Fortschritte bei optischen Sensoren ermöglichen signifikante Veränderungen in Anwendungen der Chassis-Elektronik Fortschritte bei optischen Sensoren

Vor dreißig Jahren kam der erste Fotowiderstand auf Cadmium-Sulfid-Basis in einem Pkw zum Einsatz, um die Frontscheinwerfer automatisch ein- und auszuschalten, indem das Umgebungslicht gemessen wurde. Heutzutage hat sich die Basistechnologie, die zur Lichterkennung genutzt wird, zu Silizium-Fotodioden und Silizium-Fototransistoren verschoben. Das Ergebnis war ein deutliches Wachstum der elektronischen Anwendungen im Bereich der Chassis-Elektronik.

Fortschritte bei optischen Sensoren ermöglichen signifikante Veränderungen in Anwendungen der Chassis-Elektronik

Vor dreißig Jahren kam der erste Fotowiderstand auf Cadmium-Sulfid-Basis in einem Pkw zum Einsatz, um die Frontscheinwerfer automatisch ein- und auszuschalten, indem das Umgebungslicht gemessen wurde. Heutzutage hat sich die Basistechnologie, die zur Lichterkennung genutzt wird, zu Silizium-Fotodioden und Silizium-Fototransistoren verschoben. Das Ergebnis war ein deutliches Wachstum der elektronischen Anwendungen im Bereich der Chassis-Elektronik.

Regenerkennung
Bei der Regenerkennung wird der Regensensor (Bild 1 der Sensor von Valeo) als Teil der Rückspiegel-Befestigung innen an der Windschutzscheibe montiert. Der Sensor besteht aus einer im Infrarotbereich emittierenden LED und einer Fotodiode, welche den Anteil des emittierten Lichts detektiert, der durch das Glas reflektiert wird. Das Infrarotlicht wird durch die Sensor-Anordnung präzise in einem bestimmten Winkel emittiert und innerhalb des Glases der Windschutzscheibe zurück zur Fotodiode reflektiert. Wenn es zu regnen beginnt, fallen Tropfen auf das Glas. Diese Tropfen sorgen dafür, dass ein Teil des Lichts gebrochen wird, so dass weniger Licht zurück zur Fotodiode reflektiert wird. Je mehr Regen fällt, um so geringer ist der Anteil des zurück auf die Detektor-Oberfläche reflektierten Lichts.

In den meisten Fällen kommen in Automotive-Anwendungen Fotodioden zum Einsatz, weil der Fotostrom und die Wellenlängen-Empfindlichkeit im typischen Temperaturbereich der Chassis-Elektronik linear zueinander verlaufen. Im Vergleich zu Fotodioden weisen Fototransistoren eine höhere Temperaturabhängigkeit bei der Gleichstrom-Verstärkung und beim Dunkelstrom auf. Der Vorteil eines Fototransistors gegenüber einer Fotodiode besteht darin, dass ein Fototransistor bei gleichem Licht einen viel höheren Ausgangsstrom liefert, so dass eventuell gar keine (externe) Verstärkung mehr notwendig ist.

Schließlich fällt der Ausgangsstrom unter eine definierte Schwelle, so dass der Sensor den Zustand »Regen« ausgibt. Dieses Sensorsignal wird an den Eingang eines Mikrocontrollers geleitet, so dass der Sensor die Scheibenwischer einschaltet und die Geschwindigkeit der Wischerblätter regelt.

