Sensor (eBook)

Verbesserung der Roboterwahrnehmung und Interaktion mit der Umgebung

Fouad Sabry (Autor)

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2024 | 1. Auflage
262 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-069250-4 (ISBN)

Infos

Im sich rasch entwickelnden Bereich der Robotik spielen Sensoren eine entscheidende Rolle, damit Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen und mit ihr interagieren können. Das Buch 'Sensor', Teil der 'Robotics Science'-Reihe von Fouad Sabry, befasst sich mit den verschiedenen Sensortypen, die für die moderne Robotik unverzichtbar sind. Dieser umfassende Leitfaden richtet sich an Fachleute, Studenten und Enthusiasten, die ihr Verständnis von Sensoren und deren Anwendung in der Robotik vertiefen möchten.

Kurzübersicht der Kapitel:

1: Sensor: Eine Einführung in die Rolle von Sensoren in der Robotik, ihre Typen und wesentlichen Funktionen.

2: Transistor: Erforscht, wie Transistoren als wesentliche Komponenten in der Sensortechnologie und Robotik dienen.

3: MOSFET: Beschreibt die Bedeutung von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren in Sensoranwendungen.

4: Photodiode: Untersucht die Verwendung von Photodioden in Lichterkennungs- und Robotik-Bildverarbeitungssystemen.

5: Biosensor: Untersucht Biosensoren und deren Verwendung in der Robotik, insbesondere in den Bereichen Medizin und Biotechnik.

6: Nanosensor: Konzentriert sich auf die Anwendung von Nanosensoren in miniaturisierten Robotersystemen.

7: Oberflächenplasmonenresonanz: Erklärt das Konzept der Oberflächenplasmonenresonanz und ihre Rolle in der Sensortechnologie.

8: ISFET: Stellt ionenempfindliche Feldeffekttransistoren und ihre Anwendung in der Robotik vor.

9: Chemischer Feldeffekttransistor: Beschreibt die Funktion chemischer FETs bei der Erkennung chemischer Veränderungen in der Robotik.

10: Bildsensor: Hebt die Bedeutung von Bildsensoren in Robotersicht- und Bildgebungssystemen hervor.

11: Aktivpixelsensor: Erforscht die Rolle des Aktivpixelsensors in der Bildgebungstechnologie für die Robotik.

12: Floatinggate-MOSFET: Bespricht den Floatinggate-MOSFET und seine Auswirkungen auf Sensorspeicher und -technologie.

13: Faseroptischer Sensor: Untersucht faseroptische Sensoren und ihre einzigartigen Fähigkeiten in der Robotik und Automatisierung.

14: Massimo Grattarola: Ein Schwerpunkt auf Massimo Grattarolas Beiträgen zur Sensortechnologie und Robotik.

15: Biotransducer: Erforscht die Schnittstelle zwischen biologischen Sensoren und Transducern in der fortgeschrittenen Robotik.

16: Feldeffekttransistor: Detaillierte Erklärung von Feldeffekttransistoren und ihrer kritischen Verwendung in Robotersensoren.

17: BioFET: Erörtert BioFETs und ihre zunehmende Bedeutung in Biotechnologie- und Roboteranwendungen.

18: CD/DVD-basierter Immunassay: Untersucht die Verwendung von CD/DVD-basierter Technologie in Immunassays in der Robotik.

19: Piet Bergveld: Ein detaillierter Blick auf Piet Bergvelds Arbeit und ihren tiefgreifenden Einfluss auf die Sensortechnologie.

20: Chemisches Sensorarray: Beschreibt die Funktionalität und Anwendungen chemischer Sensorarrays in der Robotik.

21: Halbleiterbauelement: Behandelt Halbleiterbauelemente und ihre zentrale Rolle in der Sensortechnologie und Robotik.

Dieses Buch ist eine unverzichtbare Ressource für alle, die sich mit Robotik oder Sensortechnologie beschäftigen. Mit klaren Erklärungen, detaillierten Kapiteleinblicken und einer umfassenden Untersuchung der vielen Sensoren, die für die Robotik von wesentlicher Bedeutung sind, wird 'Sensor' den Lesern helfen, das Wissen zu erlangen, das sie für den Erfolg in akademischen und beruflichen Aufgaben benötigen.

Textauszug

Kapitel 2 : Transistor

Ein Transistor ist ein Gerät aus Halbleitermaterial, das zur Verstärkung elektrischer Impulse oder zum Schalten von Strom verwendet werden kann. Eine der grundlegenden Komponenten, die in die Konstruktion moderner Elektronik einfließen, wird als Transistor bezeichnet. Er besteht aus halbleitendem Material und hat in den meisten Fällen mindestens drei Anschlüsse, so dass er an einen Stromkreis angeschlossen werden kann. Der Strom, der durch ein Paar der Klemmen des Transistors fließt, kann durch die Spannung oder den Strom gesteuert werden, die an das andere Klemmenpaar angelegt werden. Ein Signal kann durch einen Transistor verstärkt werden, da die geregelte Leistung (Ausgang) des Transistors größer sein kann als die Steuerleistung (Eingang) des Transistors. Obwohl einige Transistoren in ihren eigenen separaten Gehäusen geliefert werden, ist die überwiegende Mehrheit von ihnen in integrierten Schaltkreisen enthalten.

