EP2181313A2 - Sonnensensor zur erfassung der einfallsrichtung und der intensität von sonnenstrahlung - Google Patents

Sonnensensor zur erfassung der einfallsrichtung und der intensität von sonnenstrahlung

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EP2181313A2
EP2181313A2 EP08803319A EP08803319A EP2181313A2 EP 2181313 A2 EP2181313 A2 EP 2181313A2 EP 08803319 A EP08803319 A EP 08803319A EP 08803319 A EP08803319 A EP 08803319A EP 2181313 A2 EP2181313 A2 EP 2181313A2
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EP
European Patent Office
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photosensors
solar radiation
housing
sensor
sun
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Withdrawn
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EP08803319A
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English (en)
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Otto Knittel
Bernd Stich
Ralph Trapp
Dirk Nagel
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Behr Hella Thermocontrol GmbH
Original Assignee
Behr Hella Thermocontrol GmbH
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Publication date
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Definitions

  • Sun sensor for detecting the direction of incidence and the intensity of solar radiation
  • the invention relates to a Son ⁇ ensensor for detecting the direction of incidence and the intensity of solar radiation.
  • a possible application for a sun sensor is a car air conditioner, in which the heating of the vehicle interior should be detected as a result of the sun for compensation purposes,
  • the object of the invention is to provide a sun sensor for detecting the direction of incidence and the intensity of solar radiation, via a simplified Ko ⁇ strutechnischshus and economically producible and cost-mountable sensor elements has.
  • the invention proposes a sun sensor for detecting the direction of incidence and the intensity of solar radiation, wherein the sun sensor is provided with a housing made of a plastic material permeable to at least part of the solar radiation, wherein the housing has a domed solar radiation incidence side and the housing optically acts as a lens and has an internal focal plane defined by its lens characteristic, and at least two photosensors embedded in the plastic material of the housing, the photosensors each having at least a portion of the solar radiation for which the plastic material is permeable , sensitive sensor surfaces and the sensor surfaces of the photosensors are arranged in substantially a common plane which, viewed from the sun radiation Einfalisseite before or behind the focal plane (and substantially parallel the incident direction of the solar radiation can be determined on the basis of the intensities of the solar radiation received by the sensor surfaces of the photosensors.
  • At least two photosensors are embedded in a plastic mass of a housing.
  • This case may be, for example, a case similar to that known from leaded photodiodes (THT technology).
  • TCT technology leaded photodiodes
  • the used plastic material is permeable to at least a portion of the sun's radiation (eg, IR content).
  • the housing has a sun radiation exposable, curved, ie spherical solar radiation incident side.
  • the housing acts optically as a lens whose characteristic defines a focal plane, which is disposed within the housing and within which the focal point of the incident solar radiation is located or - moves depending on the direction Einsein.
  • This focal plane is substantially perpendicular to the optical axis of the sun sensor.
  • Each photosensor of the sun sensor according to the invention has a sensor surface which is sensitive to that part of the solar radiation for which the plastic material of the housing is permeable.
  • the sensor surfaces of the at least two photosensors essentially lie in a common plane, which in turn is arranged outside the focal plane, that is to say when the solar radiation incidence side of the housing is viewed in front of or behind the focal plane.
  • the arrangement of the sensor surfaces of the photosensors is such that the optical axis is centered thereto.
  • each photosensor receives differently large solar radiation intensities depending on the direction of the infeed of the solar radiation. From the combination of the individual signals of the photosensors, it is then possible to deduce the direction of incidence of the solar radiation. Furthermore, information about the intensity of the solar radiation results.
  • An essential feature of the solar sensor according to the invention is that all the photosensors are arranged substantially planar in a common (standard) housing, wherein they are specifically embedded in plastic material, as is known from commercially available light-emitting diodes and photodiodes ago.
  • the arrangement of the photosensors outside the focal plane has the advantage that at different angles of incidence of the radiation to the optical axis of the sun sensor (Lot to the housing surface) as large a proportion of the radiation impinges on the sensor surfaces of the photosensors, the solar radiation but a - depending on the angle of incidence - Different irradiation of the individual photosensors result.
