Wissenswertes zur Optoelektronik

Das Prinzip der Optoelektronik

Unter dem Begriff Optoelektronik sind alle Produkte und Verfahren zur Umwandlung von Daten beziehungsweise Energien in Licht – und umgekehrt – zusammengefasst.

Typische Beispiele sind der PC-Monitor, das Fernsehgerät und die LED-Leuchte, aber auch die DVD, der Bewegungsmelder und der Laser-Entfernungsmesser.

Am einfachsten lassen sich Komponenten der Optoelektronik anhand ihrer Funktion unterscheiden, und zwar in aktive und passive Bauelemente und ob sie mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht wie Infrarot- oder UV-Strahlung arbeiten.

Aktive Bauelemente

Unter aktiv verstehen wir in diesem Zusammenhang jene Elemente, die elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich abgeben. Sie basieren nahezu vollständig auf dem Prinzip der Leuchtdiode (light-emitting diode, kurz: LED), sind somit recht einfach zu verbauen, stromsparend und lange haltbar.

Displays und Anzeigen

Die bekanntesten Vertreter von Anzeigen und Displays sind 7-Segment- und alphanumerische Anzeigen zur Darstellung von Zahlen und Buchstaben sowie jene mit einer Punkt-Matrix. Zum Einsatz kommen hier einzeln ansteuerbare LEDs, verbaut in einem viereckigen Gehäuse, das direkt auf die Platine des Mikrocontrollers gelötet werden kann. Rot, Gelb und Grün sind die am häufigsten eingesetzten Farben der LEDs, wichtigster Anwendungsbereich ist die Zustandsinformation eines elektrischen oder elektronischen Geräts. Beispiele sind die Zeit- und Frequenzangabe eines Radioweckers oder die Leistungseinstellung eines Mikrowellenherds.

LEDs für sichtbares Licht

Die kleinen, stromsparenden, teilweise sehr hellen und äußerst langlebigen „Lämpchen“ verdrängen seit geraumer Zeit Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen. Was viele nicht wissen: Die Leuchtdiode ist Optoelektronik par excellence, denn sie besteht aus einem Halbleiter, der Elektrizität unmittelbar in Licht umsetzt. Die Palette an LEDs und Zubehör reicht von LED-Lampen über LED-Signalleuchten und Flächen-LEDs bis zu LED-Streifen und HighPower-LEDs. Letztere sind zum Beispiel in extrem hellen Taschenlampen verbaut und eignen sich als Ersatz für Halogen-Außenstrahler.
 

Infrarot-Emitter

Infrarot-Bauelemente ähneln sowohl optisch als auch von der Technologie her den LEDs für sichtbares Licht. In ihnen wird allerdings Wärmestrahlung (= Infrarot) erzeugt. Sie dienen hauptsächlich der für das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Beleuchtung im Innen- oder Außenbereich. Mit IR-Strahlern ausgerüstete Überwachungskameras und Nachtsichtgeräte allerdings können über ihre speziellen Aufnahmechips auch infrarotes Licht empfangen, das Bild auf dem Display darstellen und gegebenenfalls speichern.

UV-Emitter

Ultraviolettes Licht wird im Rahmen der Optoelektronik zum Härten von Fotolacken, zur Sterilisation und zur Überprüfung von Banknoten eingesetzt. Wie Infrarot ist auch die UV-Strahlung für das menschliche Auge unsichtbar – und deshalb gefährlich! Beim Umgang sollte auf keinen Fall in einen eingeschalteten UV-Emitter geblickt werden, da Netzhautschädigungen die Folge sein können.

Angeboten werden UV-Emitter in normaler LED-Ausführung sowie als direkt auf die Platine zu lötende Komponente (surface-mounted device, kurz: SMD). Leistungsstarke Typen benötigen ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, da sie im Betrieb heiß werden und wie alle Halbleiter durch zu hohe Temperaturen Schaden nehmen können.

Laserdioden

Vom Prinzip her ähneln Laserdioden den LEDs für sichtbare und infrarote Strahlung. In ihnen wird aber ein ganz besonderes Licht erzeugt: Laserlicht. Darunter sind elektromagnetische Wellen hoher Intensität und mit sehr engem Frequenzbereich (kohärentes, einfarbiges Licht) zu verstehen. Da sich Laserlicht sehr eng bündeln lässt und auf große Entfernung kaum auffächert, sind Laserdioden das wichtigste Bauelement zum Beispiel in Laserpointern, Entfernungsmessern, Lichtschranken sowie in CDs, DVDs und Blu-Ray-Discs. Zur Abtastung der Speichermedien werden in CDs und DVDs rote oder infrarote, in Blu-Ray-Discs dagegen UV-Laserdioden eingesetzt. Diese Art von Lasertechnik wird aber auch als „Sender“ für die Nachrichtenübertragung in Glasfasernetzen verwendet.

