Lichtschranke mit moduliertem Licht

**mare_crisium** · 16.02.2007, 17:18

Frank,

puh, lass' mich das mal schrittweise abarbeiten!

1. Deine Frequenzberechnung stimmt. Um zu prüfen, ob's die Widerstands-/Kapazitätswerte wirklich gibt, geh' mal zu www.reichelt.de.

Bandbreite: Das ist bei einer PLL-Schaltung ein bisschen anders als bei einem normalen Bandfilter. Es gibt einen Fangbereich (capture range/detection range) in dem die Schaltung auf ein Eingangssignal "einrastet" (d.h. der interne Regelkreis stellt eine stabile Phasenbeziehung her und hält sie). Wenn die Schaltung eingerastet ist, dann gibt es ein (breiteres) Frequenzband, in dem die Phasenbeziehung auch bei Frequenzschwankungen gehalten wird (lock range?, bin nicht ganz sicher). Das alles spielt sich symmetrisch um die Mittenfrequenz (center frequency) ab, die Du mit C1 und R1 einstellst. Deine Vermutung ist also richtig.

Rechteck und Sägezahn: Der Sägezahn entsteht, weil der Kondensator mit dem vorgeschalteten Widerstand wie ein Integrator wirkt. Wenn Du hier eine Spannung abnehmen willst, dann pass auf, dass Du dabei nicht zuviel Strom ziehst und keine variablen Kapazitäten (z.B. Sperrschichtkapazität beim Tansistor) einführst! ELV nimmt das Signal am Oszillatorausgang ab, wie sich's gehört und so würde ich's auch machen.

Übrigens, wenn Du Zugang zum Elektor-Halbleiterheft 2000 hast (Juli/August 2000), da wird fast dieselbe Schaltung aber mit separatem Frequenzerzeuger für die Lichtquelle vorgestellt.

Soweit mal die erste Schüttung.

mare_

**mare_crisium** · 18.02.2007, 12:06

Frank_R,

die Wirkung von Kondensatoren auf Wechselspannung und -strom wird gern als eine Aufgabe zum Erklären von einfachen Differentialgleichungen verwendet. An Deiner Stelle würde ich zuerst nach einer Website suchen, wo sie sowas erklären. Wenn Du in Mathematik richtig sattelfest bist und auch vor z- und Laplace-Transformationen keine Bange hast, solltest Du nach Vierpoltheorie suchen.

Aber für Dein Projekt brauchst Du das alles nicht. Bau' das Ding so auf, wie angegeben und kauf' ein paar Kondesatoren und Widerstände extra, zum Experimentieren. Wenn alle Dimensionierungen so kritisch wären, wie Dir das jetzt scheint, dann würde kein Radio funktionieren.

Damit das Ganze nicht ausufert, nur die wesentlichsten Erklärungen:

Pin 3, C1: Kondensatoren lassen nur Wechselstrom durch, keinen Gleichstrom. C1 hält den Gleichstrom vom Eingang des NE 567 fern (entkoppelt ihn vom Gleichstrom). Die Kapazität ist völlig unkritisch.

Pin 2 (Loop filter) C3: Der Kondensator stellt die Reaktionsgeschwindigkeit des internen Regelkreises ein. So lassen, sonst reagiert der Regler zu schnell.

Pin 1 (Output filter): Unterdrückt schnelle Änderungen am Ausgang des NE567. Mit dem kannst Du einstellen, wie lang eine Spannungspitze mindestens dauern muss, damit sie noch an den IC3 weitergegeben wird.

Pin8 (Output): HIGH heisst bei 5V Versorgungsspannung üblicherweise 4,75 - 5,25V. LOW heisst 0 - 0,25V.

PT331: Das Datenblatt kann ich nicht finden. Mit einer Rise/fall-time von 15 Mikrosekunden sollten 60kHz möglich sein. Wichtiger für Deine Anwendung ist der Wellenlängenbereich, in dem er empfindlich ist. Die Wellenlänge Deines Laserlichtes muss im selben Bereich liegen, sonst "sieht" ihn der Phototransistor nicht.

mare_

**Frank_R** · 18.02.2007, 20:48

hallo mare_

vielen Dank für Deine Antworten!
Ich hab jetzt zumindest ein bisschen kapiert, wie man die Schaltung verändern kann.

