月: 2023年3月

Was ist Optische Sensoren?

Optische Sensoren, auch Lichtempfangselemente genannt, sind Halbleiterbauelemente. Sie gehören zu den Hilfsgeräten, die verschiedene Lichteigenschaften durch Umwandlung in elektrische Signale erkennen, und sind ein Zusatzgerät, das eine Maschine ausmacht. Die Technologie der optischen Abtastung wird als Methode zur Abtastung von Licht verwendet. Es gibt verschiedene Arten von Optischen Sensoren für alle möglichen Situationen. Es wurde eine breite Palette von Sensoren entwickelt, von solchen, die erkennen, ob ein Lichtobjekt innerhalb eines bestimmten Wertes liegt und durchlassen, wenn es eingeschaltet ist, und nicht durchlassen, wenn es ausgeschaltet ist, bis hin zu Typen, die Benachrichtigungen liefern, und hochempfindlichen Sensoren, die einzelne Photonen erkennen können.

Optische Sensoren werden auch als Bewegungssensoren in automatischen Türen eingesetzt. Die schnelle Reaktion der Sensoren bedeutet, dass keine zusätzliche Zeitverzögerung auftritt. Da sie durch die Erkennung von Licht funktionieren, benötigen sie keinen Kontakt mit Personen oder Gegenständen und führen nicht zu einer Verunreinigung des zu erkennenden Objekts. Daher können sie unbesorgt eingesetzt werden. Aus diesen Gründen werden Optische Sensoren in Industrie- und Verbraucheranwendungen eingesetzt.

Licht umfasst sichtbares Licht sowie unsichtbare ultraviolette und infrarote Strahlen. Bei der Auswahl eines Optischen Sensors ist es daher notwendig, einen Sensor nach der Wellenlänge auszuwählen.

Es gibt zwei Arten von Optischen Sensoren: solche, die Halbleiter wie Photodioden verwenden, und solche, die Photomultiplier-Röhren verwenden.

Verwendung von Optischen Sensoren

In den letzten Jahren haben sich die Geräte im Alltag immer mehr automatisiert, und die Anwendungen für Optische Sensoren haben sich erweitert. Typische Beispiele sind TV- und Audio-Fernbedienungen, die sich als Reaktion auf Infrarotlicht bewegen, weshalb Optische Sensoren für Infrarotlicht verwendet werden. Sie werden auch in Kamera-Autofokus und Bildsensoren verwendet. Andere Optische Sensoren werden auch in der Wasserversorgung von Waschbecken verwendet, die sich automatisch ein- und ausschalten, wenn sie die Hand einer Person erkennen.

Sobald man das Haus verlässt, werden Optische Sensoren überall in unserem Leben eingesetzt.

In Geldautomaten werden Optische Sensoren zur “Kartenerkennung”, “Banknotenerkennung” und “Erkennung des internen Mechanismus” eingesetzt. In Fahrkartenautomaten werden sie für die “Münzerkennung”, die “Fahrkartenerkennung” und die “Banknotenerkennung” eingesetzt. Das Licht wird von einem Bewegungssensor eingeschaltet, wenn eine Person die Toilette betritt, oder ausgeschaltet, wenn niemand anwesend ist, was zu Energieeinsparungen beiträgt.

Optische Sensoren werden auch zur Prüfung des Zuckergehalts von Obst verwendet, und die Nachfrage steigt, da sie den Zuckergehalt messen können, ohne das Obst zu beschädigen. Das Prinzip, dass der Brechungsindex des Lichts umso größer ist, je mehr Zucker- und Säurebestandteile im Saft gelöst sind, kann für die Messung des Zuckergehalts genutzt werden.

Sie finden auch in der Astronomie Anwendung, wo astronomische Bilder früher auf fotografischen Trockenplatten aufgezeichnet wurden, aber seit den 1990er Jahren werden ladungsgekoppelte Geräte (CCDs) eingesetzt.

Optische Sensoren

In den letzten Jahren hat die Technologie der Optischen Sensoren bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Im industriellen Bereich ist die zerstörungsfreie Prüfung ein Inspektionsverfahren, mit dem der Zustand eines Objekts untersucht werden kann, ohne es zu zerstören. Durch die Beaufschlagung des Objekts mit Strahlung oder Ultraschallwellen kann der Grad der Beschädigung und Vernarbung überprüft werden, ohne das Objekt zu zerstören. Ein ähnliches Verfahren, die so genannte Nahinfrarotspektroskopie, wird bei Optischen Sensoren eingesetzt. Die Nahinfrarotspektroskopie wird in spektroskopischen Nahinfrarotsensoren eingesetzt und ist ein Mechanismus, der das beobachtete Objekt nicht beeinträchtigt. Die Infrarotstrahlung wird in “nahes Infrarot”, “mittleres Infrarot” und “fernes Infrarot” eingeteilt, wobei sich die Nahinfrarot-Spektralsensoren mit Nahinfrarot-Strahlung befassen.

Nahinfrarot-Spektralsensoren können ein breites Spektrum anorganischer und organischer Materialien beobachten. Sie werden beispielsweise in Verbindung mit dem maschinellen Lernen eingesetzt, um bei anorganischen Materialien zu prüfen, ob der Beton verrottet, und bei organischen Materialien, um den Fettgehalt im Körper von Menschen und Fischen zu beobachten.

Auf diese Weise entwickelt sich die Optische Sensoren-Technologie weiter, und zwar nicht nur in einem Bereich, sondern auch durch die Einbeziehung weiterer Technologien.

