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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

4 Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m 2 Zur Vorstellung: Sonne im Sommer: 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:

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

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


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