Auch weiss ich jetzt was ein "Koppelkondensator" ist und warum seine Kapazität "unkritisch" ist. Das habe ich schon oft gelesen, aber eine Erklärung konnte ich nirgends finden. Danke!

Zitat von mare_crisium

Frank_R,
Aber für Dein Projekt brauchst Du das alles nicht. Bau' das Ding so auf, wie angegeben und kauf' ein paar Kondesatoren und Widerstände extra, zum Experimentieren. Wenn alle Dimensionierungen so kritisch wären, wie Dir das jetzt scheint, dann würde kein Radio funktionieren.

Das werde ich machen, obwohl ich mir gar nicht mehr so sicher bin, ob die Lichtschranke das richtige für mein Foto-Projekt ist.
Sie ist mir zu zeitkritisch (5ms) und müsste weit unter 1ms liegen! Ob das durch anpassen der C3,C4 etc. erreichbar ist bleibt abzuwarten. Evtl. ist auch der nachgeschaltete Timerbaustein schuld?

Ich werde das aber mal testen! Aber da ich die Auslöseverzögerungen der Lichtschranke mit weit unter 1ms messen können muss, benötige ich erst mal eine geeignete Stoppuhr. Das ist gar nicht so einfach!
Ich werde mich also erst einmal um mein "Stoppuhr"-Projekt kümmern. Das hat auch den Vorteil, dass ich erste Erfahrungen mit den AVR controllern sammeln kann.

Danach werde ich verschiedene Lichtschranken-Schaltungen testen, welche am geeignetesten für mich ist.
VIELEN DANK für die Infos, ich habe hierbei eine Menge gelernt!

Damit das Ganze nicht ausufert, nur die wesentlichsten Erklärungen:

Pin 3, C1: Kondensatoren lassen nur Wechselstrom durch, keinen Gleichstrom. C1 hält den Gleichstrom vom Eingang des NE 567 fern (entkoppelt ihn vom Gleichstrom). Die Kapazität ist völlig unkritisch.

Pin 2 (Loop filter) C3: Der Kondensator stellt die Reaktionsgeschwindigkeit des internen Regelkreises ein. So lassen, sonst reagiert der Regler zu schnell.

Pin 1 (Output filter): Unterdrückt schnelle Änderungen am Ausgang des NE567. Mit dem kannst Du einstellen, wie lang eine Spannungspitze mindestens dauern muss, damit sie noch an den IC3 weitergegeben wird.

Pin8 (Output): HIGH heisst bei 5V Versorgungsspannung üblicherweise 4,75 - 5,25V. LOW heisst 0 - 0,25V.

PT331: Das Datenblatt kann ich nicht finden. Mit einer Rise/fall-time von 15 Mikrosekunden sollten 60kHz möglich sein. Wichtiger für Deine Anwendung ist der Wellenlängenbereich, in dem er empfindlich ist. Die Wellenlänge Deines Laserlichtes muss im selben Bereich liegen, sonst "sieht" ihn der Phototransistor nicht.
mare_

Das mit der Wellenlänge ist mir klar, vielen Dank!

Ich wollte das mit der Flankenzeit nur infohalber wissen, denn bei der Angabe der rise/fall time, war mir nicht klar, ob steigende und fallende Flanke zusammen 15µs, oder jede Flanke einzeln 15µs hat. Man findet solche Angaben sehr oft in den Datenblättern und ich konnte sie nicht richtig deuten.

Abschliessend hätte da nur noch ein paar allgemeine Fragen zu der Schaltung. Da sind ein paar Dinge, die ich auch oft in anderen Schaltungen finde, aber ich bin mir nicht ganz sicher was sie bedeuteten, oder wie man das auf der Platine genau verdrahtet.