Grundlagen der Optischen Sensoren

Es gibt viele Erkennungsmethoden für Optische Sensoren. Die wichtigsten sind die Transmissions- und die Retroreflexionsmethode. Der transmissive Typ benötigt einen lichtemittierenden Projektor und einen lichtempfangenden Empfänger und reagiert, wenn sich ein Hindernis zwischen ihnen befindet. Beim retroreflektierenden Typ sind der Projektor und der Empfänger integriert, und das vom Projektor ausgestrahlte Licht prallt am Reflektor ab, der die Unterbrechung des Lichts erkennt.

Im Prinzip gibt es auch zwei Arten von Sensoren, einen, der den internen photoelektrischen Effekt nutzt, und einen, der den externen photoelektrischen Effekt nutzt.

Interner photoelektrischer Effekt

Hier kommen Halbleiter zum Einsatz, wie bei den Fotodioden, und es wird der photovoltaische oder photoleitende Effekt ausgenutzt. Siliziumzellen decken den Bereich des sichtbaren Lichts ab, während Germaniumzellen den UV- bis IR-Wellenlängenbereich abdecken. CCDs, die häufig in Kameras verwendet werden, liegen im Bereich des sichtbaren Lichts.

Externer photoelektrischer Effekt

Bei Lichteinstrahlung werden Elektronen aus der Kathode herausgeschleudert und auf der Anode gesammelt, wo sie verstärkt und erfasst werden. Optische Sensoren, die Photomultiplier-Röhren verwenden, können einen weiten Bereich vom Vakuum-Ultraviolettbereich bis 1700㎛ erfassen. Optische Sensoren, die Photoröhren verwenden, können ebenfalls vom UV bis zum sichtbaren Licht detektieren.

Merkmale der Optischen Sensoren

Optische Sensoren sind in den folgenden Typen erhältlich, die auf das Erfassungsziel abgestimmt sind und über Merkmale im Lichtweg verfügen.

1. Durchlässige Fotosensoren

Das vom lichtemittierenden Element ausgestrahlte Licht hat eine U-förmige Struktur, wobei beide Elemente einander zugewandt sind, so dass das vom lichtemittierenden Element ausgestrahlte Licht auf das lichtempfangende Element mit einem bestimmten Abstand zwischen den beiden Elementen trifft. Das vom lichtemittierenden Element emittierte Licht wird am Ausgang des lichtempfangenden Elements gemessen, das sich aufgrund der Abschirmung verändert.

2. Getrennter Fotosensor

Das lichtemittierende und das lichtempfangende Element befinden sich in einem separaten Gehäuse und können beliebig eingestellt werden, indem ein Abstand zwischen den langen Sensoren erreicht wird.

3. reflektierende Lichtsensoren

Lichtsende- und Lichtempfangselemente sind in der gleichen Richtung ausgerichtet oder in einem bestimmten Winkel montiert. Das Licht des lichtemittierenden Elements wird auf ein bestimmtes detektierbares Objekt gestrahlt und das davon reflektierte Licht wird vom lichtempfangenden Element gemessen.

4. Prismen-Fotosensor

Optische Sensoren, bei denen das lichtemittierende und das lichtempfangende Element in der gleichen Richtung ausgerichtet und in einem bestimmten Winkel angebracht sind. Das Licht wird durch ein Prisma zwischen dem lichtemittierenden und dem lichtempfangenden Element gemessen.

5. Aktor-Fotosensor

Durch die Kombination eines Transmissions-Fotosensors mit einem Aktuator (Hebel), der eine Drehbewegung ausführt, wird der Sensor durch Blockieren mit einem Hebel mechanisch diskriminiert.

Was ist Prober?

Ein Prober ist eine Vorrichtung zur Fixierung einer Sonde (Nadel) in einer gewünschten Position, auch Sondenstation genannt. Es handelt sich um eine Positionierungsvorrichtung, die die Sonde des Kontaktteils des Messgeräts mit der korrekten Position der Elektrode des Halbleiters verbindet, um elektrische Größen auf dem Halbleiter-Wafer im Front-End-Prozess zu messen, hauptsächlich im Halbleiter-Wafer-Herstellungsprozess oder im IC-Design und in der Entwicklung.

Da die Elektrodenfläche eines Halbleiters sehr klein ist, muss die Sonde des Kontaktteils des Prüfgeräts an der exakten Position angebracht werden. Für die Positionierung des Probers ist eine sehr genaue Steuerbarkeit erforderlich.

Neben Halbleiterchips werden diese Geräte häufig zur Bewertung der elektrischen Eigenschaften von PCB-Substraten, verschiedenen Dünnschichtsubstraten wie Sensoren und Filtern und keramischen Substratgehäusen wie LTCC eingesetzt.

Anwendungen von Probern

Prober werden im Allgemeinen zur Prüfung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern, Dünnschichtsubstraten und verpackten Substraten verwendet. Bei der Verwendung für Forschungs- und Entwicklungszwecke sollte das System über Funktionen zur Unterdrückung von Rauschen und zur Vermeidung von Signalverlusten (Übersprechen) verfügen, mit hoher Genauigkeit messen können und hinsichtlich der Messmethoden so vielseitig und flexibel wie möglich sein.

Beim Einsatz in der Massenproduktion hingegen ist die wichtigste Funktion die Fähigkeit, schnell, präzise und in großen Mengen zu arbeiten, so dass eine Vielzahl von Prober-Modellen für die jeweilige Anwendung ausgewählt werden sollte.

