LED als Lichtsensor

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Ziel & Lerninhalt

Eine LED ist eine Diode – und jede Diode reagiert auf Licht. Nutze eine ganz normale LED 'rückwärts' als Lichtsensor am Analogeingang.

  • Den photovoltaischen Effekt in einer LED verstehen.
  • Eine LED in Sperrrichtung an A0 verschalten.
  • Mit Mittelung und ggf. Pull-Down sauber auswerten.

Erklärung & Wissen

Basic

Eine LED leuchtet, wenn Strom in die richtige Richtung fließt. Aber sie kann noch etwas: Wenn Licht auf sie fällt, erzeugt sie selbst eine winzige Spannung – wie eine ganz schwache Solarzelle. Schließt du eine LED 'falschrum' an einen Analogeingang an, kannst du diese Lichtspannung direkt am Mainboard ablesen. Hell = höherer Wert, dunkel = niedriger Wert. Klare LED-Köpfe (durchsichtig, nicht milchig) funktionieren am besten, und rote LEDs sind oft am empfindlichsten auf rotes Licht.

Medium

Eine LED ist ein PN-Übergang mit Sperrschicht. Trifft Licht passender Wellenlänge auf diese Sperrschicht, schießt es Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband – es entsteht ein winziger Photostrom. Verbindest du Anode an A0 und Kathode an GND, lädt der Photostrom langsam die kleine Kapazität der LED auf, bis ein Gleichgewicht herrscht. Der ADC sieht eine Spannung von wenigen Hundert mV bei normalem Tageslicht. Mit einem 10 MΩ-Pull-Down (oder bei vielen Boards ohne) bleibt der Ruhewert sauber definiert.

Expert

LEDs sind schmalbandig: Eine rote LED reagiert am besten auf langwelliges Licht (>600 nm), eine blaue auf kurzwelliges. Eine grüne LED kann z.B. zwischen rotem und blauem Licht unterscheiden, wenn du sie zwischen beide Quellen hängst. Für reproduzierbare Messungen schaltet man die LED nicht passiv (Spannung sammeln), sondern aktiv: Kurz in Sperrrichtung auf 5V laden, dann Pin auf INPUT umschalten und messen, wie schnell die Spannung am hochohmigen Pin durch den Photostrom abfällt. Das ist der 'Discharge-Time'-Trick: Helligkeit ist proportional zur Geschwindigkeit der Entladung – funktioniert auch ohne externen Verstärker und ist erstaunlich empfindlich.

Fun Fact

Forrest M. Mims III hat in den 80ern bewiesen, dass man mit LEDs nicht nur Helligkeit, sondern sogar grobe Farbinformationen messen kann – ganze Pseudo-Spektrometer aus rot/grün/blau-LEDs ohne ein einziges 'echtes' Sensorbauteil.

PN-Übergang
Die Grenzschicht im Inneren einer Diode (und LED), an der positive und negative Ladungsträger aufeinandertreffen. An der Grenze zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Halbleiter entsteht eine ladungsarme 'Verarmungszone' mit eingebautem elektrischen Feld. Dieses Feld ist verantwortlich für die Gleichrichterwirkung (Strom nur in eine Richtung) UND für den Photöffekt: auftreffende Photonen heben Elektronen über die Bandlücke und das eingebaute Feld trennt sie sofort.
Innerer Photöffekt
Lichtphotonen reißen Elektronen aus dem Atomverbund und machen sie frei beweglich – der Stoff leitet besser. Photonen mit Energie $E = h \cdot f$ (h = Planck-Konstante, f = Frequenz) treffen auf Halbleiter-Elektronen. Ist die Energie größer als die Bandlücke $E_{gap}$, springt das Elektron ins Leitungsband und hinterlässt ein 'Loch'. Rotes Licht hat weniger Energie als blaues → manche LEDs reagieren farbselektiv.
Sperrrichtung
LED 'falsch herum' angeschlossen – kein eigener Strom fließt, aber Licht erzeugt einen Kleinstrom. In Sperrrichtung (Anode auf niedrigerem Potential als Kathode) ist die Diode normalerweise gesperrt. Licht erzeugt aber Ladungsträger, die das eingebaute Feld sofort trennt → ein kleiner Photostrom fließt entgegen der Sperrrichtung. Dieser Strom ist linear zur Lichtintensität – die Basis jeder Fotodiode.
Discharge-Time-Trick
LED kurz aufladen, dann messen wie schnell Licht sie wieder entlädt – empfindlichste Messmethode. Pin kurz auf OUTPUT/HIGH → lädt die parasitäre LED-Kapazität auf 5V. Dann Pin auf INPUT → hochohmig. Der Photostrom entlädt die Kapazität. $\texttt{digitalRead()}$ wechselt von HIGH zu LOW sobald die Spannung unter 1,5 V fällt. Zeit dazu = indirekt proportional zur Helligkeit. Sehr helles Licht → schnelle Entladung → kurze Zeit.

