Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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7 - Fotodiode und Fototransistor

Optische Sensoren

Kurzinformationen

Optische Sensoren

Sensoren, die auf Lichteinfall reagieren (Fotodiode, Fototransistor, LDR). Ursache dafür ist der lichtelektrische Effekt, bei dem die Photonen ihre Energie an die Elektronen des beleuchteten Stoffes abgeben.

Innerer und äußerer lichtelektrischer Effekt

  • Nach der Energieaufnahme besitzen die Elektronen so viel Energie, dass sie das beleuchtete Material verlassen können (äußerer lichtelektrischer Effekt).
  • Nach der Energieaufnahme wechseln Elektronen aus dem Valenz- in das Leitungsband und hinterlassen im Valenzband ein Loch (innerer lichtelektrischer Effekt). Die Zahl der erzeugten Elektronen-Loch-Paare ist dabei proportional zur Zahl der absorbierten Photonen..

Fotodioden

Halbleiter-Dioden (z. B. aus Silizium oder Germanium), die Licht an einem p-n-Übergang durch den inneren Fotoeffekt in einen elektrischen Strom umwandeln. Die Fotodiode wird in der Regel in Sperrrichtung betrieben. Der Sperrstrom ist dann proportional zur Beleuchtungs-stärke. Die Bedeutung der Fotodiode liegt insbesondere in der sehr kurzen Schaltdauer. Mit Fotodioden lassen sich daher Frequenzen bis in den MHz-Bereich hinein erfassen.

In sehr vielen Geräten werden Lichtsensoren benutzt. Man findet sie heute u. a. in:

  • Autos und der Autobeleuchtung, die automatisch angeschaltet wird, wenn es dunkel oder ein Tunnel passiert wird.
  • Straßenbeleuchtungen, die sich automatisch einschalteen, wenn ein bestimmter Helligkeitswert unterschritten wird.
  • Bewegungsmeldern, die die Beleuchtung einschalten, sobald ein Mensch in deren Erfassungsbereich tritt.
  • Laptop Displays zur automatischen Helligkeitsregelung.
  • Kameras mit automatischer Belichtungseinstellung.
  • Fernsehern, Musikanlagen, DVD Spielern und anderen Audiosystemkomponenten, die sich über Fernbedienungen einstellen lassen.

Lichtsensoren in Geräten der Unterhaltungselektronik reagieren auf infrarotes (IR) Licht, das von Fernbedienungen ausgesendet wird. Es ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann aber von entsprechenden Sensoren wahrgenommen werden.

Am Kopf einer Fernbedienung für den Fernseher befindet sich eine solche IR LED. Jeder  Tastendruck auf der Fernbedienung sendet ein codiertes für uns nicht sichtbares Signal aus Nullen und Einsen an den Fernseher.

Es gibt sehr verschiedene Lichtsensoren, die für die jeweilige Aufgabe, die sie erfüllen müssen, ausgelegt sind. Die automatisch geregelte Straßenbeleuchtung reagiert auf sichtbares Licht, ein IR Sensor im Fernseher wartet auf IR-Signale von einer Fernbedienung und die Sensoren in einer digitalen Kamera reagieren möglicherweise auf unterschiedliche Farben.

Abbildung 1 - Verschiedene Lichtsensoren

Im Datenblatt zu einem Lichtsensor wird beschrieben, für welchen Wellenlängenbereich des Lichtes der Sensor eingesetzt werden kann. Als Wellenlänge bezeichnet man

  • den Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern oder
  • den kleinsten Abstand zweier Punkte einer Welle, die die gleiche Phase oder die gleiche Auslenkung und Bewegungsrichtung haben.

Jede Farbe des sichtbaren Lichtes hat ihre eigene Wellenlänge. Abb. 2 zeigt Wellenlängen des sichtbaren und unsichtbaren Lichtes, gemessen in Nanometern (nm). Ein Nanometer ist der 1 milliardste Teil eines Meters. Der infrarote und ultraviolette Bereich des Lichtes sind für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Abbildung 2 - Wellenlängen und die ihnen zugeordneten Farben (Courtesy of Parallax Inc.)

Der Fototransistor

Der Transistor als Ventil

Ein Transistor reagiert wie ein Ventil, das eine bestimmte Menge des elektrischen Stroms durch zwei seiner Zuleitungen laufen lässt.

Die Basis regelt alles

Die dritte Zuleitung reguliert die Stärke des elektrischen Stromes durch die beiden anderen Zuleitungen.

Je mehr Licht auf die Basis des Fototransistors fällt, desto mehr Strom wird vom Kollektoranschluss (C) zum Emitteranschluss (E) geleitet. Umgekehrt führt weniger Licht auf der Basis dazu, dass weniger Strom durchgeleitet wird.

Die höchste Empfindlichkeit des hier eingesetzten Fototransistors liegt bei 850nm, was nach Abb. 2 im IR-Bereich liegt. Aber er reagiert auch auf sichtbares Licht, weniger empfindlich ist er besonders bei Wellenlängen unter 450nm (UV-Licht).

