IR-Sensoren mit Arduino

Der Infrarotsensor (IR-Sensor) ist einer der einfachsten Sensoren zu Erkennung von Hindernissen (oder Linien für einen Linienfolger) und basiert auf dem physikalischen Prinzip der Reflexion von Licht. Hierbei sendet eine Quelle Licht aus und ein Empfänger detektiert die Intensität des reflektierten Lichtes.

Der Anteil des reflektierten Lichtes hängt nicht nur vom Abstand zwischen Sensor und Oberfläche ab, sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit, der Farbe und der Ausrichtung der Oberfläche. Deshalb eignen sich einfache IR-Sensoren auch nur zur Hinderniserkennung oder Linienerkennung und nur sehr begrenzt zur Entfernungsbestimmung.

Im Normalfall gibt es neben der Lichtquelle des Sensor noch eine Vielzahl anderer Lichtquellen (Sonne, künstliches Licht), welche ebenfalls Licht ausstrahlen und vom Empfänger detektiert werden. Diese zusätzlichen Lichtquellen können zu falschen Messergebnisse führen. Damit diese Lichtquellen den Sensor nicht allzu sehr beeinflussen, werden Reflexions-Sensoren sehr häufig mit Infrarot-Licht betrieben.

Die Wellenlänge des Infrarotlichtes liegt mit 780 nm bis 1 mm leicht oberhalb des für Menschen sichtbaren Lichtes. In der Praxis wird für IR-Sensoren Licht mit einer Wellenlänge von ca. 950 nm verwendet.

Lichtquelle: Infrarot-LED

Als Lichtquelle wird meistens eine (IR)-LED verwendet. Eine (IR)-LED ist ein Hableiterbauelement, welches durch das Zusammenführen zweier verscheiden dotierte Halbleiter entsteht. An der Übergangsstelle der unterschiedlich dotierten Halbleiter entsteht ein pn-Übergang, welcher beim Anlegen einer Vorwärtsspannung ab einem bestimmten Schwellwert (threshold) $U>U_\text{th}$ anfängt Licht zu emittieren. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes hängt im Wesentlichen vom Halbleitermaterial ab.

IR-LED TSAL6100

Die für den Liniensensor verwendete IR-LED mit der Bezeichnung TSAL6100 ist eine Hochleistungs GaAlAs-LED (Gallium-Alluminium-Arsenid-LED). In der Kennlinie für die spektrale Strahlungsleistung (Abbildung rechts) ist gut zu erkennen, dass die LED hauptsächlich IR-Licht mit einer Wellenlänge um 940 nm emittiert.

In der Abbildung links ist die UI-Kennlinie der LED dargestellt. Auch wenn die Kennlinie einen Strom von bis zum 1000 mA darstellt, sollte die LED nur mit einem deutlich geringeren Strom betrieben werden. Mit einem Strom von 1000 mA kann die LED nur im Pulsbetrieb, also nur für eine sehr kurze Zeitspanne von ca. 100 µs betrieben werden.

Zusätzlich ist (wie auch bei normalen LEDs) darauf zu achten, dass der Maximalstrom der Arduino-Pins 20 mA beträgt. Daher muss die IR-LED, wie jede andere LED auch, am Arduino immer mit einem geeignetem Vorwiderstand betrieben werden.

Alternativ kann die IR-LED auch an den 5 Volt Ausgang des Arduino-Boards angeschlossen werden. Da der 5 Volt Ausgang mehr als nur 20 mA Strom liefern kann, kann die IR-LED hier auch mit höherer Leistung betrieben werden.

Aufgaben IR-LED

1. Erläutern Sie das Grundprinzip eines IR-Sensors. Von welchen Faktoren hängt die Intensität des vom Empfänger aufgenommen Lichtes ab. Analysieren Sie, unter welchen Bedingungen IR-Sensoren zu Entfernungsbestimmung geeignet sind.

2. Lesen Sie das Datenblatt der IR-LED TSAL6100 und beantworten Sie folgende Fragen:

   • Was sind die besonderen Eigenschaften (features) der LED?
   • Was sind typische Anwendungen (application) der LED?
   • Wie groß ist der maximale Vorwärtsstrom (forward current) der LED?
   • Wie groß ist die maximal Leistungsaufnahme (power dissipation) der LED?
   • Analysieren Sie die Richtcharakteristik, also die Winkelabhängigkeit des abgestrahlten Lichts.

