Sensoren

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  NTC-Widerstände           PTC-Widerstände
                    Bild:Beispiel3.jpg

Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort 2 Sensoren 2.1 Aufgaben von Sensoren in Schaltungen 3 Fotowiderstand (LDR) 3.1 Schaltzeichen: 3.2 Funktion einer LDR: 3.3 Kennlinie LDR 3.4 Vor- und Nachteile des LDR 3.5 Einsatzbereiche LDR 4 Heißleiter (NTC) 4.1 Schaltzeichen 4.2 Aufbau und Funktion eines NTC 4.3 Kennlinie NTC 4.4 Vor- und Nachteile des NTC 4.5 Einsatzbereiche NTC 5 Kaltleiter (PTC) 5.1 Schaltzeichen 5.2 Aufbau und Funktion eines PTC 5.3 Kennlinie PTC 5.4 Vor- und Nachteile des PTC 5.5 Einsatzbereiche PTC 6 Quellenangabe: 6.1 Internetseiten 6.2 Literatur

Vorwort

Dieses Referat wurde in seiner Urform in der Realschule Überlingen 10.Klasse erfolgreich eingesetzt und entspricht dem 10. Klasse Stoff aus dem Lehrplan.

Sensoren

Aufgaben von Sensoren in Schaltungen

Die Aufgabe von Sensoren (Fühler) in elektrischen Schaltungen ist es, verschiedene physikalische Wirkungen in eine elektrische Spannung umzuwandeln. Je nach Veränderung dieser Werte, kann ein Stromkreis geöffnet, geschlossen oder auch umgeschalten werden. Die Aufgaben können vom Dämmerungsschalter über den Rauchmelder bis hin zum Temperaturmesser reichen.

Bild:Beispiel4.jpg Reihenfolge Sensor-Signalverarbeitung-Aktor:

Es gibt drei wesentliche Grundbauteile, die eine Sensor-Schaltung beinhaltetet:

• Sensoren
• Signalverarbeitung
• Aktoren

Die SENSOREN sind Fühler, welche die Umwelteingröße in ihrer Umgebung wahrnehmen. Sie wandeln eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal um. Das kann Licht , Wärme, Schall oder Druck sein. Die SIGNALVERARBEITUNG hat grundsätzlich zwei Anschlussseiten: INPUT und den OUTPUT. Die Signale, die der Sensor bei einer Veränderung der zu messenden Größe aussendet, werden über den Input in die Signalverarbeitung eingespeist. Da diese Größen meist sehr klein sind, müssen sie zuerst von der Signalverarbeitung verstärkt werden. Danach wird das Signal ausgewertet. Er wandelt die Daten des Sensors in elektrische Signale um. Je nach Einstellung werden entsprechende Signale über den Output an den AKTOR weitergegeben. Der Aktor ist der Signalgeber. Er kann mit Hilfe von Licht, Kraft, Ton oder Wärme das Signal für den Menschen sichtbar machen oder einen weiteren Mechanismus auslösen.

Bsp.: Straßenlaterne: Dunkelheit: LDR liefert Signal  Signalverstärkung  Lampe erleuchtet Bild:Beispiel5.jpg

 Bild:  1.1:  Sensor – Signalverarbeitung - Aktor

Fotowiderstand (LDR)

Schaltzeichen:

Das genormte Schaltzeichen für den Fotowiderstand besteht aus einem Rechteck, von dem beidseitig zwei Linien abgehen. Dies sind die Anschlüsse, durch den der Strom ein und aus fließen kann. Auf das Rechteck sind zwei parallele Pfeile gerichtet. Sie sollen das Licht darstellen, das auf den Fotowiderstand scheint.