Gängig sind vor allem Laserdioden mit sichtbarem roten Licht, in einem Modul verbaut stehen jedoch ebenso Laserdioden mit grünem oder blauem Licht zu Verfügung. Diese Module enthalten oft Laserdioden der Klasse 3B, das heißt: Beim Umgang mit ihnen ist besondere Vorsicht geboten, da der Strahl eine erhebliche Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt. In Deutschland ist der Betrieb eines 3B-Lasers meldepflichtig und darf nur durch Fachpersonal erfolgen.

Passive Bauelemente

Im Gegensatz zu LEDs emittieren passive Bauelemente der Optoelektronik keinerlei Strahlung, sie können dagegen sowohl sichtbares als auch unsichtbares Licht verwerten.

Fotodioden und Fototransistoren

Fotodioden und Fototransistoren wandeln Licht (sichtbar oder im Infrarotbereich) in elektrischen Strom um oder dienen als beleuchtungsabhängige Widerstände. In der Funktion als Fotoelement liefert die Fotodiode unmittelbar elektrische Energie, vergleichbar mit einer Solarzelle. Zur Helligkeitsmessung liegt an der Fotodiode quasi ein Kurzschluss an, der im Zusammenspiel mit einem Verstärker ein Spannungssignal proportional zur Beleuchtungsstärke ausgibt. Ein Fototransistor enthält die Kombination von Fotodiode und Transistor, der Fotostrom wird damit verstärkt.

Infrarot-Empfänger

Sozusagen als Gegenspieler der Infrarot-Emitter registrieren Infrarot-Empfänger die ausgesendete Wärmestrahlung und leiten die Signale zur Weiterverarbeitung an einen Verstärker weiter. Der ist üblicherweise an ein Relais angeschlossen, das zum Beispiel die Stromversorgung ein- und ausschaltet oder Kommandos an eine Steuerelektronik übermittelt. Populärstes Beispiel ist die Bedienung eines Fernsehgeräts: Der in der Fernbedienung enthaltene Infrarot-Emitter sendet je nach Knopfdruck Signale unterschiedlicher Frequenz an den Infrarot-Empfänger im Gerät. Dieses wechselt daraufhin das Programm, ändert die Lautstärke oder schaltet sich ein oder aus.

Als Bauelement enthalten Infrarot-Empfänger meist einen integrierten Vorverstärker. In reinen Infrarot-Detektoren fehlt dieser.

Optokoppler

Optokoppler sind sowohl aktive als auch passive Bauelemente, denn sie enthalten eine LED und eine Fotodiode. Hauptaufgaben des Optokopplers in elektronischen Geräten sind die elektrische (galvanische) Trennung und die Entstörung des Signals. Dies geschieht dadurch, dass LED und Fotodiode keinerlei elektrische Verbindung besitzen, der Optokoppler aber trotzdem dafür sorgt, dass Signale übertragen werden können – nämlich mittels Lichtimpulsen, die auf der einen Seite gesendet (LED) und auf der anderen Seite empfangen (Fotodiode) werden.

Die galvanische Trennung von Stromkreisen ist in einer Vielzahl von Anwendungen nötig, von der Stromversorgung in Netzteilen und in der Motorsteuerung bis hin zur Datenkommunikation und Datenverarbeitung. Optokoppler eliminieren elektromagnetische Störungen, wodurch eine sichere Signaltrennung gewährleistet ist.

Unser Praxistipp

Wer mit Bauelementen der Optoelektronik – also vor allem mit LEDs – experimentiert, sollte vor allem auf eine adäquate Stromversorgung achten. Optimal ist der Betrieb mit einer Konstantstromquelle, dazu zählen in erster Linie LED-Vorschaltplatinen. Mit ihnen lassen sich LEDs über einen weiten Spannungsbereich ohne Kurzschluss- und Überspannungsgefahr betreiben, beispielsweise mit 4 bis 30 V Gleichstrom. Erhältlich sind Vorschaltplatinen auch zum direkten Anschluss an das Wechselstromnetz. Zum Dimmen von LEDs eignen sich sogenannte LED-Treiber beziehungsweise LED-Steuergeräte.

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