Praktischer Versuch: LED als Lichtsensor

Klassischer Passiv-Modus zum Einstieg, mit Mittelung sauber auswerten.

  • 1 LED (möglichst klar, rot empfohlen)
  • Optional: 1 MΩ als Pull-Down
  • Steckbrett & Jumper

  1. LED in Sperrrichtung anschließen

    Stecke die LED so, dass Anode auf A0 und Kathode auf GND geht. Optional 1 MΩ zwischen A0 und GND als Pull-Down.

    Check: ADC ändert sich klar zwischen 'Lampe an' und 'Hand drüber'.

    Tipp: Lange Seite (Anode) zum Pluseingang A0, kurze Seite (Kathode) zu GND – also genau umgekehrt zum normalen Leucht-Betrieb.

  2. Manuell prüfen

    Lade den Beispielcode hoch, halte die LED in unterschiedliche Lichtsituationen (Fenster, Schreibtischlampe, Schatten).

    Check: Bei direktem Lampenlicht ist der Wert höher als unter der Hand.

    Tipp: Halte die LED möglichst nah an Lichtquellen – durch ihren kleinen 'Sichtwinkel' sieht sie nur, was ihr direkt gegenüber liegt.

  3. Mittelung einbauen

    Im Code 32–64 schnelle Samples mitteln. Damit wird die Anzeige sichtbar ruhiger, ohne träge zu werden.

    Check: Werte erscheinen ruhiger und stabiler.

    Tipp: Der Photostrom ist klein – das Signal rauscht stark.

  4. Farbselektivität ausprobieren

    Probiere verschiedene Farb-Lichtquellen aus. Tausche danach gegen z.B. eine grüne LED – die Empfindlichkeitskurve verschiebt sich.

    Check: Rote LED reagiert auf rotes Licht (z.B. Smartphone-Taschenlampe mit roter Folie) deutlich stärker als auf blaues.

    Tipp: Schöner Aha-Moment: Eine LED 'sieht' wirklich nur eine Farbe gut.

Anode → A0, Kathode → GND. Optional: 1 MΩ Pull-Down parallel zur LED.

// ProtoPeaks - LED als Lichtsensor
const int sensorPin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    sum += analogRead(sensorPin);
  }
  int val = sum / 32;
  Serial.print("Licht-ADC: "); Serial.println(val);
  delay(100);
}
  • Wert bleibt bei 0. — LED falsch herum? Anode (langes Bein) muss auf A0, nicht auf GND.
  • Wert schwankt extrem. — Hochohmiger Eingang fängt Störungen. Pull-Down 1 MΩ ergänzen und Mittelung im Code erhöhen.
  • Kaum Empfindlichkeit. — Milchige LEDs streuen das Licht und sind unempfindlicher. Klare LED probieren oder Discharge-Time-Trick verwenden.

Kurzzusammenfassung

Eine ganz gewöhnliche LED dient als Lichtsensor: In Sperrrichtung erzeugt sie einen kleinen Photostrom, der direkt am Analogeingang messbar wird. Mit Mittelung und passender LED-Farbe entsteht ein erstaunlich brauchbarer Helligkeitssensor.

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