Lichtschranken

Eine Lichtschranke ist ein elektronisch-optisches System, das die Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennt.

Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender meist eine Leuchtdiode oder Laserdiode) und einem Sensor (der  Empfänger meist ein Fotowiderstand oder Fototransistor).

 

Lichtschranken werden in 2 Gruppen unterschieden.

  • Einweg-Lichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber

  • Reflexlichtschranken wird das Lichtsignal von einen Reflektor zurück geworfen. Fototransistor und Diode parallel in einem gemeinsamen Gehäuse

 

Einweg-Lichtschranke

LED- Leuchtdioden

Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode"

Die Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter. Darauf ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit großer Löcherdichte aufgebracht. Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar. Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke.
Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht, ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig. Dadurch wird das Licht gestreut. Durch das linsenförmige Gehäuse wird das Licht gebündelt. So können Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten.

Vorsicht bei Falschpolung! Leuchtdioden vertragen nur eine sehr geringe Sperrspannung. Sie können schon mit kleinen Spannungen von 5 bis 6 V zerstört werden.

Grundlagen der Fotohalbleiter

Innerer fotoelektrischer Effekt: Erhält ein Halbleiterwerkstoff eine Energiezufuhr durch Lichteinstrahlung, so werden Elektronen aus ihren Bindungen gelöst. Man kann sich vorstellen, dass die Lichtteilchen die Photonen, Kristallbindungen zerschlagen. Die Elektronen dieser Kristallbindungen werden dadurch freigesetzt. Die entstehenden offenen Bindungen stellen Löcher dar. Diese Zunahme der freien Ladungsträger bedeutet eine Vergrößerung der Leitfähigkeit.

Dieser fotoelektronischer Effekt wird zB. bei Fotowiederständen, bei Solarzellen bei Fotodioden oder Fototransistoren ausgenutzt.

 

Fotowiederstände ( Light Dependent Resistor, LDR)

Die aktiven Schichten von Fotowiderständen bestehen aus Halbleiter- Mischkristallen. Man verwendet Werkstoffe bei denen der fotoelektrische Effekt sehr stark ist. Die aktive Schicht wird auf einem Keramikkörper, welcher als Träger dient, meist mäanderförmig aufgebracht. Trifft Licht auf den Fotowiderstand, dann sinkz der Widerstandswert!

 

LDR

 

Beschreibung eines Schaltplans für die Geschwindigkeitsmessung

 

Funktionsweise

Über die beiden Darlington-Transistoren Tr4 und Tr5 werden die Signale der beiden Lichtschranken invertiert, auf TTL Pegel angepasst und an die Interrupts /INT0 und /INT1 geleitet. Die errechnete Geschwindigkeit wird an den 7 Segmentanzeigen sichtbar gemacht. In dem Layout verwendet wurden Anzeigen mit 20 mm Symbolhöhe. Da die Anzeigen gemultiplext werden, müssen zum erreichen der vollen Helligkeit gegebenenfalls die Vorwiderstände R1-R8 noch etwas geringer ausfallen. Allerdings sollte der maximale Strom, den der Mikrocontroller gegen Low liefern kann (20mA) nicht überschritten werden.
Der von mir verwendete Quarzoszillator soll für möglichst konstante und genaue Messergebnisse sorgen. Natürlich tut es auch ein Standard Quarz. Diese Variante ist im Schaltbild dargestellt, und auch im Platinenlayout vorhanden.

Der Schaltungsteil, der mit der gestrichelten Linie gekennzeichnet ist, befindet sich auf einer kleinen Zusatzplatine. Rund um das IC2, das als Taktgeber geschaltet ist, befindet sich ein Spannungsverdoppler, wie er auch schon als Ladungspumpe bei meinen RC-Fahrtreglern verwendet wird. Genutzt habe ich ihn hier, um die für die Lichtschranken benötigten ca. 12Volt (10mA) zu erhalten. Natürlich hätte ich auch eine größere Anzahl Akkus vorsehen können, ich wollte jedoch meine Senderakkus (8 Zellen) dafür benutzen. Ausserdem passen die 8 Akkus gerade so schön in das vorhandene Gehäuse. Je nach verwendeten Stromquellen und Lichtschranken kann dieser Schaltungsteil wegfallen oder anders ausfallen.

 

Messaufbau

Für eine kurze Messstrecke sind die Verzögerung der Lichtschranke (1ms) und die kleinste messbare Zeit (100µS = 0,0001S) ausschlaggebend.  Hierzu ein Beispiel: Ein Auto das mit 100Km/h fährt, legt pro Sekunde 27,77 Meter, pro ms also eine Strecke von 2,77 cm zurück. Ist die kleinste messbare Einheit, wie in dieser Software realisiert 0,1ms, so ändert das letzte "Digit" der Messung bei einem Messweg von 2,77 cm also 10%, bei einem Messweg von 27,77 cm nur 1%. Sinnvolle Längen des Messweges starten also ab etwa 27 cm. Die Ungenauigkeiten betreffen übrigens auch z.B. unterschiedliche Auslöseverzögerungen der beiden Lichtschranken durch Fertigungstoleranzen.

Die genaue (gemessene) Länge wird als einziger einzustellender Parameter in den Assembler Sourcecode eingegeben. (Variable "Messweg", Eingabe in mm)

 

 

Widerstände:
R1-R8,R18     = 220
R19                 = 1K
R17                 = 470
R9-R11           = 2,2K
R13,R14,R20  = 4,7K
R12,R15,R16  = 10K
Kondensatoren:
C1 = 470µF Elko 25V
C2 = 220µF Elko
C3 = 100nF Kondensator
C4 = 10&microF Elko
C7 = 4,7nF Kondensator
C5,C6 = 22µF Elko 25V
Halbleiter:
IC1        = AT89C2051
IC2        = NE555
UR1      = 7805 Spannungsregler 1A
Tr1-Tr3 = BC560 PNP-Transistor
Tr4,Tr5  = BC875 NPN-Darlington
LED1     = LED 5mm rot
D1,D2    = 1N4148
Sonstiges:
OSC1 = 24Mhz Quarz Oszillator
K1 = Akku Anschluss
K2,K3 = Klinkenstecker 6,3mm
7Seg. = SA 08-11 gem. Anode
T1 = Taster
Su1 = Summer

Code für die Programierung finden Sie hier