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Optische Sensoren (Sensoren III) Elektronisch messen, steuern und regeln.

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Präsentation zum Thema: "Optische Sensoren (Sensoren III) Elektronisch messen, steuern und regeln."—  Präsentation transkript:

1 Optische Sensoren (Sensoren III) Elektronisch messen, steuern und regeln

2 Optische Sensoren Gesucht sind physikalische Gesetze, die Licht mit elektrischen Eigenschaften verknüpfen. Lösung: PHOTO-EFFEKT –Photo-Effekt in Metallen –Halbleiter-Effekte -

3 Photo-Effekt in Metallen Entdeckung durch H. Hertz 1887 Erklärung durch A. Einstein 1905 -

4 Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m 2 Zur Vorstellung: Sonne im Sommer:100000 lux Glühbirne in 1m Abstand: 120 lux

5 Photo-Multiplier

6 Halbleiter und Photonen Halbleiter besitzen nur wenige freie Ladungsträger. Durch Absorption von Photonen können Valenzelektronen ins Leitungsband gehoben werden. Damit erhöht sich die Leitfähigkeit unter Bestrahlung.

7 Halbleiter-Struktur Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Valenzelektronen können durch einen Energieschub von 0,67 eV ins Leitungsband gehoben werden !

8 Si - - - - - - - - - - - - -- -- -- -- -- -- - + Bei Raumtemperatur =0,70 m (Hochreines Germanium)

9 Energie-Vergleich 3kT/2 = 0,025 eV Ionisierungsenergie E=0,67 eV Hohe Leitfähigkeit kommt von Gitterstörungen und Fremdatomen (Dotierung).

10 Donatoren Si As Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Zusätzliche negative Ladungsträger n-dotiert -

11 Akzeptoren Si Ga Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Zusätzliche positive Ladungsträger p-dotiert

12 Photowiderstand

13 Einfluss von Photonen + - + - + - + - + - + - +++M++++++M+++ ---M------M--- U =e(n n +p p )

14 pn-Übergang E Raumladungszone = Verarmungszone p n - + + + + + + + + + + - - - - - - - - p n - + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - + + + + + p n - + + + + + + + - - - - - - + + - a) b) c) a) Die freien Ladungsträger diffundieren thermisch durch den Halbleiter. b) Durch Diffusion in die fremddotierte Region entstehen lokale Raumladungen an der Grenzschicht (Raumladungszone) und damit ein elektrisches Feld von n nach p c) Durch Rekombination in der Raumladungszone verarmt diese an freien Ladungsträgern.

15 pn-Übergang p n U - + + + + + + + + + + - - - - - - - - p n U - + + + + + + + + + + - - - - - - - - p n U - + + + + + + + + + + - - - - - - - -

16 Einfluss von Photonen Elektron-Lochpaare, die in der Raumladungszone entstehen, werden getrennt. Es entsteht eine extern messbare Spannung. Dieser Prozess endet, wenn das durch die getrennten Ladungen erzeugte Feld das Diffusionsfeld kompensiert. p n - + + + + + + + - - - - - - + + b) p n - + + + + + + + - - - - - - + + a) + - + - + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + +

17 pin-Dioden + - + - + - + - + - + - p n U E Raumladungszone Feldverlauf

18 Diodenkennlinie bei Beleuchtung

19 Empfindlichkeit

20 Ersatzschaltbild Photostrom typischerweise 0.1 A / lx Unabhängig von der Angelegten Spannung. Leerlaufspannung bei Beleuchtung ca. 0,5 V

21 Optokoppler Leuchtdiode-Photosensor Strecke ermöglicht Signalübertragung durch eine galvanische Trennung auf schwebendes Potential. Emission a I LED, I photo a Übersetzungsverhältnis des Stroms: = I a /I e weitgehend konstant

22 Anwendungen Verhinderung von Erdschlaufen und magnetischer Einstreuung (Cross Talk) Fiberoptik Infrarot-Fernsteuerung (z. B. TV) Galvanische Trennung bei Hochspannungsanlagen

23 Realisierung eines Optokopplers

24 Charge Coupled Devices CCD

25 Photo-Transistor Funktionsweise analog zur Photo-Diode. Erzeugung des Basisstroms durch Photo-Effekt.

26 Digitale Anwendungen

27 Schmitt Trigger Wie macht man auf intelligente Weise ein digitales Signal ? Bei nur einem Schwellenwert kann es zu flackern in der Nähe der Schwelle kommen. Lösung durch zwei verschiedene Schwellenwerte mit Hysterese.

28 Winkel-Geber Differentielle Winkelmessung 1 1 1

29 Phasengleiche Lichtschranken auf zwei Kreisen Differentielle Winkel- messung mit binärem Code definiert Richtung: 01 10 11 01

30 Der Gray-Code Nicht-intuitive binäre Kodierung von natürlichen Zahlen mit der Eigenschaft, dass sich bei (zyklisch) aufeinanderfolgenden Zahlen jeweils genau ein Bit ändert. Verhindert bei Flügelrädern die Probleme, welche sich durch Ungenauigkeiten ergeben. 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111 6 0101 7 0100 8 1100 9 1101 10 1111 11 1110 12 1010 13 1011 14 1001 15 1000

31 Anwendungen Computer-Maus Motor-Feedback (Schrittmotor- Kontrolle)


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