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Optische Sensoren (Sensoren III)
Elektronisch messen, steuern und regeln
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Optische Sensoren Gesucht sind physikalische Gesetze, die Licht mit elektrischen Eigenschaften verknüpfen. Lösung: PHOTO-EFFEKT Photo-Effekt in Metallen Halbleiter-Effekte -
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Photo-Effekt in Metallen
Entdeckung durch H. Hertz 1887 Erklärung durch A. Einstein 1905 -
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Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m2 Zur Vorstellung:
Sonne im Sommer:100‘000 lux Glühbirne in 1m Abstand: 120 lux
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Photo-Multiplier
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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.
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Halbleiter-Struktur Si Si Si
Valenzelektronen können durch einen Energieschub von 0,67 eV ins Leitungsband gehoben werden ! - - - - - Si Si Si - - - - - - - Si Si Si - - - -
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(Hochreines Germanium)
Si - + Si - Bei Raumtemperatur r=0,70Wm (Hochreines Germanium)
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Energie-Vergleich 3kT/2 = 0,025 eV Ionisierungsenergie E=0,67 eV
Hohe Leitfähigkeit kommt von Gitterstörungen und Fremdatomen (Dotierung).
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Donatoren Si Si Si Zusätzliche negative Ladungsträger n-dotiert Si As
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Akzeptoren Si Si Si Zusätzliche positive Ladungsträger p-dotiert Si Ga
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Photowiderstand
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Einfluss von Photonen + - + - + - + - + - s=e(nmn+pmp) + - + M - M U
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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
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p n U - + pn-Übergang p n U - + p n U - +
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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 + - - + - - - + + + + + + - - - + - - + + - - + + + + - - - - - + + - - + + + -
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pin-Dioden + - p n U Raumladungszone E Feldverlauf
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Diodenkennlinie bei Beleuchtung
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Empfindlichkeit
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Ersatzschaltbild Photostrom typischerweise 0.1 mA / lx
Unabhängig von der Angelegten Spannung. Leerlaufspannung bei Beleuchtung ca. 0,5 V
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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
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Anwendungen Verhinderung von Erdschlaufen und magnetischer Einstreuung (Cross Talk) Fiberoptik Infrarot-Fernsteuerung (z. B. TV) Galvanische Trennung bei Hochspannungsanlagen
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Realisierung eines Optokopplers
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Charge Coupled Devices CCD
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Photo-Transistor Funktionsweise analog zur Photo-Diode. Erzeugung des Basisstroms durch Photo-Effekt.
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Digitale Anwendungen
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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.
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Winkel-Geber Differentielle Winkelmessung 1 1 1
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Phasengleiche Lichtschranken auf zwei Kreisen
Differentielle Winkel-messung mit binärem Code definiert Richtung: 01 10 11
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Der Gray-Code 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111 6 0101 7 0100 8 1100 9 1101 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.
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Anwendungen Computer-Maus Motor-Feedback (Schrittmotor-Kontrolle)
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