Optische Sensoren (Sensoren III) Elektronisch messen, steuern und regeln.
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Optische Sensoren (Sensoren III) Elektronisch messen, steuern und regeln
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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 luxGlühbirne 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
Si Si Si
Si Si Si
--
--
--
--
--
--
-- -- --
-- -- --
Valenzelektronen können durch einen Energieschub von 0,67 eV ins Leitungsband gehoben werden !
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
--
--
-
-
--
--
--
-- -- --
-- -- --
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
-
+
Bei Raumtemperatur
=0,70m
(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
Si As Si
Si Si Si
--
--
--
--
--
--
-- -- --
-- -- --
Zusätzliche negative Ladungsträger
n-dotiert
-
Akzeptoren
Si Si Si
Si Ga Si
Si Si Si
--
--
--
--
-
--
-- -- --
-- -- --
Zusätzliche positive Ladungsträger
p-dotiert
Photowiderstand
Einfluss von Photonen
+- +-+-
+-
+-
+-
+++M+++
---
M---
U
=e(nn+pp)
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.
pn-Übergang p n
U
-+
+
+
+
++
+
+
+ + -
-
-
-
-
--
-
p n
U
-+
+
+
+
++
+
+
+ + -
-
-
-
-
--
-
p n
U
-+
+
+
+
++
+
+
+ + -
-
-
-
-
--
-
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) + -
+ -
+ -
-
-
-
-
-
-
-
--
-
-
--
++
+
++
+
+
++
+
++
pin-Dioden
+- +-+-
+-+-
+-
p n
U
E
Raumladungszone
Feldverlauf
Diodenkennlinie bei Beleuchtung
Empfindlichkeit
Ersatzschaltbild
Photostrom typischerweise0.1 A / lxUnabhängig von der Angelegten Spannung.
Leerlaufspannung bei Beleuchtungca. 0,5 V
Optokoppler
• Leuchtdiode-Photosensor Strecke ermöglicht Signalübertragung durch eine galvanische Trennung auf schwebendes Potential.
• Emission a ILED, Iphoto a Übersetzungsverhältnis des
Stroms: = 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
11
Phasengleiche Lichtschranken auf zwei
KreisenDifferentielle Winkel-
messung mit binärem Code definiert Richtung:
01101101
Der Gray-CodeNicht-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
Anwendungen
• Computer-Maus• Motor-Feedback (Schrittmotor-
Kontrolle)