Bild:Beispiel6.jpg Bild: 2.1: Schaltzeichen LDR

Funktion einer LDR:

LDR ist die Abkürzung für Light Dependent Resistor; was übersetzt lichtabhängiger Widerstand bedeutet. Das Material, aus dem die Lichtfläche (Halbleiter) eines Fotowiderstandes gefertigt ist, hat einen sehr instabilen Elektronenverbund. Zu diesen Materialien gehören unter anderem Cadmiumsulfid, Bleisulfid, Bleiselenid und Bleitellurit. Sie sind besonders vorteilhaft, da sie ungefähr dem Farbbereich des menschlichen Auges entsprechen. Das bedeutet, daß sie auf Lichtveränderungen ähnlich wie das menschliche Auge reagieren.

Ein Fotowiderstand verändert seinen Widerstandswert je nach Lichteinstrahlung. Diesen Vorgang nennt man „Fotoelektrischen Effekt“. Licht besteht aus kleinsten Teilchen, den sog. Photonen. Wenn diese Photonen auf das Halbleitermaterial einer LDR treffen, erzeugen sie frei bewegliche Elektronen. Man kann sich vorstellen , daß das Photon mit Lichtgeschwindigkeit angeflogen kommt, auf ein Elektron trifft und dieses aus seiner atomaren Verbindung löst. Dadurch entsteht ein Elektronenloch und ein freier Ladungsträger (ein Elektron). Da das Licht jedoch aus einer Vielzahl dieser Photonen besteht, werden sehr viele Ladungsträger freigesetzt und es entstehen dementsprechend auch viele Löcher. Durch die frei beweglichen Elektronen wird die Leitfähigkeit des Fotowiderstandes um ein Vielfaches erhöht. Über die Kontakte die sich auf der Oberfläche befinden, kann nun Strom fließen. Dadurch kann bei eintretender Helligkeit z.B. ein Stromkreis geschlossen werden. Der Fotowiderstand ist unpolar sprich polungsfrei und funktioniert sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom.

Aufbau:

Der Aufbau eines Fotowiderstandes ist sehr einfach. Er besteht aus zwei Anschlüssen, einer Lichtfläche und den Kontakten. Über die Anschlüsse kann das Bauteil mit Elektrizität versorgt werden. Sie müssen aus gut leitendem Material bestehen. Oft wird Kupfer benutzt, da das Preisleistungsverhältnis gut ist. Je nachdem, ob der Widerstand der LDR groß oder klein sein soll, kann man einen Keramikkörper zwischen der Lichtfläche und den Anschlüssen einbauen. Die Größe dieses Widerstandes lässt sich durch die Dicke der Schicht bestimmen. Die Lichtfläche besteht in den meisten Fällen aus Cadmiumsulfid (CdS). Es wird besonders wegen seiner lockeren Elektronenverbindungen, dem guten Lichtempfangsbereich und des geeigneten Temperaturkoeffizienten benutzt. Auf dieser dünnen Schicht befinden sich wiederum kammförmige Gold- oder Silberkontakte. Sie sind entweder mit dem Keramikkörper oder direkt mit den Anschlüssen verbunden. Damit das Bauteil vor Feuchtigkeit geschützt ist, wird die Belichtungsfläche mit einem Schutzlack versehen oder in Harz eingegossen.

                         Bild:Beispiel7.jpg
                        Bild: 2.2: Aufbau LDR

Kennlinie LDR

Die Kennlinie zeigt die steigende Leitfähigkeit einer LDR bei zunehmender Lichteinstrahlung an. Zugleich gibt sie auch die sinkende Leitfähigkeit bei abnehmender Lichteinstrahlung an. Man unterscheidet dabei zwischen zwei Werten: dem Hell- und dem Dunkelwiderstand. Der Hellwiderstand gibt den Widerstand bei Helligkeit an. Er wird bei der Belichtungsstärke von 1000 Lux gemessen und beträgt bei dem Typ R1000 ca.100 Ω bis 2 kΩ. Der Dunkelwiderstand gibt den Widerstandswert der LDR ohne Lichteinstrahlung an. Die Kennlinie einer LDR ist nicht linear. Je nach Intensität der Beleuchtung steigt oder fällt der Widerstand unproportional (siehe Kennline unten). Die Kennlinien der verschiedenen Typen ähneln sich in ihrem Verlauf.

