Optische Sensoren gehören zu den am weitesten verbreiteten Sensorarten überhaupt.
Einfache Gabellichtschranken erfassen ob noch Papier im Drucker vorhanden ist, in modernen Badarmaturen schalten sie berührungslos und damit hygienisch den Wasserstrahl ein und aus und in der chemischen Industrie erfassen sie den Trübungsgrad von Abwässern.
Kaum eine andere Sensortechnologie kann so universell eingesetzt werden. Die folgende Abbildung zeigt eine Auswahl der wichtigsten lichtempfindlichen elektronischen Bauelemente welche in der optischen Sensortechnologie zum Einsatz kommen.
1) Fotowiderstand LDR 07
2) Fotowiderstand LDR 05
3) Fotowiderstand LDR 03
4) Miniaturfotowiderstand für Belichtungsmesser
5) Großflächiger Spezialfotowiderstand [1]
6) Phototransistor BPW 40
7) IR-Empfängerdiode SFH 203 FA mit Tageslicht-Filtergehäuse
8) IR-Receiver SFH5110-36 für IR-Fernbedienungen
9) Präzisions-Photodiode BPX 65
10) Miniaturphotodiode
11) Reflexlichtschranke
12) Gabellichtschranke
Die Vorteile optischer Sensoren liegen auf der Hand:
1) Optische Sensoren können völlig berührungsfrei Schaltvorgänge auslösen
2) Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern sind sie praktisch keinem Verschleiß unterworfen und arbeiten daher über lange Zeiträume hinweg völlig wartungsfrei
Diesen Vorteilen stehen auch einige Nachteile gegenüber:
1) Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung
2) Temperaturabhängigkeit
Diese Nachteile spielen aber bei vielen Anwendungen nur eine untergeordnete Rolle oder können durch geeignete technische Maßnahme leicht umgangen werden.
Optoelektronische Bauelemente
Im Wesentlichen werden 3 verschiedene elektronische Bauteile als optische Sensorelemente eingesetzt:
1) Fotowiderstände - LDR (Light Dependent Resisitor)
2) Photodioden
3) Phototransistoren
Die oben genannte Tabelle gibt eine Übersicht über die Vor- und Nachteile und die Anwendungsgebiete dieser drei Bauelemente:
Nachfolgend sind die wichtigsten technischen Daten für die bekanntesten Typen dieser Bauelemente zusammengestellt:
Die Photowiderstände LDR 07 / 05 / 03:
Fotowiderstände bestehen aus Halbleitern ohne Sperrschicht. Für sichtbares Licht wird meist Cadmiumsulfid verwendet. Typen LDR 03, LDR 05 und LDR 07 unterscheiden sich nur in ihrer mechanischen Ausführung. LDR 03 ist in einem kompletten Kunststoffgehäuse montiert, LDR 05 ist in klaren Kunststoff eingegossen, LDR 07 wird ohne Gehäuse geliefert.
Zwischen Widerstand und Beleuchtungsstärke ist besteht in guter Nährung ein exponentieller Zusammenhang. Allerdings weisen die einzelnen Exemplare erhebliche Toleranzen auf. Weiterhin ist der Photowiderstand ein äußerst träges Bauelement. Bei absoluter Dunkelheit kann es mehrere Sekunden dauern, bis der Maximalwiderstand erreicht wird.
Photowiderstände sind daher hauptsächlich für einfache und langsame Anwendungen wie Lichtschranken oder einfach Belichtungsmesser in Fotoapparaten etc geeignet. Für präzise Messungen mit hoher absoluter Genauigkeit kommen sie weniger in Frage.
Die folgende Abbildung zeigt den ungefähren Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Beleuchtungsstärke. Die beiden gestrichelten Graphen deuten den Toleranzbereich an.
Eine typische Anwendung von Fotowiderständen ist auch im ELO-online-Artikel „Solarzellennachführung" [2] zu sehen.
Photodiode BPX 65
Diese vergleichsweise hochwertige Photodiode zeichnet sich durch und ihren geringen Dunkelstrom aus. Sie wird daher häufig in kritischeren Anwendungen eingesetzt. Hierzu zählen die präzise Messung auch geringer Lichtintensitäten oder Empfang und Detektion schneller optischer Signale.
Nutzbarer Wellenlängenbereich: 350 nm bis 1100 nm
Max. Verlustleistung, TA = 25 oC 250 mW
Empfindlichkeit 10 nA/Ix
Wellenlänge der max. Fotoempfindlichkeit 850 nm
Halbwinkel 40 Grad
Dunkelstrom bei VR = 20 V 1 nA
IR-Diode FSH 203
Die Hauptanwendungen dieser Universalphotodiode liegen in folgen Gebieten:
- Industrieelektronik
- Messen, Steuern und Regeln
- Schnelle Lichtschranken für Gleich- und Wechsellichtbetrieb
- Lichtwellenleiter
Sie ist aber auch in Hobby-Anwendungen weit verbreitet, da sie einerseits recht robust und andererseits auch relativ preisgünstig ist.
Nutzbarer Wellenlängenbereich: 400 nm bis 1100 nm
Max. Verlustleistung 100 mW
Dunkelstrom, VR = 20 V < 5 nA
Anstiegszeit, RL = 50 Ohm VR = 20 V 5 ns
Kapazität, VR_= 0 V, f = 1 MHz, E = 0 11 pF
Phototransistor BPW 40
Dieser Phototransistor findet bei Lichtschranken und Dämmerungsschaltern etc. breite Anwendung. Insbesondere wird er auch in Hobby-Projekten häufig eingesetzt. So kommt er auch z. B. im Lernpakt „Sensortechnik" [3] zur Einsatz. In diesem Lernpaket werden damit Schaltungen wie z. B.
1) Eine Notbeleuchtung
2) Ein Belichtungsmesser
3) Objekt-Detektion
4) Ein Barcode-Leser
5) Abstandswarnung - mit akustischem Alarm
6) Erfassung Bildwiederholfrequenzen von TV und Monitor
7) Eine Schattenorgel
aufgebaut. Auch im ELO-Beitrag „Optische Sensoren: Praktische Anwendungsbeispiele" [4] wird eine einfache Reflexlichtschranke mit dem BPW 40 beschrieben.
Technische Daten des BPW 40:
Max.Kollector Emitter Spannung 70 V
Kollektor Dunkelstrom, VCE = 20 V 200 nA
Max. Kollektorstrom 100 mA
Optischer Öffnungswinkel 40°
Die passende Ergänzung zu diesem Artikel:
 | Lernpaket Laser-Experimente 60 Bauteile, Laserpointer, 2 Steckboard, Handbuch 64 Seiten
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Ob in den Sicherheitslichtschranken von Aufzügen oder Garagentoren, in Dämmerungsschaltern, die vollautomatisch Straßenbeleuchtungen ein- und ausschalten, in Alarmanlagen etc., überall sind optische Sensoren als hilfreiche Geister im Einsatz.
