Sensoren

Sensoren (Bild 1) sind Bauelemente oder Schaltungen, die die Aufgabe haben, ein nichtelektrisches Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln. Damit wird eine nichtelektrische physikalische Größe in einer elektrische physikalische Größe umgewandelt. Das Eingangssignal wird auch als Einwirkgröße bezeichnet. Seine Wandlung in ein elektrisches Ausgangssignal ermöglicht dessen Nutzung

a)	zur Anzeige,
b)	zum Einwirken auf Stelleinrichtungen, welche die Einwirkgröße beeinflussen (Regelkreis),
c)	um Einschaltvorgänge oder Umschaltvorgänge (Ausschaltvorgänge) auszulösen.

Bild 2 zeigt eine Black-Box-Darstellung eines Sensors. Sensoren werden in der Produktion zur automatischen und kontinuierlichen Erfassung von Zustandswerten, aber auch in der Überwachungs- und Sicherungstechnik umfassend eingesetzt. Sie sind im Prinzip Schnittstellen zwischen Prozessen und ihrer elektrischen Kontrolle und Beeinflussung.

Die Sensoren werden in der Regel nach ihrer Eingangsgröße bezeichnet.
Typische Eingangsgrößen sind: Temperatur, Beleuchtungsstärke (Licht), Kraft, Schall, Feuchte, magnetische Feldgrößen, Geschwindigkeit.
Innerhalb jeder Gruppe gibt es ein breites Spektrum, aus dem immer nur einige besonders wichtige Formen dargestellt werden.

Temperatursensoren
Temperatursensoren beruhen auf der Ausnutzung der Änderung des elektrischen Widerstandes eines Leiters oder Halbleiters (Thermistors) mit der Temperatur. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: Der Widerstand nimmt mit der Temperatur zu oder ab.
Die Entwicklung der Halbleitertechnologie brachte Temperaturmessfühler hervor, die neben einer hohen Empfindlichkeit und einer geringen Reaktionszeit auch über einen relativ breiten Temperaturbereich einsetzbar sind. Entscheidend an dieser Entwicklung ist jedoch die in einigen Anwenderschaltungen bereits integrierte Signalformung: Sie liefern entweder ein zur Temperatur proportionales analoges Signal mit linearem Verlauf oder ein digitales Ausgangssignal.

Bild 3 zeigt eine Brückenschaltung, mit deren Hilfe eine Temperaturänderung zu einem elektrischen Ausgangssignal gewandelt wird.
Mit Hilfe des Trimmers R2 wird für eine Normtemperatur (meist 0 °C oder 25 °C) Brückengleichgewicht eingestellt, d.h. in P1 und P2 wird das gleiche Potenzial erzeugt, sodass der über das Messgerät fließende Brückenstrom null ist. Ändert sich nun die Temperatur, so ändert R1 seinen Widerstand, P1 und P2 haben nicht mehr gleiches Potenzial, es fließt ein Strom über das Messinstrument. Bei entsprechender Eichung kann hier die Temperatur direkt abgelesen werden.

Diese sehr einfache Schaltung muss jedoch beim Austausch des Widerstandes R1 (z.B. nach einem Defekt) aufwändig neu geeicht werden.
Wesentlich besser ist dagegen eine Anordnung, die das temperaturabhängige Bauelement mit einem Differenzverstärker koppelt. Bild 4 zeigt die Struktur einer derartigen Schaltung.
Eine Konstantstromquelle versorgt den Messwiderstand über ein Adernpaar mit einem konstanten Strom (meist zur Vermeidung einer störenden Eigenerwärmung < 5mA). Über ein zweites Adernpaar wird er hochohmig mit dem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden. Die sich mit einer Temperaturänderung einstellende Widerstandsänderung führt wegen des konstanten Stroms zu einer Spannungsänderung, die der Widerstandsänderung direkt proportional ist.
Als Messwiderstände werden solche aus Nickel bzw. Platin eingesetzt. Für die Normtemperatur 0 °C gibt es aus Nickel den Ni100, der für Messungen von -60 °C bis + 180 °C geeignet ist und bei 0 °C den Wert 100 Ohm besitzt.

Besser geeignet, wen auch teuerer, ist freilich Platin. Hier gibt es Pt100, Pt500 und Pt1000. Der erfassbare Temperaturbereich geht z.B. für den Pt100 von -200 °C bis +800 °C. Derartige Platin-Temperatur-Sensoren gibt es für viele Einsatzbereiche und Temperaturintervalle. Sie werden meist in Dünnschichttechnik (auf ein Trägermaterial aufgedampfte Platinbahn) hergestellt.