Umgebungslicht-Erkennung
In Anwendungen der Chassis-Elektronik kommen Umgebungslicht-Sensoren zum Einsatz, um die Intensität der Hintergrund-Beleuchtung von Anzeige-Panels zu regeln, aber auch um die LCD-Hintergrundbeleuchtungen von Navigationsgeräten (GPS), Klima-Regelung und DVD-Bildschirmen zu steuern. Das ist besonders wichtig für Anzeigen wie sie in BMWs iDrive oder im Multi-Info-Display des Prius zu finden sind. Wenn beispielsweise das Tageslicht langsam dem Zwielicht und der Dunkelheit weicht, dann wird die Hintergrund-Beleuchtung des Anzeige-Panels sich variabel auf optimale Sichtbarkeit einstellen und so eine potenzielle Blendung des Fahrers verhindern. Die Nutzung dieser Sensoren kann dafür sorgen, dass die nervige Auto-Dimm-Funktion der Displays verschwindet, die stets beim Einschalten der Frontscheinwerfer während des Tages den Fahrer verärgert.
Die Schlüsseleigenschaft eines Umgebungslicht-Sensors besteht darin, die Empfindlichkeit des menschlichen Auges nachzubilden, das auf sichtbare Wellenlängen zwischen 380 nm und 780 nm anspricht.

Klima-Regelung
Auch bei der Klima-Regelung spielen Fotodioden eine Rolle, wenn es darum geht, den Einfallswinkel des Sonnenlichts zu erfassen und dann in Kombination mit einem Thermistor die Lüftergeschwindigkeit sowie die Temperatur einzustellen. Die Erkennung des Einfallwinkels der Sonne auf die Fotodiode ist eine Funktion der Beleuchtungsstärke (Helligkeit), wobei die Helligkeit ihren Spitzenwert erreicht, wenn die Sonne am höchsten steht. Eine Fotodiode mit integriertem NTC-Thermistor ist für diese Art der Anwendung am besten geeignet.

Tunnel-Erkennung
Für die Erkennung von Tunneln sind zwei Sensoren am Eingang erforderlich. Der erste Sensor weist einen breiten Detektionswinkel auf und ist so orientiert, dass er nach oben gerichtet ist, wobei er über eine relativ lange Zeitspanne hinweg den gleitenden Mittelwert bildet. Die lange Zeitkonstante verhindert, dass die Lichter zyklisch an und aus gehen. Der zweite Sensor, der Tunnel-Sensor, weist ein schmales Detektionsfeld auf und ist nach vorn in Fahrtrichtung ausgerichtet. Die Zeitkonstante für den gleitenden Mittelwert des Tunnel-Sensors ist relativ kurz, so dass der Tunnel-Sensor zügig auf plötzliche Veränderungen des Lichts reagieren und die Scheinwerfer einschalten kann. Bei Bedarf kann er aber auch die Hintergrund-Beleuchtungen beim Einfahren in einen Tunnel herunterdimmen. Der vorausschauende Sensor sorgt dafür, dass sich die Lichter nicht beim Unterfahren einer Brücke oder unter ausladenden Bäumen einschalten. In diesen Fällen »sieht« der Sensor immer noch Licht von vorne.

Bei der Einfahrt in einen Tunnel fällt das Signal des Tunnel-Sensors ab, während der breitwinklige Sensor auf High bleibt. Bei dieser Konstellation schalten sich die Scheinwerfer ein. Bei der Ausfahrt aus dem Tunnel geht der Tunnel-Sensor wieder auf High, während der Sensor mit dem großen Detektionswinkel auf Low bleibt, so dass die Scheinwerfer ausgeschaltet werden. Auf Grund der unterschiedlichen Zeitkonstanten bei der Bildung des gleitenden Mittelwerts kann der Controller eine exakte Unterscheidung vornehmen.

Schlussfolgerung
Die Verwendung optischer Sensoren – primär Fotodioden und Fototransistoren – in Anwendungen der Chassis-Elektronik erhöht die Sicherheit und den Komfort, wie es von den Endkunden erwartet wird. Diese Features findet man heutzutage nur in Autos der Oberklasse, doch ist zu erwarten, dass sie schon bald in Fahrzeugen jeder Preiskategorie Einzug halten. Weitere Informationen finden Sie unter www.vishay.com/optoelectronics.

Autor

Jim Toal ist Senior Manager of Product Marketing für die Sensor and IrDA Division von Vishay Optoelectronics. Vishay ist ein großer Zulieferer von Fotodetektoren für Hersteller im Automobil-Bereich und bietet passive und aktive Bauelemente in großer Auswahl an.