Temperaturbeständigkeit ist auch auf der Prober-Seite erforderlich, um den korrekten Betrieb bei hohen und niedrigen Temperaturen während der Auswertung der Temperaturmerkmale sicherzustellen. Bei der Messung von Halbleitern für Leistungsgeräte usw. ist außerdem ein Prober erforderlich, der hohe Spannungen und niedrige Impedanzen verarbeiten kann.

Funktionsweise des Probers

Der typische Prober für Silizium-Wafer-Anwendungen wird im Folgenden beschrieben. Der Prober besteht aus einem Wafer Chuck zur Fixierung des Siliziumwafers, einem Tisch zum Bewegen des Wafer Chucks in XY-Richtung, einer Kontaktplatte, an der mehrere Prüfspitzen befestigt sind und die sich in Z-Richtung in Bezug auf den Tisch bewegt, und einer Kamera zur Positionierung.

Zusätzlich zu diesen Mechanismen enthalten die Produkte des Probers häufig ein Transportsystem für die Siliziumscheibe. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass der Siliziumwafer bei der Einstellung in die Waferprüfposition transportiert und dort fixiert wird.

Der Tisch positioniert dann die Sonde für die Messung in XY-Richtung, und wenn die Position der Sonde und der Elektrode des Halbleiters auf dem Siliziumwafer eingestellt ist, bewegt sich die Kontaktplatte in Z-Richtung, wodurch die Sonde und die Elektrode in Kontakt gebracht werden. Durch diesen Vorgang können die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters durch das Prüfsystem geprüft werden.

Weitere Informationen zu Probern

1. Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen und Anforderungen an Prober

Mit der jüngsten Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen ist die Mikrostrommessung ein wichtiger Indikator für die Bewertung der Fertigungsqualität von Halbleiterbauelementen. Bei der Entwicklung und Herstellung von Halbleiterbauelementen können Änderungen der Bauelementematerialien, der Kristallwachstumsparameter oder der Geometrie zu unerwarteten Strompfaden innerhalb des Bauelements führen, die gemeinhin als Leckstrom bezeichnet werden.

Erhöhte Leckströme können durch Gitterdefekte, die Gate-Oxidstruktur und die Substratauswahl verursacht werden, was zu einem übermäßigen Stromverbrauch und in einigen Fällen zu einer niedrigeren Durchbruchspannung führt. In den letzten Jahren sind die Gate-Länge von FETs und die Emittergröße von Bipolartransistoren in Halbleiterbauelementen extrem fein geworden, und während die zur Ansteuerung erforderliche Spannung sinkt, steigt der Leckstrom.

Daher ist eine hochpräzise Strommessung mit einem Prober für die Qualitätsbewertung erforderlich. Eine Maßnahme zur Erhöhung der Genauigkeit ist die Entwicklung von kryogenen Sonden. 

2. Positioniergenauigkeit des Probers und Positionierer

Die Positioniergenauigkeit des Probers hat einen direkten Einfluss auf die Messgenauigkeit. Wenn verschiedene Auswertungen ohne korrekte Antastung durchgeführt werden, wird unklar, was ausgewertet wird.

Wenn Sie zum Beispiel die Eigenschaften eines Halbleiterbauelements bewerten wollen, der Wafer aber nicht richtig positioniert ist und auf einem Isolator angetastet wird, ist es nicht schwer, sich vorzustellen, dass die Bewertungsergebnisse erheblich von den erwarteten Ergebnissen abweichen.

Es ist notwendig, die für das Bewertungsziel erforderliche Genauigkeit zu verstehen und sich dann auf die Verbesserung dieser Genauigkeit zu konzentrieren. Die Positioniergenauigkeit des Probers wird durch die Komponente, die als Positionierer (Manipulator) bezeichnet wird, bestimmt. Die richtige Auswahl eines Positionierers, der den erforderlichen Spezifikationen entspricht, kann die Positioniergenauigkeit erheblich verbessern.

Die Spezifikationen eines Stellungsreglers werden fast immer durch vier Faktoren bestimmt: (1) Verfahrweg, (2) Wegauflösung, (3) Justierempfindlichkeit und (4) Außenabmessungen. Nachfolgend finden Sie die Inhalte der einzelnen Spezifikationen.

1. Verfahrweg
   　Dies ist der Betrag der Bewegung in der XYZ-Richtung. Wird normalerweise in mm angegeben.
2. Wegauflösung
   　Definiert als das Ausmaß der Bewegung pro Umdrehung.
3. Justierempfindlichkeit
   　Definiert durch den minimalen Verstellweg. Wird oft in µm angegeben.
4. Außenabmessungen
   　Die Größe des Stellungsreglers. Der Preis steigt im Allgemeinen proportional zur Größe.

3. Hochfrequenztaugliche Prober

Für die Bewertung von Halbleitertransistoren im Hinblick auf die Hochfrequenzverträglichkeit (HF) und die Modellierung von Bauelementen wird ein Prober benötigt, der für die HF-Bewertung geeignet ist.

Im Allgemeinen werden GSG-Tastköpfe (Nadeln mit Masse (GND) auf beiden Seiten der Signalpads) mit speziellen Kalibrierplatinen verwendet, aber je nach der zu messenden Frequenz muss nicht nur auf den Tastkopf, sondern auch auf das HF-Kabel zum Netzwerkanalysator oder zu verschiedenen Messgeräten geachtet werden. Denn die Biegung des Kabels kann die HF-Messergebnisse beeinflussen.

Im Millimeterwellenbereich, der eine höhere Frequenz als der Mikrowellenbereich hat, werden spezielle VNA-Extender verwendet, aber die Konfiguration der Geräte sollte im Detail mit dem jeweiligen Hersteller besprochen werden, da die Konfiguration des Probers selbst einen sehr großen Einfluss auf die Messung hat.

