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Optische Sensoren (Sensoren III)

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.

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Optische Sensoren (Sensoren III)

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Presentation Transcript

  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 1905

  4. Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m2 Zur Vorstellung: Sonne im Sommer:100‘000 luxGlühbirne 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 Si Si Valenzelektronen können durch einen Energieschub von 0,67 eV ins Leitungsband gehoben werden ! - - - - Si Si Si - - - - Si Si Si - - - -

  8. Si Si Si Si Si Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si Si Si Si Si Si - + - - Si Si Si Si Si Si - - - - Bei Raumtemperatur r=0,70Wm (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 Si Si Zusätzliche negative Ladungsträger n-dotiert - - - - Si As Si - - - - - Si Si Si - - - -

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

  12. Photowiderstand

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

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

  15. p p p n n n + + + - - - + + + + + + - - - + + + - - - + + + - - - - - - + + + + + + - - - + + + - - - - - - + + + - - - + + + U U U pn-Übergang

  16. + + + - - - a) p n + + - + - + - + + + - - + - + - 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. b) p n - - + + - + - - + + - + - + + + - - - + + + - - + + + - - - + - - + - + - - + + +

  17. n p + + + + + + - - - - - - U pin-Dioden Raumladungszone E Feldverlauf

  18. Diodenkennlinie bei Beleuchtung

  19. Empfindlichkeit

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

  21. 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

  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: 01 10 11 01

  30. 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 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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