  • at least two photosensors are required. However, it is expedient to provide three or more photosensors.
  • photosensors In the case of three photosensors, these are arranged in such a way that their sensor surfaces are rotated by 120 ° relative to one another and staggered. In four photosensors their sensor surfaces are arranged in the manner of a matrix in a rectangular shape. If more than four photosensors are present, they are arranged such that their sensor surfaces define an overall area with an outer contour of a (possibly equilateral) polygon.
  • Vorteiihaft represent the (semiconductor) photosensors are arranged and / or formed on a common substrate, wherein the photosensors are designed as photodiodes or IR sensors.
  • a common (Halbieiter-) substrate d, h., By the joint production of the photosensors), a calibration or calibration of the photosensors is not required.
  • electrical connection elements project out of the housing and are electrically connected to the photosensors, wherein the connection elements are designed as connection elements of a plug.
  • the sun sensor according to the invention neither additional optical fibers, nor diffuser elements, nor Lexan caps are required. Also, it is not necessary to perform a Einmessvorgang the photosensors to each other.
  • Another advantage of the solar sensor according to the invention is that all functional elements are integrated into a photo-optical component and thus the entire desired optical properties of the (2D / 3D) solar sensor only by the component itself - without additional additional structural components - are generated.
  • the features or advantages of the solar sensor according to the invention can be listed as follows: At least two photosensitive sensors (photosensors) arranged in a common housing are arranged in a planar manner and used to detect the solar radiation, resulting in a single integral component. -
  • the optically transparent housing can contain filter and diffuser materials that allow selective detection of the solar radiation with regard to the wavelength (filter) and also a homogenization of the incident radiation (diffuser). With three photosensors, these are positioned in a 120 ° arrangement.
  • the photosensors are positioned in a 90 ° arrangement in the form of a square when four photosensors are provided. With more than four sensors, these are arranged in the form of an equilateral polygon corresponding to the number of photosensors.
  • the photosensors are arranged on a leadframe (connection elements) or another support structure which makes it possible to pick up the electrical signals at the individual photosensors; the leadframe can immediately have the function of a plug, with which the component can be electrically connected to an electronics.
  • the leadframe in THT or SMD technology can be electrically connected to an external circuit board by standard soldering techniques for signal utilization.
  • the housing is made of standard plastic materials as they are known per se for optical components (eg daylight barrier character- istics).
  • the housing can be manufactured using standard optical component manufacturing techniques.
  • the housing ensures that the incident solar intensity and also the direction of irradiation of the sun at the location of the solar sensor can be determined from the geometric configuration of the solar sensor.
  • the ratio of direct solar radiation to indirect (diffuser) solar radiation can be determined.
  • FIGS. 1 and 2 are a side and a plan view of a sun sensor with two photosensors according to a first embodiment of the invention
  • FIGS. 3 and 4 are side and top views of a sun sensor having three photosensors according to a first embodiment of the invention.
  • FIGS. 5 and 6 are a side and a plan view of a sun sensor with four photosensors according to a first embodiment of the invention
  • the sun sensor 10 has a (solid material) housing 12 made of a plastic material, which is transparent to IR radiation in this embodiment and the daylight substantially blocks.
  • the solar radiation exposable incident side 14 of the housing 12 is curved or spherically formed and has a shape that gives the housing 12 in this area a lens characteristic,
  • FIGS. 1 and 2 Another embodiment of a sun sensor 10 "is shown in Figures 5 and 6.
  • those elements of the sun sensor 10" which correspond to the elements of the sun sensor 10 of FIGS. 1 and 2 are the same, identical or identical to these, are provided with the same reference numerals.
  • the sun sensor 10 In contrast to the sun sensors 10 and 10 ', the sun sensor 10 "has four photosensors 16 arranged in a rectangle, each of which is connected to a different connection element via a bonding wire 22.
  • the mode of operation of the sun sensors described here is based on the idea of placing a plurality of photodiodes in a standard housing for optical sensors in such a way that they respond to the incident solar radiation in different but in combination of the unique, unique manner. From the individual signals can then in a calculation method that in a Mtkrocontroller (not shown) directly in the sun sensor or implemented in a separate electronics, the Einfalisraum the solar radiation and their intensity are built.