Was ist Fotokoppler?

Ein Fotokoppler ist ein Element, das die Eingangs- und Ausgangsschaltungen bei der Übertragung von Signalen von der Eingangsseite zur Ausgangsseite elektrisch isolieren kann.

Er wird auch Opto-Isolator oder optischer Isolator genannt. In einem Fotokoppler wird das elektrische Eingangssignal einmal mit Hilfe eines lichtemittierenden Elements in ein optisches Signal umgewandelt, und das optische Signal wird dann mit Hilfe eines lichtempfangenden Elements wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, um das Ausgangssignal zu bilden.

Dies bedeutet, dass Signale auch dann übertragen werden können, wenn die Schaltung auf der Ausgangsseite nicht mit der Schaltung auf der Eingangsseite elektrisch verbunden ist. Diese hohe Isolierung ist der Hauptgrund für den Einsatz von Fotokopplern. Ein weiteres Merkmal ist ihre relativ lange Lebensdauer als Mittel zur Signalübertragung.

Verwendungszwecke von Fotokopplern

Fotokoppler werden in Geräten eingesetzt, bei denen aufgrund ihrer Isolationseigenschaften und langen Lebensdauer eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist. Beispiele hierfür sind medizinische elektronische Geräte.

In Audio- und Kommunikationsgeräten, bei denen ein geringes Rauschen erforderlich ist, werden Fotokoppler zur Übertragung von Signalen von digitalen Schaltkreisen zu analogen Schaltkreisen verwendet, wodurch verhindert wird, dass Rauschen in analoge Schaltkreise gelangt.

Fotokoppler werden auch in Geräten eingesetzt, die Motoren antreiben. Umrichtergesteuerte Motoren sind heutzutage weit verbreitet, aber bei der Drehzahlregelung ist Rauschen unvermeidlich. Dieses Rauschen kann in die Geräte eindringen und Fehlfunktionen verursachen. Deshalb werden Signale über Fotokoppler übertragen, um das Rauschen des Motors zu blockieren.

Darüber hinaus werden sie auch für die Signalübertragung zwischen Geräten verwendet, die mit unabhängigen Stromversorgungen arbeiten. Insbesondere beim Anschluss an schwimmende Geräte besteht die Gefahr eines elektrischen Schlags, während beim Anschluss über einen Fotokoppler die Sicherheit gewährleistet werden kann, da das Gerät von schwimmenden Geräten isoliert ist.

Das Prinzip der Fotokoppler

Wie bereits erwähnt, ist ein Fotokoppler eine Einheit, die ein lichtemittierendes Element wie eine Leuchtdiode und ein lichtempfangendes Element wie einen Fototransistor kombiniert, wobei diese Elemente in einem Gehäuse eingeschlossen sind, das Licht von außen blockiert. Das lichtemittierende und das lichtempfangende Element sind nahe beieinander angebracht, und wenn das lichtemittierende Element eingeschaltet wird, wechselt das lichtempfangende Element vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, was das Prinzip der Signalübertragung durch den Fotokoppler darstellt.

Die Vorrichtung, die das Signal ausgibt, ist mit dem Eingangsanschluss des Fotokopplers verbunden, und das lichtemittierende Element wird ein-/ausgeschaltet. Das Gerät, das das Signal empfängt, ist mit der Ausgangsklemme des Fotokopplers über einen Pull-up-Widerstand von einigen kΩ an die Stromversorgung angeschlossen. Bei dieser Konfiguration entspricht die Ausgangsklemme des Fotokopplers der Versorgungsspannung, wenn das lichtemittierende Element ausgeschaltet ist, und liegt bei etwa 0,1 V~0,3, wenn das lichtemittierende Element eingeschaltet ist.

Mit anderen Worten: Als Reaktion auf das Ein- und Ausschalten des lichtemittierenden Elements durch das Gerät, das das Signal ausgibt, erscheinen Impulse, die das Gerät auf der Empfangsseite empfängt und mit der Signalverarbeitung fortfährt. Auf diese Weise koppelt der Fotokoppler den Eingangs- und den Ausgangskreis über Licht, aber es besteht keine elektrische Verbindung zwischen ihnen und sie sind isoliert.

Arten von Fotokopplern

Es gibt verschiedene Arten von Fotokopplern mit unterschiedlichen Elementen, je nach Anwendung. Typische Elemente sind die folgenden

1. Fotokoppler mit Transistorausgang

Dies ist die Grundkonfiguration von Fotokopplern. Aufgrund ihres niedrigen Preises und ihrer Vielseitigkeit ist sie auf dem Markt immer noch am weitesten verbreitet. Es gibt Produkte mit verschiedenen Merkmalen wie hohem Umwandlungswirkungsgrad, hoher Spannungsfestigkeit und geringer Eingangsansteuerung. Sie haben eine breite Palette von Funktionen und ihre Hauptanwendungen sind Signaltrennung, Rückkopplungserkennung und isolierte Schalter.

