1. Der Infrarot-Lichtsensor des Maqueen

Der Maqueen-Roboter von DFRobot verfügt über zwei sogenannte Patrol-Sensoren, die sich an der Unterseite des Roboters befinden. Diese Sensoren basieren auf Infrarot-Technologie und bestehen aus zwei Komponenten:

1. Infrarot-LED (Sender): Sendet unsichtbares Infrarotlicht nach unten auf die Oberfläche
2. Fototransistor (Empfänger): Empfängt das von der Oberfläche reflektierte Licht

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip ist einfach aber effektiv:

• Helle Oberfläche (weiss): Das Infrarotlicht wird stark reflektiert. Der Fototransistor empfängt viel Licht und gibt ein HIGH-Signal (1) aus.
• Dunkle Oberfläche (schwarz): Das Infrarotlicht wird absorbiert und kaum reflektiert. Der Fototransistor empfängt wenig Licht und gibt ein LOW-Signal (0) aus.

        IR-LED    Fototransistor
           |           |
           v           ^
           *~~~~~~~~~~~*
                |   ^
    ========================  <- Oberfläche

2. Signalverarbeitung durch den micro:bit

Der Maqueen-Roboter ist so konstruiert, dass die Patrol-Sensoren direkt mit den GPIO-Pins des micro:bit verbunden sind:

• Linker Sensor: Pin 13
• Rechter Sensor: Pin 14

Die Sensoren liefern bereits ein digitales Signal – das bedeutet, die Elektronik im Sensor wandelt die analoge Lichtintensität bereits in ein einfaches 0 oder 1 um. Der micro:bit muss also nur diesen digitalen Wert einlesen.

Die Funktion read_patrol() in der Bibliothek maqueen.py

In unserer Bibliothek maqueen.py haben wir eine Funktion, die das Einlesen der Sensoren vereinfacht:

def read_patrol(which):
    """
    Reads patrol sensor, returns 0 or 1.
 
    Args:
            which (int): 0 = left, 1 = right
    """
    if which == 0:  # left
        return microbit.pin13.read_digital()
    elif which == 1:  # right
        return microbit.pin14.read_digital()

Erklärung:

• Der Parameter which bestimmt, welcher Sensor ausgelesen wird (0 = links, 1 = rechts)
• microbit.pin13.read_digital() liest den digitalen Wert vom entsprechenden Pin
• Die Funktion gibt 0 zurück, wenn der Sensor eine dunkle Fläche sieht, und 1 bei einer hellen Fläche

3. Physik des Fototransistors

Ein Fototransistor ist im Wesentlichen ein Transistor, dessen Basis dem Licht ausgesetzt ist. Um seine Funktionsweise zu verstehen, müssen wir uns mit Halbleitern beschäftigen.

Halbleiter und der pn-Übergang

Halbleiter wie Silizium haben eine besondere Eigenschaft: Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern (z.B. Kupfer) und Isolatoren (z.B. Glas). Durch gezielte Verunreinigung (Dotierung) kann man zwei Typen erzeugen:

• n-Typ: Überschuss an freien Elektronen (negative Ladungsträger)
• p-Typ: Überschuss an “Löchern” (fehlende Elektronen, wirken wie positive Ladungsträger)

Bringt man p- und n-dotierte Schichten zusammen, entsteht ein Übergang. An dieser Grenzschicht bildet sich eine Sperrzone, in der kaum freie Ladungsträger vorhanden sind.

Der photoelektrische Effekt

Wenn Licht (Photonen) auf den Halbleiter trifft, kann es Elektronen aus ihren Bindungen lösen – vorausgesetzt, die Photonenenergie ist gross genug.

Ein einfacher pn-Übergang (Photodiode) erzeugt nur einen sehr kleinen Strom. Der Fototransistor löst dieses Problem durch eingebaute Verstärkung:

1. Licht trifft auf die Basis: Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare
2. Basisstrom entsteht: Die erzeugten Ladungsträger bilden einen kleinen Photostrom
3. Transistor verstärkt: Dieser kleine Basisstrom steuert einen viel grösseren Kollektorstrom

Der Verstärkungsfaktor liegt typischerweise bei 100-1000. Das bedeutet: Ein kleines Lichtsignal erzeugt ein gut messbares elektrisches Signal.

4. Grenzen und Herausforderungen

Der einfache digitale Sensor hat einige Einschränkungen:

• Keine Abstufungen: Der Sensor liefert nur 0 oder 1, keine Graustufen. Ein analoger Sensor könnte feinere Unterschiede erkennen.
• Umgebungslicht: Starkes Sonnenlicht oder Scheinwerfer können die Messung beeinflussen.
• Oberflächenbeschaffenheit: Glänzende Oberflächen können Licht anders reflektieren als matte.
• Abstand zur Oberfläche: Der Sensor funktioniert nur in einem bestimmten Abstandsbereich optimal.