  • the photodiodes 16 are arranged planar in the common plane 19, wherein two, three, four or more photodiodes can be used.
  • Possible geometric arrangements in the plane are an equilateral triangle in the case of three sensors and the arrangement in square or in the case of four sensors.
  • Cross-section is an arrangement of four sensors to be preferred because these four sensors can then be arranged and fabricated contiguously on a single substrate.
  • the different irradiation of the individual photodiodes as a function of the angle of incidence of the solar radiation is produced by the lens characteristic of the optically acting as a lens housing 12 from transparent to the radiation of interest material (plastic material), which may be enriched with filter or diffuser materials.
  • the lens characteristic is achieved by a curvature (for example spherical formation) of the housing surface at its entry surface 14, wherein the radius of the curvature is to be selected as a function of the vertical and horizontal photosensor position and in dependence on the size of the sensor surfaces 18.
  • the sensor surfaces 18 of the photosensors 16 are not in the plane of the focus (see plane 26 in Figures 1, 3 and 5) of the incident solar radiation over the incident side 14, but longitudinally the optical axis 28 (see also Figures 1, 3 and 5) before or after the focal plane 26 is located. This ensures that at different angles of incidence of the solar radiation to the solder (optical axis 28) of the housing surface as large a proportion of solar radiation hits the sensor surfaces 18 of all photodiodes 16, the solar radiation but still a - depending on from the angle of incidence! - Has different degrees of irradiation of the individual photodiodes result.
  • Kunststoffmateriais and the position of the individual photodiodes 16 within the housing 12 (horizontal and vertical arrangement and position and size of the photodiodes 16 and their sensor surfaces 18 to each other and centric course of the optical axis 28 to the arrangement and location of the sensor surfaces
  • the sensor surfaces 18 of the individual photodiodes 16 have a very low to ideally no sensitivity tolerance if, due to the manufacturing method, the photodiodes 16 are manufactured from the same substrate. For this reason, tolerances of the photodiodes 16 among each other are negligible. This means that the outlay for the adjustment of the photodiodes 16, which can differ from each other with respect to their sensitivity by up to 20% in the case of conventional sun sensors, can be significantly reduced or completely eliminated. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Der Sonnensensor zur Erfassung der Einfallsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung ist versehen mit einem Gehäuse (12) aus einem für zumindest einen Teil der Sonnenstrahlung durchlässigen Kunststoffmaterials, wobei das Gehäuse (12) eine gewölbte Sonnenstrahlungseinfallsseite (14) aufweist und das Gehäuse (12) optisch als Linse wirkt sowie eine durch seine Linsencharakteristik definierte interne Brennpunktebene (26) aufweist, und mindestens zwei Fotosensoren (16), die in dem Kunststoffmaterial des Gehäuses (12) eingebettet sind. Die Fotosensoren (16) weisen jeweils eine zumindest für den Teil der Sonnenstrahlung, für den das Kunststoffmaterial durchlässig ist, sensitive Sensorflächen (18) auf und die Sensorflächen (18) der Fotosensoren (16) sind von der Sonnenstrahlungseinfallsseite (14) aus betrachtet vor oder hinter der Brennpunktebene (26) im wesentlichen parallel zu dieser angeordnet. Die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung ist anhand der Intensitäten der von den Sensorflächen (18) der Fotosensoren (16) empfangenen Sonnenstrahlung ermittelbar.

Description

27. August 2008
Sonnensensor zur Erfassung der Einfallsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung
Die Erfindung betrifft einen Sonπensensor zur Erfassung der Einfallsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung.