Unter den vielen Temperatursensoren seien noch zwei auf der Basis integrierter Halbleiterstrukturen hervorgehoben: Der Sensor AD 592 AN ist eine hochpräzise temperaturabhängige Stromquelle, deren Ausgangsstrom in Mikroampere genau den Wert der Temperatur in K liefert. So ergibt sich z.B. für 25 °C der Strom 298,2 Mikroampere und für 0 °C gerade 273,2 Mikroampere. Dieser Sensor kann für Temperaturen zwischen -25 °C und +105 °C eingesetzt werden.
Dagegen ist der SMT 160-30 ein Temperatursensor mit integriertem A/D-Wandler. Am Ausgang wird ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal erzeugt. Das Tastverhältnis Impulsdauer zu Schwingungsdauer ist der Temperatur direkt proportional. Die Frequenz variiert zwischen 1 kHz und 4 kHz.

Optische Sensoren
Eine große Gruppe von Sensoren sind optische Sensoren. Bild 5 gibt dazu einen Überblick. Solche Sensoren reagieren auf Lichteinfall mit dem sogenannten "lichtelektrischen Effekt".
Darunter versteht man die Aufnahme der Photonenenergie durch die Elektronen des beleuchteten Stoffes. Dabei gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:
a) Nach der Energieaufnahme verlassen die Elektronen das beleuchtete Material (äußerer lichtelektrischer Effekt).
b) Nach der Energieaufnahme verbleiben die Elektronen im beleuchteten Material (innerer lichtelektrischer Effekt), sie verändern sein elektrisches Verhalten.
Große praktische Bedeutung haben vor allem die auf Halbleiterbasis arbeitenden optischen Sensoren, zu denen Fotowiderstände, Fotodioden und Fototransistoren gehören.

Fotowiderstände: Sie ändern mit Veränderung der Beleuchtung ihren Widerstand. Dessen Änderung erfolgt mit einer gewissen Trägheit, sodass sie nur für relativ langsame Prozesse eingesetzt werden können. Ihr Verhalten ist unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung. Sie können je nach Material bei Lichteinfall ihren Widerstand vergrößern oder verkleinern. Ein bedeutender Vorteil der Fotowiderstände liegt in ihrer großen Spannungsfestigkeit. Je nach Typ können sie an Betriebsspannungen bis 300 V angeschlossen werden. Bild 6 zeigt stark vereinfacht einen Dämmerungsschalter, wie er etwa in ähnlicher Form in der Hausnummernbeleuchtung genutzt wird. Wird die Helligkeit zu klein, so wird der Widerstandswert des Fotowiderstandes so groß, dass die Spannung zwischen Emitter und Basis des T1 unter 0,7 V fällt, er sperrt. Damit wird seine Kollektorspannung so hoch, dass T2 durchgesteuert wird, das Relais zieht an, der Lampenkreis wird geschlossen. Erst wenn in den Morgenstunden die Helligkeit wieder hoch genug ist, wird T1 durchgesteuert, somit erhält sein Kollektor die Sättigungsspannung von etwa 0,2 V, was nicht zum Durchsteuern von T2 ausreicht, das Relais öffnet. Infolge der dabei entstehenden Selbstinduktionsspannung würde T2 eine so hohe Spannung zwischen Emitter und Kollektor bekommen, die ihn zerstören würde. Die parallel zum Relais liegende Diode verhindert den Aufbau einer hohen Selbstinduktionsspannung, denn sie ist für diese in Flussrichtung gepolt, baut sie also im Moment ihrer Entstehung ab (Freilaufdiode).
Da die Fotowiderstände - wie bereits erwähnt - über eine gewisse Trägheit in ihrer Werteänderung verfügen, reagiert die Anordnung nicht auf kurzfristige Helligkeitsänderungen, wie sie etwa in Gewittern durch Blitze auftreten können.

Fotodiode und Fototransistor: Durch spezielle konstruktive Gestaltung eines pn-Übergangs ist es möglich, dass in die Sperrschicht Licht eindringen kann. Dadurch wird die Eigenleitung verstärkt. Die in Sperrrichtung betriebene Diode liefert einen höheren Sperrstrom. Schaltet man eine derartige Diode in Sperrrichtung mit einem Festwiderstand in Reihe, so entsteht ein helligkeitsabhängiger Spannungsteiler.
Bei geeigneter Dimensionierung kann er zur Erzeugung einer Basisspannung eines Transistors eingesetzt werden. Je nach Lage der Diode im Spannungsteiler kann der Transistor bei Lichteinfall gesperrt oder durchgesteuert werden. Bild 7 zeigt eine Realisierung, für die der Transistor bei Lichteinfall gesperrt wird.
Als mögliche Einsatzgebiete hat man Lichtschranken auf Infrarotbasis bzw. Bewegungsmelder, die auf Wärmestrahlung ansprechen.
Der Fototransistor kann als eine Integration aus einer Fotodiode und einem Transistor vorgestellt werden. Wegen der dadurch erzielten Verstärkung des Diodenstroms ist er 100 bis 500 mal empfindlicher als die Fotodiode. Wegen seiner internen Kapazitäten ist aber die erreichbare Schaltfrequenz kleiner als die der Dioden. Der Basisanschluss wird bei vielen Typen nicht herausgeführt. Bei einer Drehzahlmessung werden die am Ausgang A des Operationsverstärkers entstehenden L-H- oder H-L-Übergänge einem Zähler zugeführt, der nach einer festen Zeit (1 s bzw. 1 min) wieder zurückgesetzt wird. Hat die vor dem Transistor rotierende Scheibe genau eine lichtdurchlässige Öffnung, gibt der Zählerstand die Umdrehungen je Sekunde bzw. je Minute an.
Auch digitale integrierte Schaltkreise können durch einen Fototransistor direkt angesteuert werden und liefern L- und H-Pegel. Als Vertreter einer derartigen Kategorie sei der programmierbare Licht-Frequenz-Wandler TSL230 genannt.

