Die Rolle optischer Sensoren in elektronischen Anwendungen

In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien optischer Sensoren, optische Sensortypen, Überlegungen zur Auswahl optischer Sensoren und wichtige Anwendungen beschrieben.

Optische Sensoren sind elektronische Bauteile, die einfallende Lichtstrahlen erkennen und in elektrische Signale umwandeln. Diese Komponenten sind nützlich, um die Intensität des einfallenden Lichts zu messen und je nach Sensortyp in eine für ein integriertes Messgerät lesbare Form umzuwandeln.

In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien optischer Sensoren, optische Sensortypen, Überlegungen zur Auswahl optischer Sensoren und wichtige Anwendungen beschrieben.

Beispiel für einen optischen Sensor. Bild mit freundlicher Genehmigung von ROHM

Anwendungen optischer Sensoren

Optische Sensoren sind allgegenwärtige Komponenten in elektronischen Geräten und Geräten, die in den Bereichen Industrie, Verbraucher, Gesundheitswesen und Automobil verwendet werden.

Medizin und Gesundheitswesen

Angesichts des beispiellosen Bedarfs an kontaktloser Sensorik aufgrund der globalen Pandemie wurden optische Sensoren in Desinfektionsspendern in Langzeitpflegeeinrichtungen eingesetzt, um die Einhaltung von Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften zu gewährleisten.

Andere medizinische Anwendungen umfassen biomedizinische Geräte zur Atemanalyse und Herzfrequenzüberwachung. Eine Atemanalyse kann mit einem abstimmbaren Diodenlaser durchgeführt werden, während die Reflexion des Lichts zurück zum Sensor durch die Haut die menschliche Herzfrequenz in einem als Photoplethysmographie bekannten Prozess genau überwachen kann. Tragbare tragbare Sensoren verwenden optische Sensoren für die automatische und manuelle Verfolgung des Gesundheitszustands und der Vitalparameter des Benutzers.

Industrie/Gewerbe

In industriellen und gewerblichen Anwendungen werden optische Sensoren auch zur Abstands- und Temperaturerfassung und Automatisierung in Industrie 4.0-Anwendungen eingesetzt. Optische Sensoren können beispielsweise Flüssigkeitsstände in verfahrenstechnischen Anlagen, wie beispielsweise Erdölstände in Tanklagern und Kohlenwasserstoff-Raffinerien, durch die Integration einer Infrarot-LED, eines Lichttransistors und einer transparenten Prismenspitze erkennen.

Optische Sensoren ermöglichen auch eine automatisierte Steuerung, indem sie das Vorhandensein von Komponenten in Fabrikhallen erkennen.

Unterhaltungselektronik

Optische Sensoren werden auch zur Umgebungslichterfassung in der Unterhaltungselektronik wie Smartphones verwendet, mit Vorteilen wie der Verlängerung der Batterielebensdauer und der Optimierung der Bildschirmhelligkeit, um sie an die Beleuchtungsstärke in der Umgebung anzupassen.

Das folgende Schema (Abbildung 1) integriert einen Mikrocontroller und einen LED-Treiber-IC mit selbstleuchtender Steuerung, um einen Ausgangsstrom proportional zur Menge des Umgebungslichts zu erreichen und die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges nachzuahmen.

Abbildung 1. IC-Blockschaltbild des Umgebungslichtsensors. Bild mit freundlicher Genehmigung von ROHM

Photounterbrecher und reflektive Photosensoren werden zur optischen Abtastung in Druckern und 3D-Scannern für Industrie- und Einzelhandelsanwendungen verwendet. Optische Sensoren werden auch in Überwachungsgeräten in Gewerbe- und Wohngebäuden verwendet, um Einbrecher zu erkennen.

Typen optischer Sensoren

Zu den gängigsten Arten von optischen Sensoren gehören:

• Lichtschranken vom Übertragungstyp erkennen das Vorhandensein von Objekten durch Abfangen von Licht und werden häufig in Anwendungen wie Positionserfassung und Rotationsgeschwindigkeitsmessungen verwendet
• Reflektierende Fotosensoren Erkenne die Bewegung von Objekten, indem du die Lichtreflexion an ihnen misst
• Photoleitende Geräte elektrisch leitfähig werden, indem einfallende Lichtstrahlen absorbiert werden
• Fotodioden wandeln einfallendes Licht in elektrischen Strom um
• Fototransistoren erzielen ähnliche Ergebnisse wie Photodioden, wenn der Basis-Kollektor-Übergang Licht ausgesetzt wird

Betrieb optischer Sensoren

Optische Sensortechnologien erfordern monochromatische, kompakte und zuverlässige Lichtquellen, um effektiv zu funktionieren. Übliche Lichtquellen, die für die Beleuchtung optischer Sensoren geeignet sind, umfassen LEDs und Laser.