Für die verschiedensten technischen Anwendungen ist es mitunter erforderlich, Informationen über die gegenwärtige Sonneneinstrahlung sowohl bezüglich deren Intensität als auch deren Einfallsrichtung zur Verfügung zu haben. Eine mögliche Applikation für einen Sonnensensor ist eine Kfz-Klimaanlage, bei der die Aufheizung des Fahrzeuginnenraums infolge der Sonneneinstrahlung zu Kompensationszwecken erfasst werden sollte,
Im Stand der Technik existieren Konzepte für Sonnensensoren, die mehrere einzelne Fotodioden aufweisen, die schräggestellt sind, Beispiele für derartige Sonnensensoren finden sich in DE 101 02 353 Al, DE 10 2004 053 958 B3 und EP 1 460 448 A2. Andere bekannte Konzepte umfassen Lichtleiter, Diffusor- Elemente und Abdeckungen (Lexankappen, d. h. Tageslichtsperrfilter), die zur Erfassung der Einfallsrichtung und Intensität der Sonnenstrahlung erforderlich sind. Die Schrägstellung der Fotodioden erschwert die Herstellung (insbesondere Montage) des Sonnensensors, während zusätzliche Bauteile wie Leichtleiter, Diffusor und Lexankappe ebenfalls zu einer Verteuerung des Sonnensen- sors fuhren. Überdies weisen die bekannten Sonnensensoren der vorstehend genannten Arten den Nachteil auf, dass die Sensorelemente untereinander ver- und eingemessen werden müssen (Eichung bzw. Kalibrierung des Sonnensensors),
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sonnensensor zur Erfassung der Einfallsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung zu schaffen, der über ein vereinfachtes Koπstruktionskonzept und kostengünstig herstellbare sowie kostengünstig montierbare Sensorelemente verfugt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Sonnensensor zur Erfas- sung der Einfallsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung vorgeschlagen, wobei der Sonnensensor versehen ist mit einem Gehäuse aus einem für zumindest einen Teil der Sonnenstrahlung durchlässigen Kunststoffmaterials, wobei das Gehäuse eine gewölbte Sonnenstrahlungseinfallsseite aufweist und das Gehäuse optisch als Linse wirkt sowie eine durch seine Linsencharakteristik definierte interne Brennpunktebene aufweist, und mindestens zwei Fotosensoren, die in dem Kunststoffmaterial des Gehäuses eingebettet sind, wobei die Fotosensoren jeweils eine zumindest für den Teil der Sonnen- Strahlung, für den das Kunststoffmaterial durchlässig ist, sensitive Sensorflächen aufweisen und die Sensorflächen der Fotosensoren in im wesentlichen einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die sich von der Sonnen- strahlungseinfalisseite aus betrachtet vor oder hinter der Brennpunktebene (und im wesentlichen parallel zu dieser) befindet, und - wobei die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung anhand der Intensitäten der von den Sensorflächen der Fotosensoren empfangenen Sonnenstrahlung ermittelbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Sonnensensor sind mindestens zwei Fotosenso- ren (beispielsweise Fotodioden) in einer Kunststoffmasse eines Gehäuses eingebettet. Bei diesem Gehäuse kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse ähnlich demjenigen handein, wie es von bedrahteten Fotodioden her bekannt ist (THT-Technologie). Aber auch Gehäuse in SMD-Technoiogie sind möglich. Das verwendete Kunststoffmateria! ist für zumindest einen Teil der Sonnen- Strahlung (beispielsweise IR-Anteil) durchlässig. Das Gehäuse weist eine der Sonnenstrahlung aussetzbare, gewölbte, d. h. sphärische Sonnenstrahlungseinfallsseite auf. Aufgrund seiner geometrischen Form (insbesondere an der Einfallseite) wirkt das Gehäuse optisch als Linse, deren Charakteristik eine Brennpunktebene definiert, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und innerhalb derer sich der Brennpunkt der einfallenden Sonnenstrahlung befindet bzw. - je nach Einfailsrichtung - bewegt. Diese Brennpunktebene verläuft im wesentlichen rechtwinklig zur optischen Achse des Sonnensensors.
Jeder Fotosensor des erfϊndungsgemäßen Sonnensensors weist eine Sensorfiä- che auf, die für denjenigen Teil der Sonnenstrahlung sensitiv ist, für die das Kunststoffmaterial des Gehäuses durchlässig ist. Die Sensorflächen der min- destens zwei Fotosensoren liegen im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, die ihrerseits außerhalb der Brennpunktebene, also bei Betrachtung der Sonnenstrahlungseinfallsseite des Gehäuses vor oder hinter der Brennpunktebene angeordnet Ist. Die Anordnung der Sensorflächen der Fotosensoren ist derart, dass die optische Achse zentrisch dazu verläuft.