Julius Edgar Lilienfeld, ein österreichisch-ungarischer Wissenschaftler, schlug die Idee eines Feldeffekttransistors erstmals im Jahr 1926 vor. Zu diesem Zeitpunkt war es jedoch nicht möglich, tatsächlich ein funktionsfähiges Gerät zu entwickeln. Die Erfindung der Transistoren war ein Wendepunkt im Bereich der Elektronik; Sie ermöglichten es unter anderem, kleinere und erschwinglichere Radios, Taschenrechner und Computer herzustellen.

Die überwiegende Mehrheit der Transistoren besteht aus sehr reinem Silizium, während einige aus Germanium hergestellt werden. Gelegentlich kommen aber auch bestimmte andere Halbleitermaterialien zum Einsatz. Im Falle eines Feldeffekttransistors kann ein Transistor nur eine Art von Ladungsträger enthalten; Im Falle von Bipolartransistorbauelementen kann ein Transistor jedoch zwei Arten von Ladungsträgern aufweisen. Generell sind Transistoren kompakter als ihr Vorgänger, die Vakuumröhre, und ihr Betrieb benötigt deutlich weniger Strom. Bei extrem hohen Betriebsfrequenzen oder hohen Arbeitsspannungen bieten einige Vakuumröhren Vorteile gegenüber Transistoren. Diese Bedingungen sind ideal für Vakuumröhren. Mehrere Hersteller produzieren viele verschiedene Varianten von Transistoren gemäß einer Reihe von spezifischen Anforderungen.

Die verstärkte Funktechnik und das Ferntelefon wurden durch eine Vakuumröhre namens thermionische Triode ermöglicht, die 1907 geschaffen wurde. Die Triode hingegen war ein empfindliches Gerät, das eine erhebliche Menge an Strom benötigte. Der Wissenschaftler William Eccles machte im Jahr 1909 die Entdeckung des Quarzdiodenoszillators.

John Bardeen und Walter Brattain von den Bell Laboratories von AT&T in Murray Hill, New Jersey, führten Experimente durch, die am 17. November 1947 begannen und bis zum 23. Dezember 1947 andauerten. Sie beobachteten, dass, wenn zwei Goldpunktkontakte an einen Germaniumkristall angelegt wurden, ein Signal erzeugt wurde, dessen Ausgangsleistung größer war als die Eingangsleistung. Diese Experimente fanden in diesem Zeitraum statt.

Im Jahr 1948 wurde der Punktkontakttransistor unabhängig voneinander von den deutschen Physikern Herbert Mataré und Heinrich Welker erfunden, als sie bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse arbeiteten, einer Westinghouse-Tochtergesellschaft mit Sitz in der Stadt Paris.

Mataré hatte bereits Erfahrung in der Entwicklung von Quarzgleichrichtern aus Silizium und Germanium im Rahmen der deutschen Radarbemühungen während des Zweiten Weltkriegs.

Unter Ausnutzung dieser Informationen begann er 1947 mit der Erforschung des Phänomens, das als "Interferenz" bekannt ist.

Im Juni 1948 erzielte Mataré bei der Beobachtung von Strömungen, die sich über einzelne Kontaktpunkte bewegten, konsistente Ergebnisse mit Hilfe von Germaniumproben, die von Welker hergestellt worden waren, vergleichbar mit den Leistungen, die Bardeen und Brattain zuvor im Dezember 1947 erzielt hatten.

Nachdem das Unternehmen zu dem Schluss gekommen war, dass die Wissenschaftler der Bell Labs den Transistor bereits vor ihnen entwickelt hatten, hatte es das Unternehmen eilig, seinen "Übergang" in die Produktion zu bekommen, damit er für verstärkte Zwecke im französischen Telefonnetz verwendet werden konnte, und am 13. August reichte der Erfinder des Transistors seine erste Patentanmeldung ein. 1948.

Der Oberflächenbarriere-Germanium-Transistor war der erste Hochfrequenztransistor und wurde 1953 von Philco erfunden. Dieser Transistor war in der Lage, bei Frequenzen von bis zu 60 MHz zu arbeiten. Die mechanische Codierung auf gelochten Metallkarten wurde von einem Western Electric No. 3A Fototransistor gelesen.

Der erste "Prototyp" eines Taschentransistorradios wurde von der 1952 von Herbert Mataré gegründeten Firma INTERMETALL auf der Internationalen Funkausstellung Düsseldorf zwischen dem 29. August 1953 und dem 6. September 1953 vorgestellt.

Julius Edgar Lilienfeld, ein österreichischer Physiker, war der erste, der das grundlegende Konzept hinter dem vorschlug, was heute als Feldeffekttransistor (FET) bekannt ist. Er tat dies 1926, als er ein Patent für ein Gerät anmeldete, das dem MESFET ähnlich war, und erneut 1928, als er ein Patent für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate anmeldete. Später entwickelten sowohl der deutsche Ingenieur Oskar Heil in den 1930er Jahren als auch der amerikanische Physiker William Shockley in den 1940er Jahren unabhängig voneinander die Idee eines FET.