3. Die IR-LED befindet sich 5 cm senkrecht über dem Boden. Bestimmen Sie den Durchmesser des ausgeleuchteten Bereichs am Boden, wenn der Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichtes 20 Grad beträgt.

   

4. Bestimmen Sie rechnerisch den Vorwiderstand der IR LED so, dass der Diodenstrom 20 mA nicht übersteigt. Die Versorgungsspannung beträgt 5 V.

Empfänger: (Infrarot) Photodiode

Außer einem Sender als Lichtquelle, benötigt der Sensor natürlich auch einen Empfänger zum Detektieren des reflektierten Lichts. Ein möglicher Empfänger ist die Photodiode.

Eine Photodiode ist im Prinzip eine LED, welche in Sperrrichtung $U<0$ betrieben wird. Während bei einer LED Licht emittiert wird, detektiert der pn-Übergang bei einer Photodiode das einfallende Licht und erzeugt Elektronen-Loch-Paare. Dadurch entsteht ein Photostrom $I_\text{ph}<0$ in Sperrrichtung. Der Photostrom ist abhängig von der Intensität und der Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

Durch das reflektierte Licht wird in der Photodiode ein Photostrom von nur wenigen Mikroampere erzeugt.

Photodiode BPV10NF

Als Empfänger für den IR-Sensor eignet sich die Photodiode BPV10NF von Vishays. Die Kurve der spektralen Empfindlichkeit (Abbildung rechts) zeigt, dass besonders IR-Licht im Bereich zwischen 850 nm und 950 nm detektiert wird.

In der linken Abbildung ist der Photostrom in Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke dargestellt. Auch wenn die Kurve vermuten lässt, dass Photoströme von über 50 µA zu erzielen sind, ist der Strom in der Anwendung als Reflexsionsensor nur selten größer als Photoströme von ca. 1 µA.

Empfänger: Phototransistor

Ein anderes Bauteil zum Detektieren von Licht ist der Phototransistor, welcher 1948 bei den Bell Labs entwickelt wurde. Ein Phototransistor ist im Wesentlichen eine Kombination aus einer Photodiode zum Empfangen des Lichtes und eines Bipolar-Transistors zum Verstärken des Photostroms. Im Vergleich zur Photodiode können mit einem Phototransistor deutlich höhere Ströme realisiert werden. Bei der Anwendung als Reflexionssensor kann der Strom ca. 1 mA betragen. Allerdings ist der Phototransistor im Verglich zur Photodiode auch deutlich langsamer, was bei einfachen Sensoranwendungen jedoch vernachlässigt werden kann.

Das Schaltsymbol eines Phototransistors ist in der linken Abbildung dargestellt. Die elektrischen Anschlüsse werden wie bei einem Bipolartransistor mit Kollektor (C) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis (B) hat keinen eigenen elektrischen Anschluss, sondern wird durch das einfallende Licht gesteuert.

Das Bauteil sieht einer LED sehr ähnlich. Das Gehäuse kann weiß oder schwarz sein. Bei schwarzen Phototransistoren dient die Färbung als zusätzlicher Lichtfilter, so dass hauptsächlich nur IR-Licht mit der geeigneten Wellenlänge auf den Phototransistor treffen kann. Der kurze Anschluss des Phototransistors ist der Kollektor (C) und der lange Anschluss der Emitter (E). Beim Anschluss ist darauf zu achten, dass der Strom nur vom Kollektor zum Emitter fließen kann.

Phototransistor PT-333-3B

Als Empfänger soll für den IR-Sensor der Phototransistor Everlight PT 333-3B verwendet werden. Neben anderen Eigenschaften sind beim Betrieb als Empfänger des reflektierte IR-Lichtes der Kollektorstrom und die spektrale Empfindlichkeit besonders wichtig.

