarzellen verwandeln Lichtenergie durch den von Albert Einstein 1905 beschriebenen fotoelektrischen Effekt unmittelbar in elektrische Energie um. Sie sind damit im eigentlichen Sinn nicht unbedingt zu klassischen Photodetektoren zu zählen. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Solarzellen hinsichtlich der Umwandlung von Licht in Strom variiert. Er liegt bei Zellen aus monokristallinem Silizium bei bis zu 22 Prozent, kann aber bei Mehrschichtzellen unter Verwendung von Galliumarsenid durchaus 30 Prozent erreichen. Im Labor wurden mit experimentellen Zellen Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht

Gruppen von Solarzellen zur Nutzung der Sonnenenergie werden als Photovoltaik-Panels bezeichnet. Sie bestehen aus einem Netz von Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind, um die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert zu erhöhen, beispielsweise auf 12 oder 24 Volt. Über eine Parallelschaltung lässt sich die Stromleistung erhöhen. Der von Solarzellen gelieferte Strom ist Gleichstrom, wird Wechselstrom benötigt, ist ein Wechselrichter notwendig. Mit einem in Stromrichter lässt sich die Spannung erhöhen.


CMOS-Bildsensoren

CMOS-Bildsensoren beziehungsweise CMOS Detectors sind in den meisten modernen Smartphones, digitalen Spiegelreflexkameras und spiegellosen Kameras mit Wechselobjektiv weit verbreitet. CMOS Detectors haben sich in Kameras als Alternative zu CCD-Bildsensoren entwickelt und diese bis Mitte der 2000er Jahre nahezu verdrängt. Sie bestehen heute aus mehreren Millionen einzelner Halbleiter-Photodetektoren (Pixel) auf einem einzigen Photodetektor.

Jedes Pixel wandelt die über das Objektiv einfallende Lichtenergie direkt in elektrische Spannungen um. Durch den Einsatz von Farbfiltern vor jedem Pixel, angeordnet in einem bestimmten Muster, lassen sich die einzelnen Spannungswerte der Pixel zu Helligkeits- und Farbintensitäten verarbeiten und zu einem Foto zusammenfügen.

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