2. Fotokoppler mit IC-Ausgang

Photokoppler sind integrierte Schaltungen mit einem lichtempfangenden Element, um eine hohe Geschwindigkeit und spezifische Funktionen zu erreichen. Fotokoppler mit IC-Ausgang lassen sich in drei weitere Kategorien einteilen: 

• Produktgruppen für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Logiksignalen
• Produktgruppen mit einer Treiberfunktion für externe Leistungselemente
• Produktgruppen mit Strom-/Spannungsrückkopplungsfunktionen

3. Fotokoppler mit Triac-Ausgang

Verwendung als Trennschalter zur direkten Steuerung von Wechselstromlasten wie Motoren und Magneten, die direkt an kommerzielle 100-V- oder 200-V-Stromversorgungen angeschlossen sind, die in Haushalten, Büros und Fabriken verwendet werden. Durch die Verwendung von Triacs mit hoher Elementdurchbruchsspannung ist es möglich, Wechselstromlasten mit winzigen Strömen von etwa 10 oder mehr mA ein- und auszuschalten und sie gleichzeitig elektrisch zu isolieren.

Das Element allein kann nur Wechselströme von etwa 100 mA steuern, aber wenn es als Treiber für einen externen Triac verwendet wird, können Wechselströme von bis zu mehreren A gesteuert werden.

4. MOSFET-Ausgangsfotokoppler

Dieses Gerät verfügt über zwei MOSFETs, die in der Ausgangsstufe an der gemeinsamen Quelle angeschlossen sind, und hat die gleiche Funktionalität wie ein mechanisches Relais. Die Besonderheit des MOSFET besteht darin, dass er nicht nur als einfacher Schalter, sondern auch als Analogsignal-Schalter arbeiten kann.

Weitere Informationen über Fotokoppler

Leistungsschwankungen und Lebensdauer von Fotokopplern

Der Stromübertragungskoeffizient (CRT) ist ein charakteristischer Parameter von Fotokopplern. Der Stromübertragungsfaktor ist das Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom (IC) und dem Eingangsdurchlassstrom (IF) und entspricht dem Gleichstromverstärkungsfaktor (hFE) eines Transistors.

• Der Wert variiert mit IF
• Beeinflusst durch die Umgebungstemperatur
• Er nimmt mit der Zeit ab.

Dies muss beim Entwurf von Schaltungen berücksichtigt werden. Das heißt, wenn der Stromübertragungskoeffizient aufgrund von Umweltveränderungen oder im Laufe der Zeit schwankt, ändert sich der Ausgangsstrom, was zu Fehlfunktionen der Schaltung führen kann. Daher ist es wichtig, den ZF-Wert, den Widerstandswert des Pull-up-Widerstands usw. zu prüfen, damit Schwankungen des Signalpegels sie nicht beeinträchtigen.

Wenn der Optokoppler über einen längeren Zeitraum verwendet wird, nimmt der Stromübertragungskoeffizient allmählich ab und es wird kein ausreichendes Signal mehr ausgegeben. Die Hauptursache für die Abnahme des Stromübertragungskoeffizienten ist die fortschreitende Verschlechterung der LEDs, die zu einer Abnahme der Lichtausbeute führt.

Die Lebensdauer eines Fotokopplers ist in den Unterlagen des Geräteherstellers eindeutig angegeben, so dass das Modell und die Einsatzbedingungen unter Berücksichtigung dieser Angaben bestimmt werden müssen.

Was ist eine Stiftleisten?

Eine Stiftleiste ist ein Anschluss, der an einer Leiterplatte befestigt wird. Ein Beispiel für die Verwendung ist das Anbringen einer Stiftleiste an einer Lochrasterplatine, um ein PICkit anzuschließen und Programme für den PIC-Mikrocontroller zu schreiben.

Anschlussklemmen sind mit Gold oder Zinn beschichtet. Sie sind oft länglich und haben bis zu 40 Stifte in einer Reihe, die einzeln entfernt werden können, oft mit einem Cutter oder einer Zange. Achten Sie darauf, dass Sie den Durchmesser der Stiftleisten nicht verwechseln, da sie sonst nicht in die Löcher auf der Platine passen.

Verwendungszwecke von Stiftleisten

Stiftleisten werden auf Platinen wie Breadboards und Universalboards verwendet, um die Signaleingabe und externe Verbindungen zu erleichtern. Sie werden häufig für Draht-zu-Draht-Verbindungen verwendet, dienen aber auch als Schaltsteckverbinder.

Häufig wird der übliche Typ mit einem Raster von 2,54 mm verwendet, aber es gibt auch Variationen in Größe, Länge und L-Biegung auf einer Seite.

Sie werden für interne Verbindungen in einer Vielzahl von elektronischen Geräten verwendet, z. B. in Fahrzeugsteuerungen, Industrieanlagen, Computern, Kommunikationsgeräten, medizinischen Geräten, Speicher- und Haushaltsgeräten.

Prinzip der Stiftleisten

Sie bestehen aus einem Stift, der ein Leiter ist, und einem Gehäuse, das ein Isolator ist und zur Verbindung von Schaltkreisen dient. Diese Steckverbinder sind beidseitig als Stift- oder Buchsenleisten erhältlich. Der Stift-Stecker-Typ hat Stifte an beiden Enden und kann auf einer Platine befestigt werden. Breadboards können einfach aufgesteckt werden, während Universalboards gelötet werden müssen.

Das Material ist Messing, das entweder verzinnt oder vergoldet ist. Die Vergoldung schützt besser vor Rost und ist haltbarer. Der Betriebstemperaturbereich liegt bei -40°C bis 105°C. Je nach Anwendung sind einreihige oder zweireihige Typen erhältlich. Der Nennstrom und die Nennspannung dürfen nicht überschritten werden.

Stiftleisten zur Verbindung von Platine zu Platine sollten an beiden Enden verlötet werden. Sie können auch auf flexiblen Leiterplatten unter Verwendung einer Verstärkungsplatte verwendet werden. Stiftleisten können auch als Montageverbindung zwischen flexiblen und starren Leiterplatten verwendet werden. Buchsenleisten können auch zum Verbinden und Trennen verwendet werden.