Leuchtdioden (LEDs) erzeugen Licht, wenn sich Elektronen mit Löchern an einem Übergang von n- und p-dotierten Halbleitern verbinden, um die Freisetzung von Photonen zu unterstützen. Andererseits wird ein Laser durch die elektrische Anregung von Elektronen in den Atomen bestimmter Materialien wie Glas oder Kristallen erzeugt.

Abbildung 2. Blockschaltbild des optischen Näherungssensors. Bild mit freundlicher Genehmigung von ROHM

Unterschiedliche Typen optischer Sensoren funktionieren jedoch etwas anders.

Der maximale Strom, den ein Fototransistor auf Endstufenbasis in Fotounterbrechern treiben kann, hängt von der Lichtmenge ab, die er empfängt. Wenn Licht auf den Fototransistor fällt (d. h. kein Objekt in der Lücke), weisen Fotounterbrecher einen LOW-Ausgang auf.

Abbildung 3. Fotounterbrecher-Konstruktion. Bild mit freundlicher Genehmigung von ROHM

Umgekehrt weisen Lichtschranken bei Vorhandensein eines Objekts eine HOCH-Ausgangsleistung auf. Ingenieure können die Fähigkeiten von Lichtschranken nutzen, indem sie den Ausgang zur optischen Steuerung an einen Mikrocontroller oder ein Logikgerät anschließen.

Überlegungen zum Design

Reaktionszeiten, Kosten, Größe und Empfindlichkeit sind wesentliche Aspekte für Ingenieure, die optische Sensoren in ihre Designs integrieren möchten.

Die Reaktionszeit bezieht sich auf die Zeit, die ein optischer Sensor benötigt, um auf einfallendes Licht zu reagieren, und ist in mehreren Anwendungen kritisch. Schnellere Reaktionszeiten führen in der Regel zu höheren optischen Erfassungseffizienzen. Viele optische Sensoren (Abbildung 4) integrieren Reaktionszeit-Messschaltungen in ihre Designs, um ihre Verzögerungs-, Anstiegs- und Abfallzeitfähigkeiten zu berücksichtigen.

Abbildung 4. Produktabbildung des RPI-246 (links) und des RPI-44C1E (rechts). Bild mit freundlicher Genehmigung von ROHM

Ebenso sind die Kosten eine wesentliche Voraussetzung für den Entwurf optischer Sensoren. Viele Faktoren beeinflussen die Gesamtkosten des optischen Sensordesigns, einschließlich Hardware-/Softwarekauf, Tests sowie Forschung und Entwicklung.

Sensoren gibt es auch in verschiedenen Größen, je nach Typ und spezifischer Anwendung. Zum Beispiel reichen typische Lichtschrankengehäusegrößen von 3,6 x 3,3 mm bis 8 x 4,2 mm. Aufgrund der schnellen Miniaturisierung entscheiden sich Entwickler oft für kleinere optische Sensoren mit einem ausgewogenen Verhältnis zwischen hoher Leistung und niedrigeren Kosten.

Darüber hinaus bevorzugen Designer Sensoren, die für ein breiteres Lichtspektrum empfindlich sind, einschließlich sichtbarem und infrarotem Licht. Höhere Empfindlichkeiten von bis zu ±40 können bis zu viermal schnellere Näherungs- und Umgebungslichtmessungen erzielen.

Vorteile optischer Sensoren

Optische Sensoren bieten mehrere Vorteile in verschiedenen Anwendungen, darunter:

• Leichtes Paket
• Immunität gegen elektromagnetische Störungen (EMI)
• Zuverlässigkeit
• Großer Dynamikbereich
• Hohe Empfindlichkeit

Darüber hinaus eignen sie sich gut zur Überwachung zahlreicher chemischer und physikalischer Phänomene und sind chemisch inert, was in gefährlichen und brennbaren Umgebungen kritisch ist.

Darüber hinaus ist der Bedarf an berührungsloser Sensorik angesichts der Pandemie so hoch wie nie zuvor. Optische Sensoren können verwendet werden, um innovative Lösungen in industriellen und gewerblichen Umgebungen zu entwickeln, um die Einhaltung von Sicherheit und Gesundheitsschutz zu erleichtern.

ROHM-Lösungen für die optische Sensorik in elektronischen Anwendungen

ROHM ist ein Anbieter von leistungsstarken optischen Sensorlösungen. ROHM-Sensoren bieten ein hohes Maß an Empfindlichkeit, das in einer Vielzahl von Anwendungen entscheidend ist, z. B. in der Automatisierung, Bewegungserkennung, Messung, Sicherheit, Überwachung und vielen mehr.

Die optischen Sensorlösungen umfassen Näherungs- und Umgebungslichtsensoren, Fotounterbrecher, Infrarot-LEDs, Fotosensoren, Fotodioden, Fototransistoren, Umgebungslichtsensor-ICs und 4-Richtungs-Detektoren. Die optischen Sensoren von ROHM bieten einen weiten Betriebstemperaturbereich (-25 bis +85°C) und werden in kompakten Gehäusen für optimale Platzeinsparungen geliefert.

Weitere Informationen zu den optischen Sensorlösungen von ROHM finden Sie auf der Website.

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