Halogen- oder Glühlampen und besonders Sonnenlicht sind wesentlich stärkere IR Lichtquellen als Leuchtstoffröhren. Der Fototransistor reagiert auf alle diese Lichtquellen, ist aber am empfindlichsten bei Sonnenlicht, weniger empfindlich bei Halogen- und Glühbirnenlicht und sehr wenig empfindlich bei Leuchtstoffröhren.

Übung 1 - Licht messen

Über die Ladezeit kann die Lichtintensität mit einem Fototransistor bestimmt werden.

In dieser Übung wird eine RC-Schaltung aufgebaut und die Ladezeit des Kondensators bestimmt, bis der Eingang, mit dem der Kondensator verbunden ist, eine 1 erkennt. Während des Ladevorganges zählt der Controller von 0 aufwärts. Den Zählwerten wird mit Hilfe der parallel erstellten Oszillogramme ein Zeitwert zugeordnet. Mit Hilfe des Programmes Excel erfolgt die Eichung der Zählwerte.

Die Zeitwerte sind ein Maß für die Lichtintensität, die auf die lichtempfindliche Fläche des Fototransistors trifft. Die gemessenen Ladezeiten werden über das Programm CoolTerm ausgegeben.

Lichtmessung

Material

  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Nullkraftsockel
  • 1x  USB-UART Adapter
  • 1x  Netzteil
  • 1x  ATmega8A oder ähnlich
  • 1x  Kondensator: 10 nF
  • 1x  Fototransistor
  • 1x  Programm BASCOM
  • 1x  Programm CoolTerm
  • div. Steckdrähte
  • USB-Oszilloskop

Aufgaben

  • Baue die Schaltung nach der Schaltskizze auf.
  • Übertrage das Programm fototransistor1.bas in den Editor und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Notiere für verschiedene Lichteinstrahlungen (hell, leicht schattig, schattig) die ermittelten Zeitwerte und trage sie in die Tabelle ein.

 

Schaltskizze

Abbildung 3 - Schaltskizze mit Fototransistor, Kondensator und Pull-up Widerstand an PC.0

Die lichtempfindliche Fläche eines Fototransistors befindet sich oben im zylinderförmigen Kopf der Diode, die auch als Basis (B) gekennzeichnet ist. Im Glaskörper sichtbar ist ein kleines schwarzes Quadrat, der eigentliche Fototransistor.

Die lichtempfindliche Stelle des Halbleiters wird unterschiedlich starkem Lichteinfall ausgesetzt. Während des Programmlaufs werden im Terminal  kleine Zählwerte bei geringem und große Werte bei starkem Lichteinfall angezeigt.

 

Vermeide direkte Sonneneinstrahlung! Der Schaltkreis ist für Lichtintensitäten in normal beleuchteten Räumen dimensioniert und sollte nicht direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden.

 

Das Programm fototransistor1.bas

Meine Messwerte

Übung 2 - Quantitative Auswertung von Helligkeitsstufen

Die Zählwerte und die entsprechenden Helligkeitswerte verhalten sich zueinander linear. In dieser Übung werden mit dem Fototransistor verschiedene Helligkeitsstufen aufgenommen und anschließend ausgewertet. Dazu wird der Fototransistor dem Steckbrett entnommen und über entsprechende Kabelverlängerungen so positioniert und fixiert, dass er unterschiedliche Helligkeitsstufen verschiedener Objekte stabil ausmessen kann. Um möglichst wenig Fremdeinstrahlung zu bekommen, ist der Fototransistor in zwei Abstandshalter entsprechend verbaut worden.

Quantitative Messung

Material

  • wie in Übung 1
  • Taschenlampe o. ä. (optional)

 

Aufgaben

  • Baue die Schaltung nach der Schaltskizze auf.
  • Übertrage das Programm fototransistor2.bas in den Editor und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Notiere für verschiedene Lichteinstrahlungen die im Terminal angezeigten Zählwerte N und die vom Oszilloskop gemessene Aufladezeit t und trage die Werte in eine Tabelle ein.
  • Lege durch die Messpunkte eine Ausgleichsgerade und bestimme ihre Steigung.

 

Schaltskizze

Das Programm fototransistor2.bas

Die Ausrichtung des Fototransistors zur Lichtquelle wurde jeweils so vorgenommen, dass beginnend bei 85 Zählschritten, die Anzahl der Zählschritte N sich um jeweils 5 erhöhte. Aus dem Oszillogramm wird die Ladezeit in µs bestimmt.

Einige Messwerte zeigt die folgende Tabelle:

Die Messwerte werden in eine Excel-Tabelle übertragen und grafisch ausgewertet. Die Ausgleichsgerade besitzt eine Steigung von ca. 3,9.

Die Gerade genügt der Gleichung

Tauscht man im Programm fototransistor2.bas Zeile 42 gegen die folgenden Zeilen aus

und ergänzt im Definitionsteil der Variablen die neu hinzugekommenen Größen Zeit und Zeit_s, dann lassen sich die Zeitmessungen direkt im Terminalfenster anzeigen.

Darstellung der Messwerte im Terminal CoolTerm

Weiter geht´s mit dem Kapitel LDR

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