Heinrich Welker erhielt 1945 das Patent für den JFET.

In den Anfangsjahren der Halbleiterindustrie richtete sich ein Großteil der Aufmerksamkeit, die Halbleiterfirmen auf Sperrschichttransistoren richteten. Da es sich bei dem Sperrschichttransistor um ein sehr umständliches Gerät handelte, das nur schwer in Serie hergestellt werden konnte, war seine Verwendung auf einige wenige spezialisierte Anwendungen beschränkt. Zu diesen Anwendungen gehörten: Feldeffekttransistoren, auch bekannt als FETs, wurden als potenzielle Alternativen zu Sperrschichttransistoren angesehen; Die Forscher waren jedoch zunächst nicht in der Lage, FETs richtig zum Laufen zu bringen. Dies war vor allem auf die problematische Oberflächenzustandsbarriere zurückzuführen, die das äußere elektrische Feld daran hinderte, in das Material einzudringen. Feldeffekttransistoren (FETs) wurden als potenzielle Alternativen zu Sperrschichttransistoren angesehen.

In fast allen modernen elektronischen Geräten werden die aktiven Komponenten, die am wichtigsten sind, als Transistoren bezeichnet. Infolgedessen glauben viele Menschen, dass der Transistor eine der bedeutendsten Entwicklungen des 20. Jahrhunderts ist.

Aufgrund seiner günstigen Kosten, Vielseitigkeit und Stabilität hat sich der Transistor zu einer extrem weit verbreiteten Technologie entwickelt. Elektromechanische Bauelemente wurden ausgemustert und durch transistorisierte mechatronische Schaltkreise als Standard für die Steuerung von Geräten und Maschinen ersetzt. Anstatt ein identisches mechanisches System für die gleiche Funktion zu entwickeln, ist es oft einfacher und kostengünstiger, einen herkömmlichen Mikrocontroller zu verwenden und ein Computerprogramm zu erstellen, um eine Steuerungsfunktion auszuführen.

Ein kleines Signal, das zwischen einem Paar der Anschlüsse eines Transistors angelegt wird, kann verwendet werden, um ein viel größeres Signal zu steuern, das zwischen einem anderen Paar der Anschlüsse des Transistors platziert wird. Diese Eigenschaft wird als Verstärkung bezeichnet. Es ist möglich, dass er ein größeres Ausgangssignal, eine Spannung oder einen Strom erzeugt, der proportional zu einem schwächeren Eingangssignal ist, und als Ergebnis ist er in der Lage, die Funktion eines Verstärkers zu erfüllen. Alternativ kann der Transistor als elektrisch gesteuerter Schalter verwendet werden, um den Strom in einer Schaltung ein- oder auszuschalten, wobei die Strommenge von anderen Komponenten in der Schaltung diktiert wird.

Sowohl bei Hochleistungsanwendungen wie Schaltnetzteilen als auch bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wie Logikgattern werden in der Regel Transistoren als elektronische Schalter verwendet. Diese Schalter können sich je nach Anwendung entweder im "Ein"- oder im "Aus"-Zustand befinden. Transistoren werden häufig in digitalen Schaltungen verwendet. Die Menge des geschalteten Stroms, die Menge der Spannung, die verwaltet werden kann, und die Schaltgeschwindigkeit, die durch die Anstiegs- und Abfallperioden gemessen werden kann, sind wichtige Eigenschaften für diese Anwendung.

Der Verstärker mit gemeinsamen Emittern ist so konstruiert, dass eine kleine Änderung der Spannung (Vin) den kleinen Strom durch die Basis des Transistors ändert, dessen Stromverstärkung in Kombination mit den Eigenschaften der Schaltung bedeutet, dass kleine Schwankungen in Vin große Änderungen in Vout erzeugen.

Es gibt eine Vielzahl denkbarer Topologien für Einzeltransistorverstärker, von denen einige eine Stromverstärkung, einige eine Spannungsverstärkung und andere beides bieten.

Eine Vielzahl von Artikeln, die von Mobiltelefonen bis hin zu Fernsehern reichen, verfügen über Verstärker, die für die Wiedergabe von Ton, die Übertragung von Funksignalen und die Verarbeitung von Signalen verwendet werden. Die ursprünglichen Audioverstärker mit diskreten Transistoren lieferten nur ein paar hundert Milliwatt Leistung, aber die Leistung und die Audioqualität stiegen rapide an, als bessere Transistoren verfügbar wurden und das Verstärkerdesign allmählich verbessert wurde.

Audioverstärker mit Transistortechnologie, die bis zu einigen hundert Watt erzeugen können, sind weit verbreitet und nicht zu teuer.

Vakuumröhren, manchmal auch Elektronenröhren genannt,...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 29.12.2024
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-069250-6 / 0000692506
• ISBN-13: 978-0-00-069250-4 / 9780000692504