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Ratgeber
Alle Verfahren, bei denen Licht in Energie oder Energie in Licht umgewandelt wird, werden unter dem Begriff Optoelektronik zusammengefasst und sind fester Bestandteil in der Mikroelektronik. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wo optoelektronische Systeme eingesetzt werden und worin sich aktive von passiven Bauteilen unterscheiden.
Der Begriff Optoelektronik setzt sich aus den beiden Wörtern Optik und Halbleiter-Elektronik zusammen. Es handelt sich um eine Sammelbezeichnung für Verfahren und Instrumente, mit denen eine Wandlung von Licht in elektrische Energie oder umgekehrt erfolgt. Ein typisches Beispiel für eine optoelektronische Anwendung ist ein IR-Bewegungsmelder: Der Melder sendet konstant eine für den Menschen unsichtbare Infrarotstrahlung aus. Erkennt die IR-Sensorik eine Bewegung, kann beispielsweise eine Lampe oder Kamera eingeschaltet oder eine Schiebetür automatisch geöffnet werden. In diesem Fall erfolgt also eine optische Erfassung der Bewegung, die in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Auf der optischen Seite einer solchen Komponente können auch normale LEDs, LED-Streifen, Laser oder UV-LEDs eingesetzt werden.
Das Diagramm zeigt den Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung, den das menschliche Auge als Licht mit unterschiedlichen Farben wahrnimmt. Anhand der Empfindlichkeitskurve kann man erkennen, dass bei der Farbe Grün die Lichtempfindlichkeit des Auges am höchsten ist. Höhere Frequenzen mit geringerer Wellenlänge (UV-Licht) und langsamere Frequenzen mit grösserer Wellenlänge (IR-Licht) können vom Auge nicht mehr erkannt werden.
Unsere Umgebung ist voll von Geräten, bei denen optische Technologien eingesetzt werden. Mittlerweile steht in fast jedem Wohnzimmer und auf jedem Schreibtisch ein moderner Flachbildschirm. Die einzelnen Pixel des Displays werden durch elektrische Signale angesteuert und ergeben alle zusammen ein scharfes Bild. Bei DVD- und Blu-Ray-Playern wird dagegen der Datenträger von einem Laser abgetastet, die gespeicherten Bild- und Ton-Informationen ausgelesen und anschliessend von elektronischen Bauelementen in ein binäres Signal umgewandelt. Anwendung findet die Technologie auch am Scanner, den man an jeder Supermarktkasse findet: Hier erfolgt eine optische Abtastung der Strichcodes, die auf jeder Verpackung angebracht sind. In diesem Fall erfolgt ebenfalls eine Wandlung in ein binäres Signal, das mit einer Datenbank in Sekundenbruchteilen abgeglichen wird, um den aktuellen Preis zu ermitteln. Bei einem optischen System wie einer Lichtschranke wird durch die Unterbrechung eines Lichtstrahls zum Beispiel eine Schranke oder ein Tor geöffnet beziehungsweise geschlossen. Lichtleiter, die Steuerung von LED-Beleuchtungen und die gesamte Lasertechnik sind ebenso der Optoelektronik zuzuordnen.
Optoelektronische Bauteile lassen sich in aktive und passive Komponenten unterteilen. Alle Systeme, die eine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich abgeben, zählen zu den aktiven Bauelementen. In der Regel werden dabei unterschiedliche LED-Formen verwendet. Neben Displays und Anzeigen gehören alle normalen LEDs, Infrarot-Sensoren, UV-Emitter und Laserdioden zu den aktiven optischen Bauteilen. Passive optische Bauelemente erzeugen keine Strahlung, können allerdings sichtbares und nicht sichtbares Licht verarbeiten. Entsprechende Bauteile sind beispielsweise Empfänger für Infrarot-Strahlen, Fototransistoren und Fotodioden.
Eine Sonderstellung unter den optoelektronischen Komponenten nimmt der Optokoppler ein. Es handelt sich dabei um ein Bauteil, das aktiv und passiv arbeitet. Ein Optokoppler besteht in der Regel aus einer LED und einer Fotodiode. Das eingehende elektrische Signal wird in Lichtimpulse umgewandelt und von der Fotodiode direkt wieder empfangen.
Anschliessend erfolgt wieder eine Umwandlung in ein elektrisches Signal. In der Elektronik gibt es für Optokoppler vielfältige Anwendungen. Genutzt werden die Bauteile immer dann, wenn eine galvanische Trennung von Ein- und Ausgang oder eine Entstörung des Signals erforderlich ist. Ein Optokoppler-System ist in der Lage, sowohl analoge als auch digitale Signale zu übertragen.
Die Auswahl der optoelektronischer Komponenten richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzgebiet. Für Bewegungsmelder bieten sich zum Beispiel Infrarot-Sensoren an, bei Lichtschranken kann dagegen auch mit Laser-Dioden gearbeitet werden. Im Hinblick auf die Leuchtmittel haben Sie die Wahl zwischen normalen LEDs, Kleinleuchtmitteln und High-Power-LEDs. Beim Betrieb von LEDs ist grundsätzlich auf eine passende Stromversorgung zu achten, die im Idealfall mit speziellen LED-Vorschaltplatinen realisiert wird.
Unser Praxistipp: Maximal zulässigen Eingangsstrom bei Optokopplern verringern!
Da Optokoppler keine beweglichen Teile aufweisen, unterliegen sie keinem Verschleiss. Das integrierte Leuchtmittel altert allerdings und gibt mit der Zeit weniger Licht ab. Um diesem Alterungsprozess entgegenzuwirken, hilft es, nicht den maximal zulässigen Eingangsstrom zu verwenden, sondern den Optokoppler mit einem geringeren Strom zu betreiben.
Was versteht man unter Photonik?
Die Photonik ist ein der Physik zugehöriger Wissenschaftszweig, der sich primär mit der Nutzung von Strahlungsenergie beschäftigt. Der Hauptbestandteil von elektromagnetischer Strahlung ist das Photon, das der Photonik ihren Namen verleiht.
Wo liegt der Unterschied zwischen normalem Licht und einem Laserstrahl?
Ein normales Leuchtmittel sendet Lichtwellen aus, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Ein Laserstrahl bündelt dagegen die Lichtwellen zu einem zielgerichteten Strahl, bei dem die Streuung auf ein Minimum reduziert wird. Dazu kommt, dass alle Lichtwellen in einem Laserstrahl die gleiche Farbe und im Gegensatz zum normalen Licht eine gemeinsame Wellenlänge aufweisen.
Wie unterscheidet sich Infrarotstrahlung von UV-Strahlung?
Der Unterschied liegt in der Wellenlänge. Während Infrarotstrahlung eine Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm aufweist, liegt sie bei UV-Strahlung zwischen 400 nm und 100 nm.
Welche Vorteile haben LC-Displays?
Ohne LC-Displays wären Geräte wie Smartphones, Digitalkameras oder Tablets nicht realisierbar. Die Bildschirme lassen sich in kleinen Formaten herstellen und nehmen aufgrund ihrer geringen Bauhöhe nicht viel Platz ein. Hinzu kommen ein geringer Energieverbrauch und ein flimmer- sowie verzerrungsfreies Bild. Ein LC-Panel ist erheblich strahlungsärmer als beispielsweise ein alter Röhrenmonitor. Zu Beginn der Entwicklung von LC-Displays hatte man noch mit langen Reaktionszeiten und einem geringen Kontrast zu kämpfen. Diese Probleme gibt es bei modernen Panels nicht mehr.