     kleinerer Widerstand
                      Bild:Beispiel8.jpg

                     Bild: 2.3: Kennlinie LDR 1

     größerer Widerstand

                      Bild:Beispiel9.jpg
                       Bild: 2.4:  Kenlinie LDR 2

Vor- und Nachteile des LDR

Vorteile:

• Unpolar, damit leichte Handhabung
• Relativ große Signalspannung über einen großen Beleuchtungsstärkebereich hinweg
• Kann sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden
• Verhältnismäßig günstiges Bauteil
• Möglich die Widerstände auf verschiedene Wellenlängen (Lichtarten) einzustellen

Nachteile:

• Haben einen leichten Temperaturkoeffizienten
• Sind träge, Reaktionszeit einige Millisekunden

Einsatzbereiche LDR

Die Einsatzbereiche der LDR sind sehr umfassend, deshalb sind sie inzwischen auch schon weit verbreitet. So können LDR als Dämmerungsschalter in Straßenlaternen, in Fahrzeugbeleuchtungen oder in Haushaltslampen eingesetzt werden. Somit tragen sie auch zur höheren Sicherheit auf den Straßen und im Verkehr bei. Das Bauteil ist als Sensor in Lichtschranken oder sonstigen derartigen Anlagen nicht mehr wegzudenken. Auch in einem Beleuchtungsmessgerät ist der Fotowiderstand ein wichtiges Bauteil. Ein heutiges Auto beinhaltet ca. 30 verschiedene Sensoren mit unterschiedlichsten Aufgaben und Funktionen.

Bild:Beispiel10.jpg

Bild: 2.5: Anwendungsmöglichkeiten von LDR-Widerständen

Heißleiter (NTC)

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen eines NTC ist wie dasjenige des normalen Widerstandes, ein Rechteck, an das rechts und links je eine Linie angeschlossen ist. Hinzu kommt jedoch noch eine quer hindurch gehende Linie die anzeigt, dass es sich hier um einen einstellbaren Widerstand handelt. Diese Linie ist unten abgeflacht, was signalisiert, dass die Kennlinie nichtlinear verläuft. Außerdem besitzt es zwei Pfeile die angeben, dass die Kennlinie des Schaubilds nicht proportional verläuft. Unter dem Schaltzeichen wird zudem immer das technische Symbol δ (theta) angegeben, welches zeigt dass es sich dabei um einen temperaturabhängigen Widerstand handelt.

Bild:Schaltzeichen eines NTC-Widerstandes

Aufbau und Funktion eines NTC

Bei einem Heißleiter (NTC-Widerstand) handelt es sich um Halbleiter-Materialien. Sie leiten im Gegensatz zu Metallen, die bei Hitze schlechter leiten als bei Kälte, bei Hitze besser und bei Kälte schlechter. Dies liegt daran, dass beim Zuführen von Energie, in Form von Wärme, Elektronen-Verbindungen aufbrechen und somit freie Elektronen (Valenzelektronen) gebildet werden, welche den Strom leiten. Beim Heißleiter wird Eisenoxid(Fe2O3), Magnesiumdichromat (MgCr2O4) und vorwiegend Bariumnitrat verwendet.

Bild:Leitfähigkeit bei Halbleitern .jpg

Bild: 3.2 Leitfähigkeit bei Halbleitern Bild: 3.3 Bauformen des NTC

Kennlinie NTC

Ein NTC ist ein Widerstand, dessen Größe sich mit Hilfe von Wärme verändern lässt. Jeder Widerstand besitzt dabei eine Kenngröße, die angibt, welchen Widerstandswert der NTC bei einer Temperatur von 20°C besitzt. Der Wert solcher Widerstände wird nicht ausgemessen sondern immer aus den Schaubildern abgelesen. Die Kennlinie eines NTC verläuft nicht proportional, d.h. der Widerstand wird mit zunehmender Temperatur kleiner (Negativer Temperatur Koeffizient). Jedem Widerstand wird außerdem noch ein Temperaturbeiwert (δ) zugeschrieben. Er gibt an mit welchem Prozentsatz sich der Widerstand verkleinert, sobald Wärme hinzugeführt wird. Da dies eine prozentuale Angabe ist, verläuft die Kennlinie nicht linear sondern erscheint gebogen.

