Die Lichtschranken-Elektronik

Die Sendedioden und die Fototransistoren.

Als Fotodioden werden die schon erwähnten IR-Dioden SFH 409 verwendet. Man bekommt sie z.B. bei Conrad unter der Nummer 154070-SK. Sie strahlen Infrarotstrahlung von 950 nm ab. Laut Datenblatt beträgt die maximale Stromstärke 100 mA. Da die Dioden an 5 V betrieben werden sollen, muss man einen Vorwiderstand verwenden. Für maximale Intensität, ohne die IR-Dioden zu gefährden, sind etwa 50 Ohm sinnvoll. Die Widerstände sollten mit 1/2 W belastbar sein. Die 10 Leuchtdioden mit ihren Widerständen werden parallel geschaltet und mit einer Spannung von 5 V versorgt, sie sind in dem einen U-Profil eingebaut.
Der kurzeAnschluss der IR-Sendediode ist die Katode, er wird also mit Masse verbunden, der lange Anschluss (Anode) führt zum Versorgungswiderstand.

Im anderen U-Profil befinden sich die Fototransistoren SFH 309FA mit ihren Arbeitswiderständen. Diese Fototransistoren passen zu den IR-Sendedioden und sind mit einem speziellen Filter ausgestattet, das ihre Lichtempfindlichkeit auf den Bereich zwischen 730 - 1100 nm einschränkt. Sie sind damit für Tageslicht relativ unempfindlich. Durch den Empfangswinkel von 20 Grad wird das Licht von der IR-Diode zum Fototransistor bei einem Schienenabstand von etwa 1,5 cm gut genug gebündelt.
Bei guter Justierung würde das Dioden-Transistor-Pärchen auch eine Distanz von 10 bis 15 cm ohne Linse noch problemlos überbrücken!

Als Kollektorwiderstand bewährt sich beim SFH 309FA etwa 5 - 10 kOhm.

Es gilt aber zu beachten, dass bei den Fototransistoren der kurze Anschluss der Kollektor und der lange Anschluss der Emitter ist. Hier wird also der lange Anschluss mit Masse verbunden und der kurze Anschluss führt zum Widerstand. Das ist genau umgekehrt wie bei den Sendedioden!
Auch der "normale" SFH 309 ohne Filter ist verwendbar, reagiert dann allerdings im gesamten sichtbaren Spektrum. Das bringt keine Vorteile, außerdem sind die normalen SFH309 geringfügig teurer.

Auch hier sind wieder alle Fototransistoren parallel geschaltet. Die Emitter und das andere Ende des Kollektorwiderstands sind also miteinander verbunden. Lediglich die Leitung zum Punkt A der Verstärkerstufen ist für jeden Transistor eine andere.

Datenblatt zum SFH309

In beleuchtetem Zustand haben die Fototransistoren einen kleinen Innenwiderstand. Das Potential zwischen Masse und dem Punkt A ist also klein. Werden sie verdunkelt, so steigt ihr Innenwiderstand an und das Potential von A gegen Masse wird groß.

Der zweistufige Transistorverstärker.

Von den Punkten A der zehn Fototransistoren führt jeweils eine Leitung zu einem nachgeschalteten Verstärker, der sich in der Box für die Auswert-Elektronik befindet. Die Schaltung, die oben dargestellt ist, ist also insgesamt 10 mal vorhanden.

Der Verstärker in der Auswertbox ist ein einfacher zweistufiger Transistorverstärker mit gängigen Standard-Teilen. Statt der BC 547 NPN-Transistoren ist jeder andere NPN Kleinsignal Transistor ebenso gut geeignet. Der Verstärker dient zum Entkoppeln und Verstärken des Signals des Fototransistors.

Ist die zugehörige Lichtschranke verdunkelt, so ist das Potential am Punkt B etwa 4 V, ist sie beleuchtet, beträgt das Potential etwa 0,2 V.

Das Oder-Gatter und die Tonerzeugung.

Die Tonerzeugung folgt denselben Überlegungen, die schon in dem Beitrag über den WALITO (Wandler-Licht-Ton) vorgestellt wurden. Immer wenn eine Lichtschranke verdunkelt wird, soll ein Tongenerator vom Typ NE555 ein Tonsignal erzeugen. Dieses Tonsignal wird dann einer Soundkarte zugeführt. Der Rechner übernimmt dessen Auswertung. Welche Möglichkeiten es dabei gibt, wird an anderer Stelle vorgestellt.

Der Tongenerator soll schwingen, wenn irgendeine der Lichtschranken verdunkelt wird, d.h. wenn entweder Lichtschranke 1 oder Lichtschranke 2 oder ...... dunkel ist. Wir brauchen also eine Oder-Verknüpfung der Ausgänge der 10 Lichtschrankenverstärker. Da es hierfür keinen geeigneten TTL-IC gibt, wurde hier eine einfachere Variante gewählt:
Die Ausgänge der 10 Lichtschrankenverstärker führen auf jeweils eine einfache Schaltdiode vom Typ 1N4148 o.ä. Ist ein Fototransistor beleuchtet, so ist der zugehörige Ausgang B auf Low-Pegel. Die zugehörige Diode sperrt. Sind alle Fototransistoren beleuchtet, sperren also alle 10 Schaltdioden (im Schaltbild sind nur fünf Dioden dargestellt).