Aufgrund der Linsencharakteristik des Gehäuses empfängt jeder Fotosensor in Abhängigkeit von der Einfailsrichtung der Sonnenstrahlung unterschiedlich große Sonnenstrahlungsintensitäten. Aus der Kombination der einzelnen Signale der Fotosensoren kann dann auf die Einfallsrichtung der Sonneneinstrah- lung rückgeschlossen werden, Ferner ergibt sich eine Information über die Intensität der Sonnenstrahlung.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Sonnensensors ist, dass sämtliche Fotosensoren im wesentlichen planar in einem gemeinsamen (Stan- dard-)Gehäuse angeordnet sind, wobei sie konkret in Kunststoffrnaterial eingebettet sind, wie dies von handelsüblichen Leuchtdioden und Fotodioden her bekannt ist. Die Anordnung der Fotosensoren außerhalb der Brennpunktebene hat den Vorteil, dass bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Strahlung zur optischen Achse des Sonnensensors (Lot zur Gehäuseoberfläche) ein möglichst großer Anteil der Strahlung auf die Sensorflächen der Fotosensoren auftrifft, die Sonnenstrahlung aber dennoch eine - in Abhängigkeit vom Einfallswinkel - unterschiedlich starke Bestrahlung der einzelnen Fotosensoren zur Folge hat. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Fotosensoren erforderlich. Zweckmäßig ist es aber, drei oder mehrere Fotosensoren vorzusehen. Im Falle von drei Fotoseπsoren sind diese derart angeordnet, dass ihre Sensorflächen um je- weiis 120 ° gegeneinander verdreht und versetzt angeordnet sind. Bei vier Fotosensoren sind deren Sensorflächen nach Art einer Matrix in Rechteckform angeordnet. Sind mehr als vier Fotosensoren vorhanden, so sind diese so angeordnet, dass ihre Sensorflächen eine Gesamtfläche mit einer Außenkontur eines (ggf. gleichseitigen) Vielecks definieren.
Vorteiihafterweise sind die (Halbleiter-)Fotosensoren auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und/oder ausgebildet, wobei die Fotosensoren als Fotodioden bzw. IR-Sensoren ausgebildet sind. Durch die Ausbildung in einem gemeinsamen (Halbieiter-)Substrat (d, h. durch die gemeinsame Herstellung der Fotosensoren) ist eine Eichung bzw. Kalibrierung der Fotosensoren nicht erforderlich. Aus dem Gehäuse ragen zweckmäßigerweise elektrische Anschlusselemente heraus, die elektrisch mit den Fotosensoren verbunden sind, wobei die Anschlusselemente als Anschlusselemente eines Steckers ausgebildet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Sonnensensor sind weder zusätzliche Lichtleiter, noch Diffusor-Elemente, noch Lexankappen erforderlich. Auch ist es nicht nötig, einen Einmessvorgang der Fotosensoren zueinander durchzuführen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sonnensensors besteht darin, dass sämtliche funktionalen Elemente in ein fotooptisches Bauteil integriert sind und somit die gesamten, gewünschten optischen Eigenschaften des (2D/3D-)Sonnensensors nur durch das Bauteil selbst - ohne weitere konstruktive Zusatzkomponenten - erzeugt werden.
Die Merkmale bzw. Vorteile des erfindungsgemäßen Sonnensensors lassen sich wie folgt auflisten : Es werden mindestens zwei in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete fotoempfindüche Sensoren (Fotosensoren) planar angeordnet und zur Erfassung der Sonneneinstrahlung verwendet, wodurch sich ein einziges integrales Bauteil ergibt. - Das optisch transparente Gehäuse kann Filter- und Diffusormateria- iien enthalten, die eine selektive Erfassung der Sonneneinstrahlung bezüglich der Wellenlänge (Filter) und auch eine Homogenisierung der einfallenden Strahlung (Diffusor) ermöglichen. Bei drei Fotosensoren sind diese in einer 120 °-Anordnung positio- niert.
