Wie von Zauberhand gesteuert - All

electronica-Messeberichte
Kompakte optische Reflexsensoren: geringer Entwicklungsaufwand
Wie von Zauberhand gesteuert
Die Hersteller mobiler Geräte entdecken optische Reflexsensoren – zum Beispiel, um während Telefonaten das Display
abzuschalten. Handelsübliche Komponenten sind jedoch nicht auf deren Bedürfnisse – kleine Gehäuse und geringer
Stromverbrauch – optimiert. Kompakte stromsparende Bauformen erfordern vom Anwender relativ wenig Entwicklungsaufwand, denn sie liefern ein digitales Signal, das bereits um Fremdlichteinflüsse bereinigt ist. Zusätzlich unterstützen Richtlinien für das optische Design einen einfachen Einsatz der Sensoren.
Optische Reflexsensoren erfüllen verschie­
dene Funktionen. Als Näherungssensoren
registrieren sie die Anwesenheit eines Ob­
jekts – zum Beispiel beim automatischen
Wasserhahn: die Hände reflektieren Licht,
das der Sensor aussendet, auf diesen zu­
rück und das Wasser fängt an zu laufen.
Auf die gleiche Weise kann ein Mobiltele­
fon beispielsweise erkennen, ob der Benut­
zer das Gerät am Ohr hat und den Lautspre­
cher leiser stellen oder die Hinterleuchtung
von Display und Tastatur abschalten.
Ebenso lässt sich ein Gerät durch einen
„Wink“ aufwecken oder ruhigstellen. Auf
sehr kurze Reichweiten eingestellte Re­
flexsensoren fungieren als Berührungs­
schalter und ersetzen mechanische Tasten.
Auch die Position von beweglichen Teilen
wie Schiebern, Klappen oder Abdeckungen
können Reflexsensoren überwachen.
Funktionsweise
In einem optischen Reflexsensor strahlt
ein Sender infrarotes Licht aus, welches
das angepeilte Objekt auf den Detektor
reflektiert (Bild 1). Je weiter das Objekt
vom Sensor entfernt ist, desto weniger
Licht fällt auf den Detektor. Die Reichwei­
te des Sensors ist umso größer, je höher
das Detektorsignal ist. Deshalb verwendet
man – wenn möglich – stark reflektieren­
de Objekte oder gestaltet den Sensor so,
dass das Detektorsignal möglichst hoch
ist. Letzteres erreicht man mit hohen Sen­
derstrahlstärken, engen Abstrahlwinkeln
des Senders oder einer hohen Detektor­
empfindlichkeit.
˘ AUTOR
Verfügung hat, kann durch Weglassen des
externen Widerstands den Senderstrom
reduzieren. Die Stromaufnahme beträgt
dann nur noch 25 μA bei einer Rechweite
von zirka 1 cm.
Fremdlichteinflüsse
Bild 1: Funktionsweise eines optischen Nähe­
rungssensors Alle Grafiken: Osram
Gerade für mobile Geräte sind solche Bau­
teile jedoch wenig geeignet: Hohe Sender­
strahlstärken gehen mit hohem Stromver­
brauch einher, enge Abstrahlwinkel
verlangen nach Linsen und empfindliche
Detektoren haben meist große Flächen.
Der mit 3,7 x 3,7 x 1mm3 kompakte Sensor
SFH 7741 von OSRAM Opto Semiconduc­
tors berücksichtigt diese Einschränkungen.
Er besteht aus einem hocheffizienten Sen­
derchip, einem Phototransistor und einem
AISC. Der Senderstrom lässt sich mit ei­
nem externen Widerstand einstellen. Bei
einem durchschnittlichen maximalen
Stromverbrauch von 45 μA erreicht der
Sensor bereits eine mittlere Reichweite
von 3 cm. Wer noch weniger Strom zur
In einem Reflexsensor empfängt der De­
tektor nicht nur das Nutzsignal vom Ob­
jekt, sondern auch Umgebungslicht und
Licht direkt vom Sender. Der SFH 7741 eli­
miniert diese Störungen bereits intern.
Das Gehäuse verhindert den direkten
Lichteinfall vom Sender zum Empfänger,
während die integrierte Signalauswertung
Umgebungslicht weitgehend ausschaltet.
Dabei misst das ASIC das Detektorsignal
mit und ohne eingeschaltetem Sender und
bildet die Differenz der beiden Signale.