- R12 und R2 sind paralellgeschaltet. R2 ist ein Poti. Ein Poti kann man aber doch auch auf Null Ohm runter drehen, oder? gibt es dann nicht einen Kurzschluss über den Collector-Emitter des CNY70?
(ich versteh nicht warum die beiden Parallel geschaltet sind?)

- auch die Darstellung des Potis ist für mich ungewohnt. Könnte man R2 nicht auch mit einem Pfeil durch zeichnen und C1 an den Punkt verbinden, bei dem R12 und R2 verbunden sind? Wäre das Schaltungstechnisch das selbe? (Mich irritiert der "Mittelabgang" der irgendwo hin geht? Auch bei R8 )

- die Dritte Frage hat sich schon erübrigt: Ich wollte wissen für was R11 in der Treiberstufe am Ausgang da ist, aber nach 1h Internet hab ichs sogar selbst gefunden!

R11 erhöht die Schaltschwelle über der des Transistors in Richtung +Ub. Damit verbessert man den Signal/Störabstand. Es geht also auch ohne, ist aber besser mit.

- was ist eigentlich der Unterschied von +UB und +5V? UB die "ungeregelte" Eingangsspannung und +5V die "geregelte"? Dann wäre ja Anschluss ST3 der gleiche wie ST1? Manchmal liest man auch Vcc, Va etc. So viele Spannungen? Ich kenn mich da dann nicht mehr aus!

- die Kondensatoren C7 und C8 sind für den Spannungsregler. Aber für was ist der Elko C9 ?

Ich hoffe du hast noch so viel erbarmen mit mir und kannst mir ein paar letzte Tips geben?
Vielen Dank jedenfalls nochmal im Voraus!

ciao
Frank

**mare_crisium** · 18.02.2007, 23:40

Frank,

guter Entschluss, die Schaltung nachzubauen! Du wirst sehen, wie schnell Du dadurch den übertriebenen Anfangsrespekt vor der Elektronik los wirst

! Dann merkst Du nämlich sehr schnell, dass auch der Konstrukteur nicht so genau wusste, warum es ohne dieses Ohm an dieser Stelle nicht funktionierte. - Auch die kochen nur mit Wasser!

Bandbreite: Die liest Du am Besten aus einem Diagramm mit Namen "gain vs. frequency" o.ä. ab, das eigentlich in jedem Datenblatt vorhanden sein müsste. Es sieht so ähnlich aus wie Figure 5 auf Seite 6 des NE567-Datenblattes. Bis zu der Frequenz, bei der der horizontale Ast der Kurve nach unten abknickt, kannst Du das Teil problemlos betreiben. Darüber sind Sondermassnahmen (Frequenzkompensation) notwendig, sonst fängt die Schaltung an zu schwingen.

Poti: Vorsicht! Das Poti musst Du Dir wie einen zweigeteilten Widerstand vorstellen: Einer über und einer unter dem Schleiferabgriff. Die Summe beider Teilwiderstände ist immer gleich dem Nennwiderstand des Potis. Wenn Du den Schleifer bewegst, wird der eine Widerstand grösser und der andere schrumpft. Klar? Dadurch misst Du an Deinem Schleifer je nach Stellung eine andere Teilspannung, aber die Spannung über das Poti bleibt unverändert (solange Du über den Schleifer nicht unmässig Strom ziehst).
Deshalb kannst Du mit dem Poti R2 auch keinen Kurzschluss erzeugen. Was der Parallelwiderstand R12 soll, ist mir auch unklar; man hätte genausogut ein Poti mit 25k aber ohne Parallelwiderstand nehmen können. Siehe oben!

Bei R8 entspricht die Schaltung Deiner Vorstellung: hier ist der untere Teil des Potis durch die Verbindung des Schleifers mit dem unteren Anschluss kurzgeschlossen. Jetzt wirkt nur noch der obere Teil des Potis und dessen Widerstand ist mit dem Schleifer einstellbar. Das entspricht genau dem (heutzutage nicht mehr üblichen) Bild von dem Widerstand mit dem Pfeil durch.

