LDR – Fotowiderstand

Die Straßenlaterne, die bei Einbruch der Dunkelheit angeht, das Nachtlicht im Flur, das Bastelprojekt, das „sieht“, ob es hell ist: Lange Zeit steckte in solchen Schaltungen ein Fotowiderstand, kurz LDR (Light Dependent Resistor). Die kleine Scheibe mit der orangefarbenen Schlangenlinie ist einfach anzuschließen, braucht keine Polarität und ändert ihren Widerstand mit dem Licht über mehrere Zehnerpotenzen. In jedem Elektronik-Einsteigerset liegt einer – in neuen Serienprodukten dagegen kaum noch, aus Gründen, die du am Ende dieses Artikels findest.

Aufbau und Funktionsweise

Ein LDR besteht aus einer dünnen Schicht eines lichtempfindlichen Halbleiters auf einem Keramikträger. Bei den gängigen Typen ist das Cadmiumsulfid (CdS), seltener Cadmiumselenid; für Infrarot gibt es Bleisulfid und andere Materialien. Auf der Schicht liegen zwei kammartig ineinandergreifende Metallelektroden. Dazwischen bleibt eine schmale, lange, schlangenförmige Bahn aus Halbleitermaterial frei – die orangefarbene Linie, die du auf dem Bauteil siehst. Die Form macht die Strecke zwischen den Elektroden kurz und breit; so wird der Widerstand klein genug, um ihn gut zu messen.

Im Dunkeln hat das Material nur sehr wenige freie Ladungsträger, der Widerstand ist hoch. Trifft Licht auf die Schicht, gibt jedes ausreichend energiereiche Photon seine Energie an ein Elektron ab und hebt es aus seiner Bindung: Es entsteht ein freies Elektron und ein Loch, beide tragen zum Strom bei. Mehr Licht bedeutet mehr Ladungsträger und damit einen kleineren Widerstand. Dieser innere fotoelektrische Effekt wird unter Optoelektronik genauer erklärt.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Widerstandsrechteck mit zwei schrägen Pfeilen, die von außen auf das Bauteil zeigen – das einfallende Licht. Bei der LED zeigen die Pfeile genau umgekehrt vom Bauteil weg. Manche älteren Pläne zeichnen das Rechteck in einem Kreis. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Kennwerte

Trägt man den Widerstand über der Beleuchtungsstärke doppelt logarithmisch auf, ergibt sich nahezu eine Gerade. Ihre Steigung heißt Gamma (γ). Damit lässt sich der Widerstand bei jeder Beleuchtungsstärke aus dem Wert bei 10 lx abschätzen:

Die Beleuchtungsstärke E in Lux beschreibt, wie viel Licht auf eine Fläche fällt (siehe Lichtstrom und Beleuchtungsstärke). Zur Orientierung: Vollmond etwa 0,2 lx, Dämmerung etwa 10 lx, Büroarbeitsplatz 500 lx, bedeckter Himmel um 10 000 lx, pralle Sonne bis 100 000 lx.

Die Kennwerte des verbreiteten Typs GL5528 (5 mm Durchmesser):

Zwei Dinge fallen auf. Die Exemplarstreuung ist groß: Zwei LDRs desselben Typs können sich um den Faktor zwei unterscheiden. Und das Empfindlichkeitsmaximum liegt im Grünen, ähnlich wie beim menschlichen Auge – CdS-Zellen „sehen“ Licht also ungefähr so hell, wie du es empfindest.

Trägheit

Ein LDR ist langsam. Auf Helligkeit reagiert er in einigen zehn Millisekunden, beim Übergang zu Dunkelheit kann es deutlich länger dauern, bis der Dunkelwiderstand erreicht ist – nach langer heller Beleuchtung sogar Sekunden. Zudem „erinnert“ er sich an die Lichtverhältnisse der letzten Stunden; sein Widerstand hängt etwas davon ab, wie hell es zuvor war.

Für einen Dämmerungsschalter ist das kein Nachteil, eher ein Vorteil: Flackernde Lichtquellen und kurze Schatten werden geglättet. Für eine Lichtschranke, Datenübertragung oder alles, was schneller als einige Hertz ist, nimmst du eine Fotodiode oder einen Fototransistor.

Anwendung: Dämmerungsschalter

Am einfachsten setzt du den LDR in einen Spannungsteiler. Liegt der LDR oben an der Versorgung und ein Festwiderstand unten nach Masse, steigt die Ausgangsspannung mit der Helligkeit.

Damit die Lampe in der Dämmerung nicht flackert, braucht der Vergleich eine Hysterese: Einschalten bei 10 lx, Ausschalten erst bei 20 lx. Das erledigt ein Schmitt-Trigger oder ein Komparator mit Mitkopplung – oder einfach die Software im Mikrocontroller. Der Festwiderstand wird dabei so gewählt, dass er etwa so groß ist wie der LDR bei der gewünschten Schaltschwelle; dann ist der Teiler dort am empfindlichsten.

Auswahl und Praxistipps

Wähle den Hellwiderstand bei 10 lx passend zu deiner Schaltschwelle, achte auf Spannung und Leistung und plane die Exemplarstreuung ein.

Häufige Fehler:

• Die eigene Lampe sieht den LDR: Fällt das Licht der geschalteten Lampe auf den Fühler, schaltet sie sich selbst aus – das Ergebnis ist ein Blinklicht. Abschirmen und Hysterese helfen.
• Zu schnelle Erwartungen: Ein LDR erkennt keine Pulse einer Fernbedienung oder einer schnell laufenden Lichtschranke.
• Dunkelwiderstand im Megaohmbereich an einem hochohmigen Teiler: Ein ADC-Eingang braucht eine niederohmige Quelle. Ein Kondensator von 100 nF am Eingang hilft.
• Exemplarstreuung ignoriert: Ohne Abgleich schaltet jedes Gerät bei einer anderen Helligkeit.
• Licht von der falschen Seite: Auch die Rückseite und die Seiten des Gehäuses sind etwas lichtempfindlich.

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