Das Differenzsignal wird in ein digitales
Ausgangssignal umgewandelt. So kann
der Sensor in vielen Fällen bereits ohne
weiteres Zutun zum Einsatz kommen.
Einstellung des Schaltpunkts
Bild 2 zeigt das interne analoge Nutzsignal
des Näherungssensors SFH 7741 (blaue
Kurve) beim maximal möglichen Sender­
strom. Das reflektierende Objekt ist in
Bild 2: Detektor­
signale und interne
Schaltschwelle des
digitalen Nähe­
rungssensors SFH
7741 bei If = 50 mA
Rainer Friedrichs ist Marketing­
leiter des Geschäftssegmentes
­Infrarot bei OSRAM Opto Semi­
conductors.
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diesem Fall Haut, z. B. von Hand oder Wan­
ge. Der Schnittpunkt von Schaltschwelle
(gelbe Linie) und Nutzsignal legt die Ent­
fernung fest, bei der der Sensor schaltet.
In unserem Beispiel beträgt sie zirka
26 mm. Die Schaltschwelle im SFH 7741 ist
auf einen festen Detektorstromwert ein­
gestellt. Verringert man den Senderstrom,
so verschiebt sich das Nutzsignal relativ
zur Schaltschwelle nach unten und der
Sensor schaltet bei kleineren Abständen.
Die Schalthysterese des ASICs hält das di­
gitale Ausgangssignal bei kleinen Bewe­
gungen des Objekts stabil.
Betrieb hinter einer Abdeckung.
Kommt der Sensor hinter einer Abde­
ckung zum Einsatz, dann reflektiert diese
Licht zurück zum Empfänger. Die grüne
Kurve in Bild 2 zeigt das Detektorsignal
für diesen Fall. Der Einfluss der Reflexio­
nen ist so stark, dass das Signal vollstän­
dig über der Schaltschwelle liegt und der
Sensor nicht mehr funktioniert. Abhilfe
schafft ein auf den SFH7741 aufgesetzter
Steg, der Sender und Detektor optisch
trennt. Das Nutzsignal sinkt dadurch
zwar um zirka 60 % (rote Kurve in Bild 2),
aber es enthält keine Reflexionsanteile
mehr. Der Schaltabstand sinkt dadurch
auf ungefähr 15 mm.
Bild 3 illustriert die Wirkungsweise eines
solchen Stegs. Das vom Sensor ausgesand­
te Licht wird sowohl an der Unter- als auch
an der Oberseite der Abdeckung (rote und
rot-gestrichelte Linien) reflektiert. Ein Steg
aus infrarot-absorbierendem nichtreflek­
tierendem Material blockiert diese Refle­
xionen. Damit sich kein Druck von der
Abdeckung auf das Bauteil überträgt, soll­
te der Steg elastisch sein oder einen Spalt
zur Abdeckung lassen. Die Größe des Stegs
hängt stark von der Abdeckungsdicke t,
dem Abstand des Sensors zur Abdeckung
d und der Spaltbreite b ab. Dabei gelten
folgende Zusammenhänge:
˘ J e größer der Spalt zwischen Steg und
Abdeckung, desto breiter muss der Steg
sein.
˘ J e dicker die Abdeckung, desto breiter
muss der Steg sein, um Reflexionen von
der Abdeckungsoberfläche zu blockie­
ren.
˘ J e größer der Abstand zwischen Sensor
und Abdeckung, desto höher muss der
Steg sein. Ein großer Abstand Sensor –
Abdeckung reduziert zudem die effek­
tive Reichweite des Sensors von der
Gehäuseoberfläche.
˘ J e kleiner der Abstand Sensor – Abde­
ckung, desto breiter muss der Steg
sein.
˘E
in zu breiter Steg schattet emittiertes
Licht ab und verkleinert so die Reichwei­
te des Sensors.
Am besten funktioniert der Sensor, wenn
die Abdeckung so dünn wie möglich ist –
mindestens jedoch < 0,5 mm – und dabei
der Abstand zwischen Sensor und Abde­
ckung genau so groß ist wie die Abde­
ckungsdicke.
Ein praktikables Design ist beispielsweise
eine 0,5 mm dicke Plexiglasabdeckung im
Abstand 0,5 mm vom Sensor. Im Fall eines
elastischen Stegs, der mit der Abdeckung
abschließt (Steghöhe = 0,5 mm) ergibt
sich eine Stegbreite von 0,65 mm. Ein
starrer Steg, der einen 0,1 mm großen
Spalt zur Abdeckung lässt (Steghöhe =
0,4 mm) sollte 0,85 mm breit sein. Anwen­
der, deren Design von diesem Beispiel ˘
Bild 3: Betrieb eines
optischen Nähe­
rungssensors hinter
einer Plexiglasab­
deckung. Das vom
Sender ausgesand­
te Licht wird von
der Unter- und
Oberseite der Ab­
deckung auf den
Detektor reflek­
tiert. Ein Steg
­blockiert diese
­Reflexionen.