R11: Du siehst das richtig. Damit der npn-Transistor T3 linear arbeitet, braucht er an der Basis eine Spannung von ca. 0,7V (bei pnp-Transistoren sind's 0,9V). Dafür sorgt der R11. Wenn er kleiner gemacht wird, muss mehr Strom fliessen, bis die 0,7V erreicht werden. Ist er grösser, dann müssen nur ein paar Elektronen vorbeikommen, um ihn durchzuschalten; d.h. er reagiert viel zu empfindlich. Ohne geht's allerdings nicht, denn dann ist die Basis unwiderruflich auf 0V angekettet und in T3 rührt sich gar nichts mehr!

UB: UB ist die Wechselspannung vor dem Gleichrichter D1. ST1 und ST3 führen beide dieselbe Spannung. Ja, manchmal hat man beim Lesen von Schaltungen den Eindruck, dass die Autoren ihren Ruhm durch möglichst viele Namen vervielfachen wollen. Ob Vcc oder Vs - es ist immer die Speisespannung gemeint. Das sind in diesem Fall 5V.

C7,C8: Die Kombination aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren, von denen einer ein Elko ist, ist am Ausgang von Spannungsreglern üblich. Man erreicht dadurch eine besseres Aussieben von Restwelligkeit der Gleichspannung. Einfach immer so machen; es kostet nicht viel mehr, funktioniert aber dafür sicher.

- Bezüglich Deines Gesamtprojektes hatte ich auch schon so meine Bedenken: So ein Laserstrahl hat ohne zusätzliche Optik ja einen sehr kleinen Durchmesser. Jedenfalls viel kleiner als das Gesichtsfeld Deiner Kamera. Da muss so ein Insekt schon sehr genau zielen, um von Dir portätiert zu werden!

Ciao,

mare_

**Frank_R** · 19.02.2007, 19:47

Zitat von mare_crisium

Frank,

guter Entschluss, die Schaltung nachzubauen! Du wirst sehen, wie schnell Du dadurch den übertriebenen Anfangsrespekt vor der Elektronik los wirst

!

also meine erste Schaltung habe ich schon hinter mir

Waren zwar nur 7 Teile, aber trotzdem hat es eine Weile gedauert bis sie funktioniert hat.

"Schaltplan lesen" und "Verdrahten" sind zwei paar Schuhe!!

Mein Respekt gilt weniger der Schaltung, als vielmehr den Geräten die ich an die Schaltung evtl. anschliessen möchte!!

)

Poti: Vorsicht! Das Poti musst Du Dir wie einen zweigeteilten Widerstand vorstellen: Einer über und einer unter dem Schleiferabgriff. Die Summe beider Teilwiderstände ist immer gleich dem Nennwiderstand des Potis. Wenn Du den Schleifer bewegst, wird der eine Widerstand grösser und der andere schrumpft. Klar? Dadurch misst Du an Deinem Schleifer je nach Stellung eine andere Teilspannung, aber die Spannung über das Poti bleibt unverändert (solange Du über den Schleifer nicht unmässig Strom ziehst).
Deshalb kannst Du mit dem Poti R2 auch keinen Kurzschluss erzeugen. Was der Parallelwiderstand R12 soll, ist mir auch unklar; man hätte genausogut ein Poti mit 25k aber ohne Parallelwiderstand nehmen können. Siehe oben!

Mmm!
Dass das Poti am Schleifer am oberen Pin abnimmt und am unteren Pin zunimmt (oder vise versa) war mir klar. Allerdings dass man das Poti an allen DREI Pins anschliesst nicht?
Ich hab das Poti in meiner ersten Testschaltung, nämlich dieser, nur am Schleiferkontakt und einem Ende verbunden. d.h. aber auch, dass der Widerstand auf Null runter drehbar ist. Anders bringt es hier aber wohl nix?