Kraftsensoren: Es sind Anordnungen, die während einer Krafteinwirkung (Druckeinwirkung) ein elektrisches Signal liefern. Dabei werden zwei Methoden am häufigsten genutzt:
a) die Widerstandsänderung infolge der Krafteinwirkung auf ein speziell geformtes Leiter- oder Halbleiterstück,
b) der piezoelektrische Effekt, der auf Kristalloberflächen nach Einwirkung von Druck- oder Zugkräften eine elektrische Aufladung liefert, also eine Spannung erzeugt.

Der typische Vertreter der Klasse a) ist der Dehnungsmessstreifen (DMS). Er wandelt eine durch Kräfte verursachte Längenänderung in eine dazu proportionale Widerstandsänderung um.
Auf dieser Basis konstruiert man Messwertaufnehmer zur Messung von Kräften (sowohl Zug als auch Druck) im Bereich von Millinewton bis zu vielen hundert Meganewton. Speziell geformte Aufnehmer können Gas- und Flüssigkeitsdruckwerte zwischen 1 bar und 2 kbar erfassen.

Die DMS ähneln vom äußeren Aufbau den Thermowiderständen in Dünnschichttechnik (Bild 9). Natürlich ist hier das Substrat ein elastischer Werkstoff, der auf das Messobjekt geklebt wird. Das elektrisch leitende Material ist ein Konstantandraht mit einer Dicke von 20 - 30 Mikrometern bzw. ein Halbleiterwerkstoff (Si mit einer Schichtdicke von etwa 15 Mikrometern). Es werden aber auch durch Ätzen aus Metallfolien mäanderförmige Streifen, die beidseitig durch Kunststofffolie geschützt sind, eingesetzt.

Für die Widerstandsänderungen durch Längenänderung gilt:
Für metallische Werkstoffe ist k = konstant und liegt zwischen 2 und 3. Die Kennlinie ist für Metalle linear, nicht aber für Halbleiterwerkstoffe.

ist die Dehnung des Werkstoffes innerhalb seines elastischen Bereichs. Für p-Si liegt k zwischen 110 und 130, für n-Si zwischen -80 und -110.
Die auf der Basis des piezoelektrischen Effekts vollzogene Kraftmessung erfordert grundsätzlich den Einsatz von Verstärkern mit extrem hochohmigem Eingang. Diese sind in das Messmodul integriert.

Schallsensoren: Sie werden im Tonfrequenzbereich als Mikrofone bezeichnet. Schallsensoren arbeiten letztlich auf der Grundlage der Messung des Schalldrucks. Für den hohen Ultraschallbereich werden piezoelektrische Effekte genutzt.

Magnetfeldsensoren: Sie arbeiten auf der Grundlage des HALL-Effekts. Darunter versteht man die Tatsache, dass die in einem flächenhaften Leiter bewegten Ladungen durch ein Magnetfeld, das quer zu ihrer Bewegungsrichtung wirkt, eine Ablenkung erfahren. Sind die Leiterfläche und die beiden Felder wie in Bild 10 angeordnet, entsteht eine Spannung, die HALL-Spannung. Diese ist ein Maß für die magnetische Flussdichte und mit ihrer Polarität auch für die des Magnetfeldes.
In Verbindung mit einem für die jeweilige Anwendung abgestimmten Auswertungsschaltkreis sind Magnetfeldsensoren für einen großen Anwendungsbereich geeignet. Stellvertretend für die breite Palette seien genannt:
Drehzahlmessung, Winkelmessung, Spannungsmessung, Erdmagnetfeldmessung für Kompass und Navigationssysteme. In diesen Messungen spielen Temperatureinflüsse in einem großen Intervall praktisch keine Rolle.
Hinzu kommt - in Abhängigkeit vom Sensormaterial und der Auswertungsschaltung - ein sehr hoher Frequenzbereich bis 1 MHz. Typische Vertreter dieser Kategorie sind die Philips Semiconductors Magnetfeldsensoren des Typs KM10.