Sensor: Lichtsensor

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Lichtsensor

Der Lichtsensor (englisch: light dependent Resistor, LDR) ist ein lichtempfindlicher Halbleiterwiderstand. Mit erhöhtem Lichteinfall wird sein Widerstand geringer. Dies geschieht stufenlos, er ist ein analoger Sensor.

Lichtsensoren werden beispielsweise in Belichtungsmessern von Kameras und in Dämmerungsschaltern eingesetzt. Wir können ihn unter anderem verwenden, um eine LED die an den Arduino angeschlossen ist ein und auszuschalten.

Hw Sen LDRGrove Hw.jpg

Aufbau und Funktionsweise

Aufbau

Auf einer Keramikunterlage sind zwei Kupferelektroden angebracht. Sie liegen sich gegenüber und sind durch eine Halbleiterschicht getrennt. Um eine größere Kontaktfläche zu erzielen liegt der Halbleiter mäanderförmig zwischen den Kupferflächen. Dadurch wird der Sensor empfindlicher.


Hw Sen LDRResistor Fkt.jpg


Der Lichtsensor wird an eine Stromquelle angeschlossen. Je stärker die Intensität des Lichtes, desto leitfähiger ist der Sensor, denn sein Widerstand wird geringer mit steigendem Lichteinfall.
Dafür sorgt der innere Fotoelektrische Effekt im Halbleiter. Es gibt zwei Erklärungsansätze für den Effekt:

1. Kristallgittertheorie:
Aus dem Kristallgitter des Halbleitermaterials (oft eine Silizium oder Cadmiumsulfid) werden durch die Energie des Lichtes das auf ihn fällt, Elektronen herausgelöst. Diese stehen dann zur Verfügung um Strom zu leiten

2. Bändermodell:
Dem Erklärungsansatz steht ein quantenmechanisches Modell zu Grunde: Ein Elektron das an ein Atom gebunden ist tritt in Wechselwirkung mit einem Photon (Lichtteilchen) und ändert seine Energie.
In einem Atom des Halbleiter liegen verschiedene Energiebereiche vor die in Bänder eingeteilt sind. Ein mit Elektronen voll besetztes Band kann keinen Strom leiten.
Ein Elektron, das sich in einem weit vom Atomkern entfernten Energiebereich befindet kann leicht herausgelöst werden und in ein anderes Energieband wandern. Dies geschieht mittels der Energie des Lichts. Das Elektron wird vom Valenzband in das Leitungsband gehoben. Nun kann Strom fließen.
Je größer die Lichteinstrahlung desto mehr Energie ist vorhanden und desto mehr Elektronen können in das Leitungsband gehoben werden. Die Leitfähigkeit des Halbleiters steigt und sein Widerstand sinkt.


Hw Sen LDRBandtheorie Fkt.png

Integration in ein Programm

Die analogRead-Werte des Arduino liegen zwischen 0 und 1023. Die AnalogWrite-Werte aber zwischen 0 und 255. Es muss also eine Anpassung erfolgen, die auch mapping genannt wird. Im Beispielcode wird mittels des zuordnen Blocks gemappt.
Da der LDR auch bei kompletter Dunkelheit keinen Wert von 0 erreicht, wird durch ausprobieren ein Wert von ca 500 ermittelt und als untere Grenze festgelegt. Bei der stärksten Lichteinstrahlung im Versuch, hat der Sensor einen Wert von 900 erreicht. Dieser Wert bildet die obere Grenze.

Das folgende Programm ließt die LDR-Werte aus und zeigt diese auf dem Bildschirm an.

Beispielcode

ArduBlock:

Sw Ab LDRanalogRead.png
Arduino-Code

Sw Ard LDRanalogRead.png

Anhang

Quellen und Links für weitere Infos:
Hersteller:
http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Light_Sensor

Bändermodell:
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure
http://de.wikipedia.org/wiki/Bändermodell

Photoelektrischer Effekt:
http://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt#Innerer_photoelektrischer_Effekt

Grafik Photoresistor:
http://www.education.rec.ri.cmu.edu/content/electronics/boe/light_sensor/images/Photoresistor.jpg

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