Bild:Kennlinie eines NTC’ s.jpg

Bild: 3.4: Kennlinie eines NTC’ s

Vor- und Nachteile des NTC

Der Heißleiter bietet in vielen Anwendungen erhebliche Vorteile im Gegenteil zu anderen Bauteilen

Vorteile:

1. Da der Heißleiter einen hohen Widerstand besitzt ist der Widerstand der Zuleitungen nicht relevant.
2. Für jede Anwendung kann der geeignete Widerstandswert ausgewählt werden.
3. Der NTC hat eine geringe Baugröße.
4. Der NTC spricht auf Temperaturänderungen schnell an.

Nachteile:

1. Die Kennlinie ist nicht linear und bei der Temperaturmessung können so Fehler entstehen.

Einsatzbereiche NTC

Der Heißleiter kann in einer Vielzahl von Bereichen angewendet werden. Aus diesem Grunde bezeichnet der erste Buchstabe der Bauteil-Bezeichnung den Anwendungsbereich.

Fünf Buchstaben bezeichnen den Anwendungsbereich:

K und M –Temperaturkompensation und Temperaturmessung
A Relaisverzögerung und Stromstoßunterdrückung
R Regelung von Spannungen
F Fremdgeheizte Heißleiter

Anwendungsmöglichkeiten

In der Chemie

• Kalorimetrie
• Differential-thermometrische Titration
• Niveauregelung von Flüssigkeiten
• Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen

In der Physik

• Vakuummessung
• Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten
• Strahlungsmessung

In der Medizin

• Messung von Körper- und Hauttemperaturen
• Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut

Im Haushalt

• Kühltruhen
• Waschmaschinen
• Elektroherden
• Heizungen und Klimaanlagen

In Kraftfahrzeugen

• Messung von Kühlwasser- und Öltemperatur
• Überwachung der Abgastemperatur
• Glatteiswarngerät

In der Elektronik

• Verzögerung von Relais
• Kompensation unterstützter Temperaturgänge
• Mikrowellen-Leistungsmessung

Temperaturkompensation und Temperaturmessung

Bei einer Temperaturkompensation oder –messung sollte der Widerstand so gering wie möglich belastet sein, um eine Eigenaufheizung zu vermeiden. Nun stört jedoch noch die Unlinearität des NTC. Um diese Unlinearität Auszugleichen, kann parallel zum NTC-Widerstand ein normaler, nicht temperaturabhängiger Widerstand geschaltet, dessen Größe sich nach der Mittelgröße des NTC richtet. Somit wird die Unlinearität zu einem großen Teil ausgeglichen.

 Bild:Linearisierung einer NTC-Widerstands Kennlinie.jpg

Bild: 3.5: Linearisierung einer NTC-Widerstands Kennlinie

Kaltleiter (PTC)

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen des PTC-Widerstandes entspricht ebenfalls dem der steuerbaren Widerstände. Es ist das normale Widerstands-Schaltzeichen mit einem Querstrich der anzeigt, dass es sich um einen veränderlichen Widerstand handelt. Dieser Querstrich ist unterhalb des Widerstand-Symbols abgeknickt. Dies signalisiert, dass die Kennlinie des Widerstandes nichtlinear verläuft. Hinzu kommen zwei nach oben gerichtete Pfeile, welche angeben, dass die Kennlinie des Widerstandes in Abhängigkeit zur Temperatur verläuft. Unter dem Schaltzeichen steht noch das technische Symbol δ (theta) welches anzeigt, dass es sich wie beim NTC um einen temperaturabhängigen Widerstand handelt.