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abweicht, können für kleinere
schaltet der Sensor zuverlässig.
Abstände und Abdeckungsdi­
Deshalb ist neben der Positions­
cken die angegebenen Steggrö­
marke häufig eine definiert ab­
ßen verwenden.
sorbierende Marke nötig. Die
Bei größeren Dimensionen müs­
Größe des Reflektors hängt vom
sen sie den Steg neu berechnen.
Reflektormaterial ab: Diffuse
In diese Berechnung gehen sehr Bild 4: Funktionsweise eines optischen Positionssensors. An einer defi­ Reflektoren in 1 mm Abstand
viele Parameter ein. Deshalb hat nierten Stelle reflektiert eine Marke Licht auf den Sensor zurück.
vom Sensor sollten 6 x 6 mm2
groß sein, bei 4 mm Abstand
Osram passende Instrumente
sind 12 x 12 mm2 nötig. Für spiegelnde
entwickelt, mit denen die Anwender beim
sichtigt. Zwischen – 20 °C und + 85 °C und
Reflektoren reicht eine kleinere Fläche von
Design unterstützt werden können.
bei Schwankungen des Abstands zwischen
etwa 1 x 1 mm2.
Sensor und Reflektor von weniger als
Positionserkennung
± 0,4 mm schaltet der Sensor stabil.
Fazit
Auf dem gleichen Prinzip wie Näherungs­
Das Bauteil beruht auf dem selben Prinzip
Optische Reflexsensoren erobern ein neu­
sensoren basieren optische Sensoren zur
wie der SFH 7741, ist aber auf Positionser­
es Marktsegment. Sie werden kleiner, ver­
Positionserkennung. Sie fungieren als op­
kennung angepasst. Seine Reichweite liegt
brauchen weniger Strom und integrieren
tische Schalter, indem sie eine reflektie­
bei einem Stromverbrauch von 25 μA und
zentrale Schritte zur Signalverarbeitung.
rende Marke registrieren, die an einer
für einen Referenzreflektor mit 90 % Reflek­
Das macht sie attraktiv für Designer, die
definierten Stelle eines beweglichen Teils
tivität (z. B. Kodak neutral white) bei 0,6 bis
wenig Entwicklungsaufwand investieren
sitzt (bild 4). Sie bieten eine Alternative zu
1,4 mm. Für größere Abstände bis etwa
können. Richtlinien für das optische De­
magnetischen Sensoren, weil sie keine
4 mm lässt sich der Senderstrom mit einem
sign erleichtern den Einsatz der Sensoren
elektromagnetischen Interferenzen aus­
externen Widerstand anheben. Der Strom­
zusätzlich. Die Bauteile eröffnen nicht nur
lösen. Damit der Sensor zuverlässig funk­
verbrauch steigt dadurch auf bis zu 45 μA.
neue Anwendungen, sondern bieten auch
tioniert, muss er immer an der gleichen
Wichtig für das Gesamtsystem sind die
gute Alternativen zu magnetischen Sen­
Markenposition schalten. Veränderungen
Reflektivität und die Größe der Positions­
soren und mechanischen Schaltern. (av)
des Detektorsignals durch Alterung des
marke. An die Reflektivität der Marke lässt
Senders, Temperatureffekte, Umgebungs­
sich der Sensor mit Hilfe des Senderstroms
licht oder durch kleine Änderungen des
anpassen. Zusätzlich muss sich das Detek­
313ei1108
˘ infoDirect
Abstands Sensor – Reflektor dürfen diese
torsignal, das von der Positionsmarke her­
www.elektronik­industrie.de
Schaltfunktion nicht beeinflussen.
rührt, klar von dem Signal unterscheiden,
˘ Link zu Osram Opto semiconductors
Der Positionssensor SFH 7740 von Osram
welches das Material rund um die Marke
halle A3 stand 107
hat diese Aspekte bereits im Schaltungs­
verursacht. Nur wenn das Verhältnis die­
design und in den Messgrenzen berück­
ser beiden Signale mindestens 10 ist,
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