Ratgeber Optoelektronik

Die wichtigsten Informationen zum Thema Optoelektronik

  • Definition der Optoelektronik
  • Aktive Bauteile der Optoelektronik
  • Passive Bauteile der Optoelektronik
  • Optokoppler als Sonderfall der Optoelektronik
  • Praxistipp: Bei Optoelektronik immer die Stromversorgung beachten

Definition der Optoelektronik

Unter Optoelektronik fassen wir sämtliche Geräte und Methoden zusammen, mit deren Hilfe Daten- oder Energieströme zu Licht transformiert werden und umgekehrt. Beispielhaft zu nennen wären da PC-Bildschirme, Fernseher oder LED-Leuchten, aber ebenso DVDs, Laser-Entfernungsmesser oder Bewegungsmelder.
Anhand ihrer Funktionsweise unterteilen wir die verschiedenen Bauteile der Optoelektronik zunächst in aktive und passive Komponenten und anschließend danach, ob sie mit sichtbaren oder unsichtbaren Licht (Ultraviolett- oder Infrarot-Strahlen) arbeiten.


Aktive Bauteile der Optoelektronik

Aktiv heißen solche Elemente, wenn sie im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich elektromagnetische Strahlung emittieren. Da sie fast komplett auf Leuchtdiodenbasis funktionieren (LED bedeutet „light-emitting diode“), sind sie ziemlich einfach zu verbauen, sparen Strom und halten lange.

Displays und Anzeigen
7-Segment- und alphanumerische Anzeigen sind die bekanntesten Display-Sorten. Sie stellen Zahlen und Buchstaben sowie Symbole mit einer Punkt-Matrix dar. Dazu werden separat ansteuerbare LEDs in einem rechteckigen Gehäuse verbaut, das sich direkt auf die Platine des Mikrocontrollerslöten lässt. Die meistgenutzten LED-Farben sind Rot, Gelb und Grün, deren Hauptfunktion die unterschiedlichen Zustandsanzeigen des jeweiligen Geräts sind, beispielsweise Frequenz- und Zeitangabe beim Radiowecker oder Leistungseinstellung beim Mikrowellenherd.

LEDs für sichtbares Licht
Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen werden zunehmend von den platz- und stromsparenden, teils überaus hellen und sehr langlebigen Lämpchen verdrängt, die auch ein Paradebeispiel der Optoelektronik bilden. Leuchtdioden bestehen nämlich aus einem Strom direkt in Licht umwandelnden Halbleiter. Die Bandbreite von LEDs samt Zubehör spannt sich von LED-Lampen über Flächen-LEDs und LED-Signalleuchten bis hin zu LED-Streifen und HighPower-LEDs, wie sie in ultra-hellen Taschenlampen oder als Alternative zum Halogen-Außenstrahler eingesetzt werden.

Infrarot-Emitter
Sowohl optisch als auch technologisch ähneln Infrarot-Bauteile den LEDs für sichtbares Licht. Allerdings wird in Infrarot-Emittern Wärmestrahlung (eben Infrarot, IR) hauptsächlich für solche Beleuchtungen im Innen- oder Außenbereich erzeugt, die für Menschen nicht wahrnehmbar ist. Mit IR-Strahlern ausgestattete Nachtsichtgeräte und Überwachungskameras können über eigene Aufnahmechips zudem infrarotes Licht auch empfangen, das umgewandelte Bild auf dem Display darstellen und sogar abspeichern.

Ultraviolett-Emitter
Ultraviolettes Licht (UV) wird im Optoelektronik-Kontext genutzt, um Fotolacke auszuhärten, Geldscheine zu kontrollieren oder potentielle Keimträger zu sterilisieren. Auch UV-Strahlung ist mit menschlichem Auge nicht wahrnehmbar und daher eine Gefahrenquelle. Blicken Sie bei der Arbeit mit eingeschaltetem UV-Emitter niemals direkt hinein, sonst drohen Beschädigungen Ihrer Netzhaut!
UV-Emitter gibt es sowohl in normaler LED-Ausführung als auch indirekt auf die Platine auflötbarer Form (als SMD, „surface-mounted device“). Leistungsstärkere Versionen erfordern ein durchdachtes Wärmemanagement, weil sie große Betriebshitze entwickeln und halbleiter-typisch bei erhöhten Temperaturen schadensanfällig werden.