Bild:Beispiel11.jpg

Bild: 4.1 Schaltzeichen eines PTC

Aufbau und Funktion eines PTC

Metalle besitzen die Eigenschaft bei niedrigen Temperaturen besser zu leiten als bei höheren. Dies hat den Grund, dass in Metallen bei niedrigen Temperaturen die freien Elektronen (Valenzelektronen) beweglicher sind als bei höheren Temperaturen, da mit zunehmender Temperatur, die Atome stärker schwingen und so den Elektronen einen größeren Widerstand entgegensetzen. Dieses Prinzip wird beim PTC- Widerstand verwendet. Hier werden jedoch keine reinen Metalle verwendet, sondern Metalloxide, die jedoch ähnliche Eigenschaften besitzen. Sie haben einen größeren Anfangswiderstand bei 20°C als Metalle, die zu gut leiten. Heißleiter werden beispielsweise aus BaO, CaO und ZrO2 gefertigt.

Es gibt drei verschiedene Bauarten des PTC: stabförmig, tropfenförmig oder flach.

Bild: 4.2 Leitfähigkeit von Leitern Bild: 4.3 Bauformen des PTC

Kennlinie PTC

Die Kennlinie des PTC- Widerstands verläuft in Abhängigkeit zur Temperatur im Gegensatz zum NTC-Widerstand nach oben und nicht nach unten. Sie ist außerdem proportional zur Temperatur, da der Widerstand mit zunehmender Temperatur wächst (Positiver Temperatur Koeffizient). Ansonsten besitzt der PTC dieselben Eigenschaften wie der NTC. So wird auch er nach seinem Widerstand bei 20°C benannt und ihm wird ebenfalls der Temperaturbeiwert , welcher in Prozent angegeben wird zugeschrieben. Ebenfalls gleich ist, dass seine Kennlilie nicht linear verläuft und damit krumm ist.

Bild: 4.4: Kennlinie PTC

Vor- und Nachteile des PTC

Auch der PTC- Widerstand besitzt im Gegensatz zu anderen Sensoren viele Vorteile, jedoch sind diese denen des NTC ähnlich oder gar gleich.

Vorteile:

1. Für jede Anwendung kann der dem am besten angepasste Widerstandswert gewählt werden.
2. Auch die Baugröße des PTC ist sehr gering.
3. Der PTC spricht auf Temperaturänderungen ebenfalls schnell an.

Nachteile:

1. Die Kennlinie ist nicht linear und bei der Temperaturmessung können so Fehler auftreten.

Einsatzbereiche PTC

Auch die Einsatzbereiche des PTC sind denen des NTC ähnlich oder sind sogar die Gleichen. So kann die Liste der Anwendungsmöglichkeiten des NTC übernommen werden.

Weitere Einsatzmöglichkeiten:

Überstromsicherung:

Wird in einen Stromkreis ein Kaltleiter-Widerstand eingebaut, so heizt ein hoher Strom den Widerstand auf und sein Widerstandswert wird größer, so dass der Strom begrenzt wird und eine Sicherung überflüssig ist.

Relaisverzögerung:

Diese Eigenschaft wird auch bei der Relaisverzögerung zunutze gemacht. In der unteren Schaltung ist ein PTC vor ein Relais geschaltet. Wenn nun Spannung angelegt wird, leitet der PTC noch solange, bis er seine hochohmig geworden ist und das Relais schließt, da nun kein Strom mehr fließt.

Bild:Relaisverzögerungsschaltung.jpg Bild: 4.5: Relaisverzögerungsschaltung

Quellenangabe:

Internetseiten

Elektronikkompendium

ZUM

PUK

Literatur

• Umwelt Technik Elektronik
• Rose Grundfachkunde der Elektronik – Gebrüder Jänecke Verlag

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