Die Fotosensoren werden in 90 °-Anordnung in Form eines Vierecks positioniert, wenn vier Fotosensoren vorgesehen sind. Bei mehr als vier Sensoren sind diese in Form eines gleichseitigen Vielecks entsprechend der Anzahl an Fotosensoren angeordnet. - Die Fotosensoren sind auf einem Leadframe (Anschlusselemente) o- der einer anderen Trägerstruktur angeordnet, die das Abgreifen der elektrischen Signale an den einzelnen Fotosensoren ermöglicht; der Leadframe kann sogleich die Funktion eines Steckers aufweisen, mit dem sich das Bauteil elektrisch mit einer Elektronik verbinden lässt. - Der Leadframe in THT- oder SMD-Technologie kann durch Standardlötverfahren zur Verwertung der Signale elektrisch an eine externe Leiterkarte angeschlossen werden.
Das Gehäuse besteht aus Standardkunststoffmaterialien, wie sie für optische Bauteile an sich bekannt sind (z. B. Tageslichtsperrcharakte- rϊstik).
Das Gehäuse kann mit Hilfe von Standard-Herstellungsverfahren für optische Bauteile hergestellt werden.
Das Gehäuse stellt aufgrund seiner geometrischen Form sicher, dass die einfallende Sonnenintensität und auch die Einstrahlungsrichtung der Sonne am Ort des Sonnensensors aus der geometrischen Konfiguration des Sonnensensors ermittelt werden kann. Bei Verwendung von mehr als drei Fotosensoren kann das Verhältnis von direkter Sonnenstrahlung zu indirekter (Diffusor) Sonnenstrahlung bestimmt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
Fign. 1 und 2 eine Seiten- und eine Draufsicht auf einen Sonnensensor mit zwei Fotosensoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fign, 3 und 4 eine Seiten- und eine Draufsicht auf einen Sonnensensor mit drei Fotosensoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiei der Erfindung, und
Fign. 5 und 6 eine Seiten- und eine Draufsicht auf einen Sonnensensor mit vier Fotosensoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiei der Erfindung,
In den Fign. 1 und 2 sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines ersten Ausfuhrungsbeispiels eines Sonnensensors 10 gezeigt, Der Sonnensensor 10 weist ein (Vollmaterial-)Gehäuse 12 aus einem Kunststoffmaterial auf, das in diesem Ausführungsbeispiel für IR-Strahlung durchlässig ist und das Tageslicht im wesentlichen sperrt. Die der Sonnenstrahlung aussetzbare Einfallsseite 14 des Gehäuses 12 ist gewölbt bzw. sphärisch ausgebildet und weist eine Formgebung auf, die dem Gehäuse 12 in diesem Bereich eine Linsencharakteristik verleiht,
Innerhalb des Gehäuses 12 sind zwei Fotodioden 16 angeordnet, deren Sensorflächen 18 im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene 19 angeordnet sind. Beide Fotodioden 16 befinden sich auf einem gemeinsamen Anschluss- element 20, wobei jede Fotodiode 16 über einen Bonddraht 22 zu unterschiedlichen weiteren Anschlusselementen 24 hin verbunden ist. Mit diesem Sonnensensor ist eine 2D~Sonnenstrah!ungserfassung möglich.
In den Fign. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sonnensensors 10' dargestellt. Soweit die Elemente des Sonnensensors 10" konstruktiv bzw, bezüglich ihrer Funktion den Elementen des Sonnensensors 10 der Fign. 1 und 2 gleichen bzw. mit diesen identisch sind, sind sie in den Fign, 3 und 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem Sonnensensor 10' existieren drei Fotodioden 16, die längs der Kanten eines gleichschenkligen Dreiecks, also um jeweils 120 ° verdreht und versetzt, auf dem Anschlusselement 20 angeordnet sind. Mit dieser Sensoranordnung ist eine 3D-Sonnenstrahlungserfassung möglich,
Schiießiich ist in den Fign, 5 und 6 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sonnensensors 10" gezeigt. Auch hier gilt, dass diejenigen Elemente des Son- πenseπsors 10", die den Elementen des Sonnensensors 10 der Fign. 1 und 2 gleichen, entsprechen oder identisch mit diesen sind, mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen sind.