Laserdioden
Das Prinzip von Laserdioden ähnelt jenem von LEDs für sichtbare wie infrarote Strahlung, allerdings wird in ihnen das besondere Laserlicht erzeugt: elektromagnetische Wellen mit hoher Intensität bei engem Frequenzbereich, die ein kohärentes und zugleich einfarbiges Licht erzeugen. Laserlicht lässt sich überaus eng bündeln und fächert auch über große Distanzen kaum auf, was Laserdioden zur zentralen Komponente beispielsweise in Laserpointern, Entfernungsmessern, Lichtschranken, CDs, DVDs und Blu-Ray-Discs macht. In CDs und DVDs werden die Speicher mit roten oder infraroten Lasern abgetastet, in Blu-Ray-Discs hingegen mit UV-Lasern. Bei der Datenübertragung in Glasfasernetzen wird diese Art der Lasertechnik als Sender angewendet.
Die üblichen Laserdioden arbeiten mit sichtbarem rotem Licht, es befinden sich jedoch in den jeweiligen Modulen gleichfalls welche mit grünem oder blauem Licht, die häufig der Klasse 3B angehören, die besondere Vorsicht im Umgang gebietet. Laserstrahlen bedeuten eine erhebliche Gefahr für Mensch und Umwelt, der Betrieb eines 3B-Lasers ist daher in Deutschland meldepflichtig und nur Fachkräften gestattet.


Passive Bauteile der Optoelektronik

Passive Bauteile der Optoelektronik senden anders als LEDs keine Strahlung aus, können jedoch sowohl sichtbares als auch unsichtbares Licht verwerten.

Fotodioden und Fototransistoren
Zur Umwandlung von sichtbarem Licht oder unsichtbarer IR-Strahlung in elektrische Energie oder als beleuchtungsabhängige Widerstände kommen Fotodioden und Fototransistoren zum Einsatz. Fotodioden liefern in ihrer Funktion als Fotoelement ähnlich einer Solarzelle direkt elektrische Energie. Die Helligkeit messen Fotodioden dabei über eine Art anliegenden Kurzschluss, der kombiniert mit einem Verstärker ein der Beleuchtungsstärke entsprechendes Spannungssignal sendet. Fototransistoren beinhalten eine Kombination von Fotodiode und Transistor zur Verstärkung des Fotostroms.

Infrarot-Empfänger
Den Gegensatz zum Infrarot-Emitter bildet der Infrarot-Empfänger, der ausgesendete Wärmestrahlung registriert und die Signale zur weiteren Verarbeitung an einen Verstärker übermittelt. Normalerweise sind IR-Empfänger mit einem Relais verbunden, das beispielsweise eine Stromversorgung an- und ausschaltet oder Befehle an eine Steuerelektronik überträgt. Das Paradebeispiel hierfür stellt die Fernbedienung eines Fernsehgeräts dar, deren darin enthaltener IR-Emitter je nach gedrückter Taste Signale mit unterschiedlicher Frequenz an den IR-Empfänger im TV-Gerät schickt, wodurch dort Programm oder Lautstärke geändert werden oder einfach an- oder ausgeschaltet wird. Infrarot-Empfänger verfügen meist über einen integrierten Vorverstärker als zusätzliche Komponente, die in reinen Infrarot-Detektoren nicht vorhanden ist.


Optokoppler als Sonderfall der Optoelektronik

Optokoppler haben eine Sonderstellung in der Optoelektronik, da sie sowohl aktive als auch passive Bauteile darstellen. Sie beinhalten eine LED als aktive und eine Fotodiode als passive Komponente. Die zentrale Funktion von Optokopplern in elektronischen Geräten besteht in der elektrischen bzw. galvanischen Trennung und damit Entstörung des übertragenen Signals, was dadurch gewährleistet ist, dass zum einen LED und Fotodiode elektrisch nicht verbunden sind, zum anderen sorgen Optokoppler aber dafür, dass Signale über Lichtimpulse dennoch übertragen werden können. So werden die auf der einen Seite gesendeten LED-Signale störungsfrei auf der anderen Seite durch die Fotodiode empfangen.
Von der Stromversorgung in Netzteilen über jene in der Motorsteuerung bis hin zur Datenkommunikation und -verarbeitung bildet diese galvanische Trennung von Stromkreisen unverzichtbare Voraussetzung einer Unmenge von Anwendungen. Durch Optokoppler werden dabei elektromagnetische Störungen ausgeschaltet und somit sichere Signaltrennungen garantiert.


Praxistipp: Bei Optoelektronik immer die Stromversorgung beachten

Beim Experimentieren mit Bauteilen der Optoelektronik, üblicherweise meistens LEDs, sollten Sie auf die richtige Stromversorgung achten. LEDs werden optimal über eine konstante Stromquelle betrieben, wofür primär LED-Vorschaltplatinen zur Anwendung kommen. Damit können Sie Ihre LEDs über ein breites Spannungsspektrum und vor allem ohne Kurzschluss- und Überspannungsrisiko nutzen, zum Beispiel bei 4 bis 30 V Gleichstrom. Sie erhalten Vorschaltplatinen auch zum unmittelbaren Anschluss ans Wechselstromnetz. Für das Dimmen von LEDs verwenden Sie sogenannte LED-Treiber bzw. LED-Steuergeräte.
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