Was ist ein Varistoren?

Ein Varistor ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Elektroden, deren Widerstand sich je nach der angelegten Spannung ändert.

Der Begriff Varistor leitet sich von Variable + Resistor ab und bedeutet “veränderlicher Widerstand”. Aus diesem Grund wird er manchmal auch als nicht direkter Widerstand oder als spannungsabhängiger Widerstand bezeichnet.

Spannung und Strom sind durch ein nichtproportionales Verhältnis gekennzeichnet: Wenn die an den Varistor angelegte Spannung niedrig ist, ist der Widerstand hoch, und wenn die Spannung hoch ist, ist der Widerstand niedrig.

Verwendungszwecke von Varistoren

Varistoren haben einen von der Spannung abhängigen Widerstand. Diese Eigenschaft kann zum Schutz von IC-Elementen und anderen Geräten vor statischer Elektrizität oder zum Schutz elektronischer Geräte vor Blitzüberspannungen verwendet werden.

Wenn eine anormale Spannung an ein Element wie einen IC oder ein elektronisches Gerät angelegt wird, kann dies zu einer Fehlfunktion oder Zerstörung führen. Wenn eine hohe Spannung an einen Varistor angelegt wird, wird der Widerstand des Varistors niedrig. Dies erleichtert den Stromfluss im Schaltkreis und verringert die Belastung der elektronischen Geräte, indem ein Spannungsabfall in der Leitungsimpedanz entsteht. Weitere Anwendungen sind die Verhinderung elektrostatischer Entladungen und die Verhinderung von Zersplitterung.

1. Verhinderung von Entladungen durch statische Elektrizität

Elektronische Geräte mit externen Schnittstellen, wie z. B. Mobiltelefone, Musikplayer und USB-Geräte, die im täglichen Leben verwendet werden, lassen sich nur schwer gegen statische Elektrizität abschirmen und erfordern daher den Einsatz von Bauelementen zur Verhinderung statischer Elektrizität. Denn die technische Raffinesse und die schwierige Herstellung dieser Geräte machen sie anfällig für elektrostatische Entladungen und damit anfällig für Zerstörung.

Bisher wurde ein stabiles und konstantes Spannungselement, die so genannte Zener-Diode, als Methode zur Verhinderung statischer Elektrizität verwendet, aber die Entwicklung von kleinen, kostengünstigen Multilayer-Chip-Varistoren hat zur Verwendung von Varistoren geführt.

2. Anti-Dispersionsmittel

Kommutatormotoren sind ein Oberbegriff für Elektromotoren und Leistungsgeräte mit einem mechanischen Kommutator und Bürsten, die den fließenden Strom entsprechend der Drehphase umschalten und die Leistung der rotierenden Welle in einer konstanten Richtung halten.

Eine Art von Kommutatormotor ist der Bürsten-Gleichstrommotor, der einen Teil hat, der Bürste genannt wird und durch den der Strom direkt fließt, aber der Kommutator, der sich intermittierend dreht, erzeugt Hochspannung und Funken, wodurch die Bürsten verschleißen und Geräusche erzeugt werden. Um dies zu verhindern, werden Varistoren eingesetzt.

Das Prinzip eines Varistors

Ein Varistor besteht aus zwei Elektroden, die zwischen zwei keramischen Halbleitern liegen, deren Hauptbestandteil Zinkoxid ist. Die Eigenschaften eines Varistors lassen sich als I=KV^α ausdrücken, wobei I der Strom und V die Spannung ist. wobei K eine elementspezifische Konstante und α der Spannungs-Nichtlinearitätskoeffizient (α-Faktor) ist.

Der Spannungs-Nichtlinearitätskoeffizient ist ein Koeffizient, der die Krümmung nach dem Brechungspunkt ausdrückt, dem Punkt, an dem der Übergang von niedrigem zu hohem Widerstand erfolgt. Das Ersatzschaltbild eines Varistors besteht aus zwei umgedrehten Zenerdioden, die parallel zu einem Kondensator geschaltet sind.

Daraus ist ersichtlich, dass der Varistor eine Kondensatorkomponente hat, was bedeutet, dass die Spannung über dem Varistor niedrig ist und dass der Varistor eine geringe Kapazität hat, wenn er einen hohen Widerstand hat.

Bis zu einer bestimmten Spannung lässt die Struktur aufgrund des hohen Widerstands keinen Strom fließen, aber wenn eine Last über einer bestimmten Spannung angelegt wird, ist die Spannung höher als der Widerstand, so dass aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts ein großer Strom fließt. Wenn also eine Hochspannungslast an ein Element oder ein elektronisches Gerät angelegt wird, dient der Varistor dazu, statische Elektrizität zur Erde abzuleiten usw.

Weitere Informationen über Varistoren

Eigenschaften von Varistoren

Varistoren haben eine bestimmte Lebensdauer. Es ist notwendig, einen Varistor auszuwählen, dessen Lebensdauer anhand der an den Varistor angelegten Spannung, der Widerstandsfähigkeit des Varistors und eines linearen Diagramms, das die Ergebnisse der Überspannungswellenform zeigt, richtig bestimmt werden kann, d. h. sowohl der freigegebene als auch der kurzgeschlossene Ausgang. Werden die Vorgaben weit überschritten, kann das Produkt brechen oder zerspringen und zu Verletzungen führen.

Eine weitere ähnliche Struktur ist die Zenerdiode, die sich leicht unterscheidet, da sie eine symmetrische Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist und daher keine Polarität besitzt.

