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

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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 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)