Was ist die Definition eines Lichtempfängers?

Lichtempfänger: Vom passiven Widerstand zum aktiven Signalgeber

Lichtempfänger sind elektronische Bauteile, die Lichtenergie in elektrische Signale umwandeln. Sie bilden ein Kernstück vieler technischer Anwendungen, von der einfachen Lichtschranke bis hin zu komplexen Bildverarbeitungssystemen. Die Funktionsweise basiert auf dem photoelektrischen Effekt, der beschreibt, wie Licht Energie auf Materialien überträgt und dadurch Elektronen freigesetzt werden, was zu einem messbaren elektrischen Strom führt. Doch die Vielfalt der Lichtempfänger geht weit über eine einfache Beschreibung hinaus. Sie unterscheiden sich deutlich in ihrer Arbeitsweise, ihren Eigenschaften und damit auch in ihren Anwendungsgebieten.

Eine grundlegende Unterscheidung liegt zwischen passiven und aktiven Lichtempfängern. Passive Lichtempfänger, wie beispielsweise Fotowiderstände (LDR, Light Dependent Resistor), verändern ihren elektrischen Widerstand abhängig von der auftreffenden Lichtintensität. Je mehr Licht auf den Fotowiderstand fällt, desto geringer ist sein Widerstand. Diese einfache und kostengünstige Bauart eignet sich besonders für Anwendungen, die nur eine grobe Lichterkennung benötigen, wie z.B. einfache Lichtschranken oder Dämmerungsschalter. Ihre Empfindlichkeit ist jedoch im Vergleich zu aktiven Elementen begrenzt und die Reaktionszeit oft relativ langsam.

Im Gegensatz dazu stehen aktive Lichtempfänger, die auf der Grundlage von Halbleiter-pn-Übergängen funktionieren. Hierzu zählen vor allem Fotodioden und Fototransistoren. Diese Bauteile nutzen den inneren photoelektrischen Effekt, bei dem die Absorption von Photonen im Halbleitermaterial Elektron-Loch-Paare erzeugt. Diese Ladungsträger werden durch das angelegte elektrische Feld des pn-Übergangs getrennt und erzeugen einen messbaren Fotostrom. Dieser Strom ist direkt proportional zur Lichtintensität.

Fotodioden liefern einen Strom, der direkt proportional zur Lichtintensität ist. Sie zeichnen sich durch eine hohe Linearität und schnelle Reaktionszeiten aus. Ihre Anwendungsspektren sind breit gefächert und reichen von der optischen Datenübertragung bis hin zur präzisen Lichtsteuerung.

Fototransistoren verstärken den durch die Lichteinstrahlung erzeugten Fotostrom, wodurch sie eine höhere Empfindlichkeit als Fotodioden aufweisen. Dies ermöglicht den Einsatz in Anwendungen mit sehr schwachen Lichtsignalen. Der Nachteil liegt in der im Vergleich zu Fotodioden oft etwas langsameren Reaktionszeit und einer nicht immer ideal linearen Kennlinie.

Die Wahl des geeigneten Lichtempfängers hängt stark von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Faktoren wie benötigte Empfindlichkeit, Linearität, Reaktionsgeschwindigkeit, Kosten und die benötigte Betriebsart (z.B. Analog oder Digital) müssen sorgfältig berücksichtigt werden. Die Bandbreite an verfügbaren Lichtempfängern ermöglicht eine optimale Lösung für nahezu jede Aufgabe im Bereich der Lichtsensorik.