Was ist ein Thyristoren?

Thyristoren sind Halbleiterbauelemente mit gleichrichtender Wirkung, auch SCR (Silicon Controlled Rectifier) oder siliziumgesteuerter Gleichrichter genannt. Die gleichrichtende Wirkung bezieht sich auf die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Ein typisches elektronisches Bauteil mit Gleichrichterfunktion ist eine Diode.

Der Unterschied zwischen einer Diode und einem Thyristor ist der Gate-Anschluss. Thyristoren haben einen Anschluss, der Gate genannt wird, und wirken nur gleichrichtend, wenn Strom durch den Gate-Anschluss fließt.

Verwendungszwecke von Thyristoren

Thyristoren werden in der Soda-Industrie und in der elektrolytischen Beschichtung als industrielle Anwendungen eingesetzt. In der Sodaindustrie wird Salzwasser elektrolysiert, um Natronlauge und Wasserstoff zu erzeugen. Ätznatron wird zur Herstellung von Seife und Reinigungsmitteln verwendet. Der hohe Gleichstrom für die Elektrolyse von Salzwasser wird von Thyristoren erzeugt.

Im Alltag werden Thyristoren z. B. zum Dimmen von LED-Beleuchtung verwendet: Der Strom zu den LEDs wird durch den Thyristor gesteuert, und das Gerät, das die LED-Beleuchtung steuert, wird als LED-Treiber bezeichnet, der immer einen Thyristor enthält.

Das Prinzip des Thyristors

Thyristoren haben eine PNPN-Vierfachstruktur, die aus p- und n-Typ-Halbleitern besteht. Die Gate-Anschlüsse werden aus den dazwischen liegenden n- bzw. p-Halbleitern herausgezogen, die als N-Gate bzw. P-Gate bezeichnet werden.

Aufgrund seiner Vierfachstruktur hat er drei Übergänge. Betrachtet man die Übergänge von der Anodenseite (Anode) zur Kathodenseite (Kathode), so sind der erste und der dritte Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt. Im Gegensatz dazu ist der zweite Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Versucht man in diesem Zustand, Strom von der Anodenseite zur Kathodenseite zu leiten, so fließt nur sehr wenig.

Legt man jedoch eine Vorwärtsspannung an den Thyristor an und fließt Strom zum Gate-Anschluss, kommt es zu einem Phänomen, das als Lawinendurchbruch bekannt ist, und es kommt zu einem Stromfluss zwischen Anode und Kathode. Dies wird als Thyristor-Punktbogen oder Einschaltung bezeichnet.

Nach dem Einschalten des Thyristors wird die Leitung unterbrochen, wenn der zur Anode fließende Strom Null wird. Dies wird als Abschaltung oder Löschung bezeichnet. Die Abschaltung eines Thyristors erfolgt spontan, da der Wechselstrom periodische Momente der Spannungslosigkeit aufweist.

Weitere Informationen über Thyristoren

Anwendungen von Thyristoren

Thyristoren können zur Steuerung hoher Leistungen verwendet werden. Thyristoren werden im Leistungsteil von Geräten eingesetzt, die große Mengen an Leistung steuern. Spezifische Beispiele sind unten aufgeführt.

1. Gleichrichter
Die Gleichrichtung ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Dioden und Thyristoren werden als Gleichrichter verwendet, die wichtige Bestandteile von Gleichrichterschaltungen sind. Thyristoren-Gleichrichter sind kleiner und leichter als Dioden-Gleichrichter, aber die hohen Frequenzen erzeugen Rauschen im Stromversorgungssystem. In den letzten Jahren wurden Gleichrichter mit Transistoren entwickelt, um Oberwellen zu unterdrücken.

2. Steuerung von Wechselstrommotoren
Das Gerät, das die Drehzahl von Wechselstrommotoren steuert, wird als VVVF-Gerät bezeichnet; in einem VVVF-Gerät gibt es einen Stromrichterteil und einen Wechselrichterteil. Der Wandlerteil wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Im Wandlerteil werden hauptsächlich Dioden verwendet.

Der Wechselrichterteil ist ein Gerät, das die Gleichstromversorgung durch Umkehrung der Gleichrichtung in eine Wechselstromversorgung umwandelt. Im Wechselrichter wird die AC-Stromversorgung einmal in eine DC-Stromversorgung umgewandelt. Der Wechselstrom wird durch schnelles Schalten der Gleichstromversorgung mit Thyristoren und anderen Geräten erzeugt.

Was sind industrielle Waagen?

Industrielle Waagen sind Messgeräte, die in der Produktion und Entwicklung von Produkten, sei es in der Land- und Forstwirtschaft, der Fischerei oder der Industrie, zum Wiegen von Gegenständen verwendet werden.

Es gibt verschiedene Arten von Industriewaagen, von elektronischen Waagen, die zum präzisen Wiegen in Labors, z. B. für chemische Analysen, verwendet werden, bis hin zu Bodenwaagen, die in den Boden eingelassen sind und zum Messen ganzer großer Lastwagen dienen. Darüber hinaus gibt es verschiedene Arten von Waagen je nach Verwendungszweck und Messumgebung, z. B. staubdichte Spezifikationen für das Wiegen von Pulvern, wasserdichte Spezifikationen für das Wiegen von leichten Flüssigkeiten und explosionssichere Spezifikationen für das Wiegen in Gefahrenbereichen, in denen explosive Gase entstehen können.

