Laborbericht Projekt 3 / NPA

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1 Laborbericht Projekt 3 / NPA Themenbereich / Projekt: Messreihe Sensorik II Aufgabenstellung: Widerstandsmessungen an Phototransistor SFH 309 mit Overheadprojektor (OHP) zur Dimensionierung von Kollektorvorwiderstand Berechnung der Schwellwerte für High- und Lowzustände an den analogen Eingängen der LOGO! Messung: Dokumentation: Fachlehrer: Herr Pinkernell laborbericht-2.doc 1

2 Inhaltsverzeichnis...1 Inhaltsverzeichnis...2 Einleitung...3 Schaltungsaufbau Phototransistor SFH Messung am Phototransistor SFH Widerstandsmessungen...4 Messung mit simulierten Sonnenstrahleingangswinkel...4 Messung bei Tageslicht...4 Dimensionierung der Kollektorvorwiderstände...5 Berechnung der Schwellwerte...5 Datenblätter...6 laborbericht-2.doc 2

3 Einleitung Nachdem sich in der Messreihe Sensorik I für den Phototransistor SFH 309 entschieden wurde, hat sich die Projektgruppe NPA entschieden weiter Messungen an den Transistoren durchzuführen. In zwei Punkten wird sich der Schaltungsaufbau von der Messreihe Sensorik I unterscheiden. Die Messungen werden mit einem OHP als künstliche Lichtquelle durchgeführt, da ein OHP ein breiteres Lichtspektrum als eine LED-Lichtquelle besitzt. Es wird erwartet das der Transistor dadurch einen deutlich verringerten Kollektor-Emitter-Widerstand im durchgesteuerten Zustand hat. Die Schaltung hat keinen Emitterwiderstand mehr, da die Signalspannung jetzt zwischen Kollektorvorwiderstand und Transistor abgegriffen wird. Durch die Messungen sollen die Kollektorvorwiderstände dimensioniert werden und die Schwellwerte für die High- und Low-Signale an den analogen Eingängen der LOGO! berechnet werden. Schaltungsaufbau Phototransistor SFH 309 Sensor 1= Sensor 2= Phototransistor SFH 309 A1, A2= analoge Eingänge der LOGO! laborbericht-2.doc 3

4 Messung am Phototransistor SFH 309 Widerstandsmessungen Anmerkung: Widerstandsmessungen werden grundsätzlich in einem spannungsfreien Zustand durchgeführt. Messung mit simulierten Sonnenstrahleingangswinkel Mit künstlicher Lichtquelle (OHP) beträgt der Widerstand beider Sensoren, zwischen Kollektor und Emitter 390 Ω. Der Winkel zwischen Lichtstrahl und Sensorikoberfläche beträgt jetzt ca. 90. Bei Abdeckung der Sensoren betragen diese Widerstandswerte jeweils 450 kω. Wenn die Lichtquelle wandert bis die Kunststoffblende einen Schatten auf einen der Phototransistoren wirft, steigt der Widerstand des Phototransistor im Schatten auf 6 kω, der Widerstand des belichteten Phototransistor beträgt 460 Ω. Der Winkel zwischen Lichtstrahl und Sensorikoberfläche beträgt jetzt ca. 60. Bei einem Winkel von 45 zwischen Lichtstrahl und Sensorikoberfläche misst man am Sensor im Licht einen Kollektor-Emitter-Widerstand von 1,4 kω und an dem Sensor im Schatten einen Widerstandswert von 10,5 kω. Hier macht sich die Richtcharakteristik des belichteten Phototransistor deutlich bemerkbar. Messung bei Tageslicht Auch bei diesigem, diffusem Tageslicht, 100% Wolkendecke und leichtem Regen können die Phototransistoren deutlich und interpretierbar zwischen Licht und Schatten unterscheiden. Bei einem Winkel zwischen Sonnenstrahl und Sensorikoberfläche von 90 betrugen die Kollektor- Emitter-Widerstände beider Phototransistoren 1,2 kω. Bei einem Winkel zwischen Sonnenstrahl und Sensorikoberfläche von ca. 30 betrugen der Kollektor- Emitter-Widerstand des belichteten Phototransistors 1 kω, der Widerstandswert des Phototransistors im Schatten lag bei 4 kω. Winkel von Lichtstrahl zu Sensorikoberfläche, bei Tageslicht (TL) und OHP RCES (Kollektor/Emitterwiderstand des Phototransistor im Schatten) RCEL (Kollektor/Emitterwiderstand des Phototransistor im Licht) ca. 90 OHP 390 Ω (kein Schatten) 390 Ω (kein Schatten) ca. 60 OHP 6 kω 460 Ω ca. 45 OHP 10,5 kω 1,4 kω Kein Licht 450 kω 450 kω ca. 90 TL 1,2 kω (kein Schatten) 1,2 kω (kein Schatten) ca. 60 TL 4 kω 1 kω Tabelle 1: Messwerte Messreihe Sensorik II laborbericht-2.doc 4

5 Dimensionierung der Kollektorvorwiderstände Als Anfangswert für die Kollektorvorwiderstände wurden 1,5 kω angenommen, um die Spannung UA für die unterschiedlichen Phototransistorzustände zu berechnen. Die Spannung UA wird auf die analogen Eingänge der LOGO! Gegeben. Folgende Formel wurde verwendet um UA zu bestimmen: UA = UB * RCE/ (RCE + RC) UB = 10V; RC (Kollektorvorwiderstand)= 1,5 kω; RCE (Widerstand zwischen Kollektor und Emitter des Phototransistors) = siehe Tabelle 1. Winkel von Lichtstrahl zu Sensorikoberfläche, bei Tageslicht (TL) und OHP UA Schatten UA Licht ca. 90 OHP 2,1 V (kein Schatten) 2,1 V (kein Schatten) ca. 60 OHP 8 V 2,3 V ca. 45 OHP 8,75 V 4,8 V Kein Licht 9,97 V 9,97 V ca. 90 TL 4,4 V (kein Schatten) 4,4 V (kein Schatten) ca. 60 TL 7,27 V 4 V Tabelle 2: Rechenergebnisse UA Der angenommene Vorwiderstandswert von 1,5 kω erweist sich als eine solide Grundlage um eine differenzierte Interpretation der Ausgangsspannungen zuzulassen. Außerdem kann die Ausgangsspannung nie 10 V überschreiten, also können die analogen Eingänge der LOGO! nicht überlastet werden. Berechnung der Schwellwerte Wenn man sich die Tabelle 2 anschaut stellt man fest das bei einem belichteten Sensor die Ausgangsspannung von 4,8 V nicht überschritten, und bei einem schattigen Sensor die Ausgangsspannung von 7,27 V nicht unterschritten wird. Die vorläufigen Schwellwerte der analogen Eingänge der LOGO! werden mit 5,5 V als oberer Low- Schwellwert und 7 V als unterer High-Schwellwert eingeteilt. Damit ergeben sich nach folgender Formel: RCE = (UA * RC)/ (UB UA) die folgenden maximalen, bzw. minimalen Widerstandswerte für RCE: RCELOWmax = 1,83 kω RCEHIGHmin = 3,5 kω. laborbericht-2.doc 5

6 Datenblätter Das Datenblatt des Phototransistors SFH309 kann auf dem Link Datenblätter der Webseite des Projektes NPA eingesehen werden. laborbericht-2.doc 6