In der linken Abbildung ist der Kollektorstrom $I_C$ (Strom durch den Phototransistor) als Funktion der Kollektor-Emitter-Spannung $U_{CE}$ (Spannung über den Phototransistor) dargestellt. Folgende Eigenschafen können der Kennlinie entnommen werden:

• Der Kollektorstrom liegt typischerweise zwischen 0,5 mA und 5 mA und ist damit ca. 100 bis 1000 mal größer ist als bei der Photodiode.
• Sobald die am Phototransistor angelegte Kollektor-Emitter-Spannung ca. 0.3 V überschreitet, steigt der Kollektorstrom nicht mehr.
• Ab dieser so genannten Sättigungsspannung, ist der Strom nicht mehr von der angelegten Spannung, sondern von der Intensität des einfallenden Lichtes, also der Bestrahlungsstärke $E_e$ abhängig.

Die rechte Kennlinie zur spektralen Empfindlichkeit gibt an, auf welche Wellenlänge des einfallenden Licht der Photoransistor reagiert. Vergleicht man die Kurve zur spektralen Empfindlichkeit der IR-LED mit der des Phototransistors, so ist sehr gut zu erkennen, dass beide ein Maximum um 950 nm aufweisen und damit sehr gut aufeinander abgestimmt sind.

Sensorschaltung mit IR-LED und Phototransistor

Die IR-Sensorschaltung besteht aus zwei Teilen, der LED und dem Phototransistor (oder Photodiode). Die LED wird mit einem Vorwiderstand $R_\text{V}$ an den 5 Volt Ausgang oder einem schaltbaren Pin des Arduinos angeschlossen.

Der Phototransistor wird mit dem Kollektor (kurzer Anschluss) ebenfalls an den 5 Volt Ausgang angeschlossen. Da der Arduino nur Spannungen messen kann, muss der Photostrom des Phototransistors mit einem Messwiderstand $R_\text{M}$ in eine Spannung umgewandelt werden. Diese Spannung kann der Arduino mit einem der Analogeingänge (z.B. A0) auswerten.

Aufgaben IR-Sensor

1. Recherchieren Sie die Lichtspektren verschiedener Lichtquellen und vergleichen Sie diese mit der spektralen Empfindlichkeit des Phototransistors PT 333-3C:

   a) Sonne (Tageslicht), b) LED-Lampe, c) Leuchtstoffröhre, d) Glühlampe

2. Messen Sie mit einem Multimeter den Kollektorstrom des Phototransistors, wenn dieser eine Kollektor-Emitter-Spannung von 5 V aufweist. Welcher Kollektorstrom ergibt sich bei direkter und indirekter (Reflexion) Einstrahlung vom IR-Licht der IR-LED. ($R_V \approx 220 \text{ }\Omega$)

3. Der maximale Kollektorstrom eines Phototransistors sei 1 mA. Schätzen Sie den benötigten Messwiderstand rechnerisch so ab, so dass die Maximalspannung am Analogeingang des Arduinos 5V beträgt (Schaltung).

4. Bauen Sie den IR-Sensor mit Phototransistor und IR-LED $R_V \approx 220 \text{ }\Omega$ auf einem Steckbrett auf. Lesen Sie mit dem Analogeingang des Arduinos die Spannung am Messwiderstand $R_M \approx 5 \text{ k}\Omega$ ein.

   Schreiben Sie ein Programm, welches auf dem seriellen Monitor (bzw.s Plotter) die Spannung am Messwiderstand ausgibt.

5. Erweitern Sie die Schaltung aus Aufgabe 4 um eine LED. Die LED soll leuchten , wenn der Sensor

   1. ein weißes Blatt erkennt,

   2. eine schwarze Linie auf dem Blatt erkennt.

      Hinweis: Bestimmen sie durch Probieren den Schwellwert zum Erkennen des Blattes bzw. der schwarzen Linie.

6. Analysieren Sie den Einfluss der Lage der IR LED und des Phototranistors bezüglich der Empfindlichkeit des Sensors eine schwarze Linie zu detektieren. Welchen Einfluss hat der Abstrahlwinkel, die Höhe und der Abstand zwischen LED und Phototransistor.

Weiterführende Artikel

• Phototransistor Tutorial
• Photodiode vs Phototransistor vs Photoresistor
• Proximity Sensor with an OpAmp
• Infrared Communication