Verwendungszwecke von Industriellen Waagen

Industrielle Waagen werden in einer Vielzahl von Branchen zur Bestimmung von Gewichten und Maßen eingesetzt, wobei die Produkte auf die jeweiligen Bedürfnisse abgestimmt sind. Beispiele sind die Forschung und Entwicklung sowie die Analyse in Laboratorien im Chemiesektor, in der Land-, Forst- und Fischereiwirtschaft, in Produktionsanlagen für Industrieprodukte und in Lagern in der Logistikbranche.

In der Produktions- und Logistikbranche werden sie als Mengenmesser zur Bestimmung der Produktmenge eingesetzt. Um beispielsweise die Menge von kleinen Schraubenprodukten zu zählen, kann das Gewicht von etwa 100 Stück im Voraus auf einer Industriewaage gespeichert werden, so dass die Menge der Produkte einfach durch Auflegen auf die Waage bestimmt werden kann.

Industrielle Waagen werden auch in einer Reihe von automatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt, z. B. bei der automatischen Abfüllung von Flüssigkeiten und Pulvern, bei der Füllmengenprüfung, beim Wiegen, Mischen und Dosieren für die Chargenverarbeitung. Industrielle Waagen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Pharma-, Kosmetik-, Chemie- und Lebensmittelindustrie.

Prinzipien der Industriellen Waagen

Zu den allgemeinen Waagen gehören Federwaagen, die auf dem Hooke’schen Gesetz basieren, und Waagen, die auf dem Hebelprinzip beruhen. Bei den Industriewaagen werden jedoch hauptsächlich elektromagnetische Messprinzipien, Wägezellen und Stimmgabeln verwendet.

1. Elektromagnetische Industriewaagen

Der innere Aufbau einer elektromagnetischen Industriewaage ist ähnlich wie der einer Waage. Eine Probe wird auf einer Seite des Stabes platziert und eine elektromagnetische Spule wird auf der gegenüberliegenden Seite des Stabes über dem Drehpunkt angebracht.

Die elektromagnetische Kraft, die erforderlich ist, um das Gleichgewicht in Bezug auf das Gewicht der Probe aufrechtzuerhalten, wird gemessen, und die elektromagnetische Kraft wird in Gewicht umgerechnet. Das elektromagnetische Verfahren ermöglicht hochgenaue Messungen und eignet sich für Waagen, die winzige Proben messen, wie z. B. Analysenwaagen.

2. Industriewaagen mit Wägezellen

Diese Art von Waage besteht aus einem Dehnungsmessstreifen, der die Verformung eines Dehnungsgenerators erfasst, der durch das Gewicht der Waage verformt wird. Eine Seite des Messelements ist fixiert und auf der anderen Seite befindet sich eine Probe.

Die durch das Gewicht der Probe erzeugte Dehnung wird vom Dehnungsmessstreifen als Widerstandswert erfasst und in Gewicht umgerechnet. Der Aufbau ist relativ einfach und kostengünstig. Diese Methode eignet sich für die Messung schwerer Gegenstände, bei denen die Genauigkeitsanforderungen nicht so hoch sind.

3. Stimmgabel-Industriewaagen

Die Stimmgabel-Industriewaage misst die Schwingungsfrequenz eines Wägegutes, wenn ein Messwertaufnehmer, der aus zwei miteinander verbundenen Stimmgabeln besteht, belastet wird, und wandelt die Frequenzänderung in ein Gewicht um. Es handelt sich um ein relativ neues Messprinzip, dessen Messgenauigkeit zwischen der von elektromagnetischen und Wägezellen liegt.

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1. Plattformwaagen

Plattformwaagen sind ein Oberbegriff für Waagen, die das Gewicht von stationären Gegenständen messen, indem sie diese auf eine ebene Fläche in Form einer Plattform, dem sogenannten Wägetisch, stellen. Die Plattform sinkt durch das Gewicht des darauf abgestellten Gegenstandes, und der Betrag des Absinkens wird als Gewicht gemessen.

Es gibt verschiedene Produkte für die unterschiedlichsten Zwecke und Kapazitäten, wie z. B. Haushaltswaagen, Küchenwaagen, Ladenwaagen, Waagen zur Messung des Propangasvolumens und Fahrzeugwaagen, die eine Wägeplattform auf dem Boden haben und große Fahrzeuge und andere Gegenstände selbst tragen können.

Neben den analogen Typen mit Federn gibt es auch eine Vielzahl von Produkten mit internen Strukturen wie Wägezellen, elektromagnetischen Sensoren, digitalen Typen mit digitalen numerischen Anzeigen, wasserdichten und explosionsgeschützten Strukturen usw., je nach Anwendung, Wägekapazität und Preisklasse.

2. Wägebrücken

Die Bezeichnung für die Waagschale oder Plattform, auf die das zu messende Objekt in der messtechnischen “Waage” gestellt wird. Als Produktbezeichnung für eine “Plattformwaage” wird sie je nach Hersteller auch als Wägeplattform bezeichnet.

3. Elektronische Waage

Elektronische Waagen sind hauptsächlich “elektronische Waagen” zur Messung der Masse. Einige Modelle haben eine eingebaute Waagenstruktur, während andere eine Ein-Block-Struktur ohne Waagenstruktur haben. Zu den Messmethoden elektronischer Waagen gehören der elektromagnetische Kraftausgleich, die Wägezelle und die Stimmgabelschwingung.

Elektromagnetische Waagen waren die Hauptstütze der frühen elektronischen Waagen, aber solche mit Dehnungsmessstreifen-Wägezellen sind inzwischen weit verbreitet. Die Messgenauigkeit ist im Allgemeinen bei der elektromagnetischen Kraftausgleichsmethode höher als bei der Wägezellenmethode.