Wird nun irgendein Fototransistor verdunkelt, so geht dessen Ausgangspegel am Punkt B auf etwa 4 V hoch. Die zugehörige Diode wird leitend und der erste Transistor schaltet durch. Dadurch sperrt der zweite Transistor nun. Am Punkt C liegt hohes Potential an.
Wird also keine der 10 Lichtschranken verdunkelt, so liegen an Punkt C etwa 0,1 V an, wird irgendeine Lichtschranke verdunkelt, ist das Potential dort etwa 4,8 V.

Mit diesem Signal wird nun der Tongenerator NE555 an seinem Reset Eingang 4 gesteuert. Liegt dieser auf hohem Pegel, dann kann der Oszillator schwingen, ist der Pegel low, werden keine Schwingungen erzeugt. Die Beschaltung des NE555 kann dem Schaltbild entnommen werden. Mit den eingetragenen Dimensionierungen ergibt sich eine Schwingungsfrequenz von etwa 5 kHz. Am Ausgang 3 steht dann ein 5 V Rechtecksignal dieser Frequenz an, wenn irgend eine Lichtschranke verdunkelt wird.

Da diese Spannung für den Line-In-Eingang einer Soundkarte zu groß ist (sie ist für 1Vss ausgelegt) wird das Signal noch mit einem Potentiometer abgeschwächt. Anschließend sorgt ein kleiner Kondensator für eine gleichspannungsmäßige Entkopplung der Elektronik vom Eingang der Soundkarte.

Optisches und/oder akustisches Kontrollsignal.

Um die Funktion der Lichtschrankenschiene schnell zu prüfen - z.B. um die Lichtschrankenschiene bei einem Empfangsproblem mit dem Computer als Fehlerquelle ausschließen zu können - ist es sinnvoll, eine optische und/oder akustische Kontrolle vorzusehen.

Auf der Auswertplatine ist beides vorgesehen. Ob sie beide Auswertarten implementieren wollen, bleibt Ihnen überlassen.

Akustische Kontrolle.

An der Leitung "Tonverstärker" am Pin 3 des IC NE555 wird untenstehende Schaltung angeschlossen. Es handelt sich um einen einfachen, einstufigen Tonverstärker. Über den Kondensator C2 wird das Signal auf ein logarithmisches Potentiometer geführt, mit dem man die Lautstärke einstellen kann. Der Transistor wird dann über den Kondensator C3 angesteuert. R5 und R6 bilden einen Spannungsteiler, der den Arbeitspunkt grob einstellt. Ein kleiner Lautsprecher liegt direkt im Kollektorkreis des Transistors.
Die Tonqualität ist natürlich nicht toll, genügt aber für den Nachweis der Schwingungen vollkommen. Dieser kleine Luxus kostet etwa 5 Euro zusätzlich (incl. Lautsprecher).

Für die Schüler wird so unmittelbar hörbar, dass immer genau dann ein Ton erzeugt wird, wenn eine Lichtschranke verdunkelt wird. Das macht das Messverfahren für die Schülerinnen und Schüler zusätzlich transparent. Sie merken außerdem, dass das Tonsignal immer kürzer wird, je kürzer die Lichtschranke verdunkelt wird. Dies hilft auch beim Verständnis des Verfahrens zur Bestimmung der Momentangeschwindigkeit.

Optische Kontrolle.

Wer möchte, kann auch noch eine optische Kontrolle vorsehen. Der Ausgang jedes Fototransistor-Verstärkers B führt nicht nur auf eine Schaltdiode, sondern auch noch auf einen Eingang eines Verstärker-Array ULN 2803. Dieser IC beinhaltet 8 Transistorverstärker, von denen wir aber nur 5 je Block verwenden. Die Ausgänge steuern Leuchtdioden, die an der Außenseite der Lichtschrankenschiene, gegenüber dem zugehörigen Fototransistor, angebracht werden (vgl. Seite Mechanik). Die Arbeitswiderstände der Leuchtdioden befinden sich als Widerstandsarray von 220 Ohm je Widerstand auf der Platine. Die Markierung auf dem Array bezeichnet den gemeinsamen Anschluss, der mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden wird. (Bitte beachten Sie, dass der IC im Aufbau auf der Platine um 180° gedreht ist).

Die Leuchtdioden werden also nur über eine zweipolige Leitung direkt an der Platine angeschlossen, wobei der Pin, der dem ULN 2803 näher ist, zur Katode (kurzer Anschluss) der LED führt, die andere Seite am Widerstandsarray wird mit der Anode (langer Anschluss) verbunden (vgl. Schaltskizze).
Man kann diese Kontrolle aber auch weglassen. Die beiden ULN 2803, die Widerstandsarrays und die Steckverbinder entfallen in diesem Fall.