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

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

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

Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m2 Zur Vorstellung: Sonne im Sommer:100‘000 lux Glühbirne in 1m Abstand: 120 lux

Photo-Multiplier

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.

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

(Hochreines Germanium) Si - + Si - Bei Raumtemperatur r=0,70Wm (Hochreines Germanium)

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

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

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

Photowiderstand

Einfluss von Photonen + - + - + - + - + - s=e(nmn+pmp) + - + M - M U

pn-Übergang a) p n E p b) n p c) n + - + + + + - - - - + + - + - + - - + 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. E p b) + - n + + - + + - + + - - - + - + + + - - + + - + - + - - p c) n + + - + + + - - + + - - + - + - Raumladungszone = Verarmungszone

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

Einfluss von Photonen p n a) - + a) 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 b) + n + - - + - - - + + + + + + - - - + - - + + - - + + + + - - - - - + + - - + + + -

pin-Dioden + - p n U Raumladungszone E Feldverlauf

Diodenkennlinie bei Beleuchtung

Empfindlichkeit

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

Optokoppler Leuchtdiode-Photosensor Strecke ermöglicht Signalübertragung durch eine galvanische Trennung auf schwebendes Potential. Emission a ILED, Iphoto a Übersetzungsverhältnis des Stroms: a = Ia/Ie weitgehend konstant

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

Realisierung eines Optokopplers

Charge Coupled Devices CCD

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

Digitale Anwendungen

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.

Winkel-Geber Differentielle Winkelmessung 1 1 1

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

Der Gray-Code 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 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.

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