Im Unterschied zu den Sonnensensoren 10 und 10' weist der Sonneπsensor 10" vier zu einem Rechteck angeordnete Fotosensoren 16 auf, von denen jeder mit einem unterschiedlichen Anschlusseiement über einen Bonddraht 22 verbunden ist.
Die Funktionsweise der hier beschriebenen Sonnensensoren beruht jeweils auf der Idee, in einem Standard-Gehäuse für optische Sensoren mehrere Fotodioden derart zu platzieren, dass sie in unterschiedlicher, jedoch in Kombination der Einzelsigπale eindeutiger Art und Weise auf die einfallende Sonnenstrahlung reagieren. Aus den Einzelsignalen können dann in einem Berechnungsverfahren, das in einem Mtkrocontroller (nicht dargestellt) direkt im Sonnensensor oder in einer separaten Elektronik implementiert ist, die Einfalisrichtung der Sonnenstrahlung sowie deren Intensität errichtet werden.
Die Fotodioden 16 sind dabei planar in der gemeinsamen Ebene 19 angeord- net, wobei zwei, drei, vier oder mehr Fotodioden verwendet werden können.
Mögliche geometrische Anordnungen in der Ebene sind bei drei Sensoren ein gleichseitiges Dreieck und bei vier Sensoren die Anordnung im Quadrat bzw.
Rechteck. Aufgrund der üblichen Fertigung von Fotodioden mit quadratischem
Querschnitt ist eine Anordnung von vier Sensoren zu bevorzugen, da diese vier Sensoren dann zusammenhängend auf einem einzigen Substrat angeordnet und gefertigt werden können.
Die unterschiedliche Bestrahlung der einzelnen Fotodioden in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung entsteht durch die Linsencharakteris- tik des optisch als Linse wirkenden Gehäuses 12 aus für die interessierende Strahlung transparentem Material (Kunststoffmaterial), das mit Filter- oder Diffusormaterialien angereichert sein kann. Die Linsencharakteristik wird durch eine Wölbung (beispielsweise sphärische Ausbildung) der Gehäuseoberfläche an dessen Eintrittsfläche 14 erreicht, wobei der Radius der Wölbung in Abhän- gigkeit von der vertikalen und horizontalen Fotosensorposition sowie in Abhängigkeit von der Größe der Sensorflächen 18 zu wählen ist.
Bei der Auslegung der Geometrie des Sonnensensors sollte darauf geachtet werden, dass die Sensorflächen 18 der Fotosensoren 16 nicht in der Ebene des Brennpunkts (siehe Ebene 26 in den Fign. 1, 3 und 5) der über die Einfallsseite 14 einfallenden Sonnenstrahlung liegt, sondern längs der optischen Achse 28 (siehe ebenfalls die Fign. 1, 3 und 5) vor oder hinter der Brennpunktebene 26 liegt. Hierdurch wird erreicht, dass bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sonnenstrahlung zum Lot (optische Achse 28) der Gehäuseoberfläche ein möglichst großer Anteil der Sonnenstrahlung auf die Sensorflächen 18 sämtlicher Fotodioden 16 trifft, die Sonnenstrahlung aber dennoch eine - in Abhän- gigkeit vom Einfallswinke! - unterschiedlich starke Bestrahlung der einzelnen Fotodioden zur Folge hat.
Der eindeutige Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel und den einzelnen Fotosensorsignalen ergibt sich aus dem geometrischen Aufbau des Gehäuses
12, den optischen Eigenschaften des Gehäusematerials (Brechungsindex des
Kunststoffmateriais) und der Position der einzelnen Fotodioden 16 innerhalb des Gehäuses 12 (horizontale und vertikale Anordnung sowie Lage und Größe der Fotodioden 16 und deren Sensorflächen 18 zueinander sowie zentrischer Verlauf der optischen Achse 28 zur Anordnung und Lage der Sensorflächen
18. },
Die Raumwinkeibereiche, die die einzelnen Fotodioden detektieren können, überlappen sich. Aus der jeweiligen Lichtintensität am Ort der einzelnen Foto- dtoden kann über das jeweilige Sensorsignal sowohl die Richtung als auch die Gesamtintensität der Sonneneinstrahlung berechnet werden. Ferner können bei mehr als drei Fotodioden Rückschlüsse auf das Verhältnis von Diffusionsan- teii und Direktanteil der Sonnenstrahlung gezogen werden,
Die Sensorfiächen 18 der einzelnen Fotodioden 16 weisen eine sehr geringe bis idealerweise keine Sensitivitätstoleranz auf, wenn aufgrund der Fertigungsverfahren die Fotodioden 16 aus jeweils dem gleichen Substrat gefertigt werden. Aus diesem Grund sind Toleranzen der Fotodioden 16 untereinander vernachlässigbar. Das bedeutet, dass der Aufwand für den Abgleich der Fotodioden 16, die sich bei herkömmlichen Sonnensensoren bezüglich ihrer Empfindlichkeit bis zu 20 % voneinander unterscheiden können, deutlich reduziert werden bzw. ganz entfallen kann. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Sonnensensor 10' Sonnensensor 10" Sonnensensor
12 Gehäuse
14 Sonnenstrahlungseinfallsseite
16 Fotodioden 18 Sensorflächen der Fotodioden
19 Ebene der Sensorflächen
20 Anschiusseiement 22 Bonddraht
24 AnschSusseiementen 26 Brennpunktebene
28 optische Achse

Claims

ANSPRÜCHE
1. Sonnensensor zur Erfassung der Einfailsrichtung und der Intensität von Sonnenstrahlung, mit - einem Gehäuse (12) aus einem für zumindest einen Teil der Sonnenstrahlung durchlässigen Kunststoffmaterials, wobei das Gehäuse (12) eine gewölbte Sonnenstrahlungselnfallsseite (14) aufweist und das Gehäuse (12) optisch als Linse wirkt sowie eine durch seine Linsen- Charakteristik definierte interne Brennpunktebene (26) aufweist, und - mindestens zwei Fotosensoren (16), die in dem Kunststoffmateriai des Gehäuses (12) eingebettet sind, wobei die Fotosensoren (16) jeweils eine zumindest für den Teil der Sonnenstrahlung, für den das Kunststoffmaterial durchlässig ist, sensitive Sensorflächen (18) aufweisen und die Sensorflächeπ (18) der Fotosensoren (16) in einer gemeinsamen Ebene (19) und von der
Sonnenstrahlungseinfallsseite (14) aus betrachtet vor oder hinter der Brennpunktebene (26) angeordnet sind und wobei die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung anhand der Intensitäten der von den Sensorftächen (18) der Fotosensoreπ (16) empfan- genen Sonnenstrahlung ermitteibar ist.
2. Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Fotosensoren (16) vorgesehen sind, deren Sensorflächen (18) um jeweils 120 ° gegeneinander verdreht und versetzt angeordnet sind.
3. Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Fotosensoren (16) vorgesehen sind, deren Sensorflächen (18) nach Art einer Matrix in Rechteckform angeordnet sind.
4. Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als vier Fotosensoren (16) vorgesehen sind, deren Sensorflächen (18) eine Gesamtfläche mit einer Außenkontur eines Vielecks definieren.
5. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Gehäuses (12) Filter- und/oder DIf- fusormaterialien enthält.
6. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (16) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und/oder ausgebildet sind.
7. Sonneπsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass die Fotosensoren (16) als Fotodioden ausgebildet sind.
8. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (16) als IR-Sensoren, wie z. B. Thermopile, ausgebildet sind,
9. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Gehäuse (12) elektrische Anschlusseiemente (20,24) herausragen, die elektrisch mit den Fotosensoren (16) verbunden sind, und dass die Anschiusselemente (20,24) als Anschlusselemente eines Steckers ausgebildet sind.
10. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Ebene (19), in der die Fotosensoren (16) angeordnet sind, im wesentlichen parallel zu der Brennpunktebene (26) an- geordnet ist.
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