In der ELV-Lichtschranke sind aber wohl alle drei Pins angeschlossen? Wobei das Poti hier als "fester" 50k Widerstand am Transistor-C wirkt, aber am C1 (Koppelkondensator) als Poti mit 50k-0Ohm.

Siehste! "Gut dass wir nachgefragt haben!"

Bei R8 entspricht die Schaltung Deiner Vorstellung: hier ist der untere Teil des Potis durch die Verbindung des Schleifers mit dem unteren Anschluss kurzgeschlossen. Jetzt wirkt nur noch der obere Teil des Potis und dessen Widerstand ist mit dem Schleifer einstellbar. Das entspricht genau dem (heutzutage nicht mehr üblichen) Bild von dem Widerstand mit dem Pfeil durch.

Muss man beim Poti R8 denn umbedingt die beiden Pins "Kurzschliessen"? Es geht doch auch nur einen "Endpin" und den Schleifer anzuschliessen?
Oder macht man das evtl. nicht, damit nicht zu viel Strom über den Schleifer läuft?

Ist die Darstellung der Widerstände in der Schaltung evtl auch stark veraltet, oder eher eine Amerikanische Eigenart? Eine ZickZack-Linie als Widerstand kann man leicht als Spule verwechseln

Ich hab das aber auch schon in vielen Datenblättern so gesehen?

R11: Du siehst das richtig. Damit der npn-Transistor T3 linear arbeitet, braucht er an der Basis eine Spannung von ca. 0,7V (bei pnp-Transistoren sind's 0,9V). Dafür sorgt der R11. Wenn er kleiner gemacht wird, muss mehr Strom fliessen, bis die 0,7V erreicht werden. Ist er grösser, dann müssen nur ein paar Elektronen vorbeikommen, um ihn durchzuschalten; d.h. er reagiert viel zu empfindlich. Ohne geht's allerdings nicht, denn dann ist die Basis unwiderruflich auf 0V angekettet und in T3 rührt sich gar nichts mehr!

Wie "OHNE" geht nicht?
R11 kann man doch auch weglassen, der eigentliche Basis-Widerstand ist doch der R10?

R11 ist doch nur so ein Zusatzdinges, mit der Funktion wie auf ELKO beschrieben:

"Fügt man R11 hinzu, dann bilden R10 und R11 einen Spannungsteiler. Dieser dient dazu, die Schaltschwelle über der des Transistors in Richtung +Ub zu erhöhen. Damit kann man den Signal/Stör-Abstand verbessern. Wichtig dabei ist, dass der Querstrom durch R10 und R11 gut drei mal so hoch dimensioniert ist, wie der Basisstrom sein müsste. Je grösser dieses Verhältnis ist, um so schärfer ist der Knick vom sperrenden zum leitenden bzw. gesättigten Transistor."

- Bezüglich Deines Gesamtprojektes hatte ich auch schon so meine Bedenken: So ein Laserstrahl hat ohne zusätzliche Optik ja einen sehr kleinen Durchmesser. Jedenfalls viel kleiner als das Gesichtsfeld Deiner Kamera. Da muss so ein Insekt schon sehr genau zielen, um von Dir portätiert zu werden!

Stimmt! Aber bei einem Abbildungsmasstab von 1:1 ist das Insekt genauso gross, als würde es auf dem 24x18mm grossen Chip "sitzen". Eine Wespe ist da schon Formatfüllend! Bei 2:1 ist alles Doppelt so gross! Und da es nicht nur darum geht, das Objekt in einem bestimmten "Sichtbereich" zu registrieren, sondern auch einen bestimmten Schärfepunkt von wenigen mm exakt zu treffen, muss das Lichtschrankenkreuz so klein wie möglich sein!
Da ein fliegendes Insekt locker schneller fliegen als ein Mensch rennen kann, sollte die Auslöseverzögerung der ganzen Elektronik am besten "Null" sein, weil sonst ist es gar nicht mehr auf dem Bild!

Dass man viel "Sitzfleisch" benötigt, bis endlich ein Insekt in das kleine Lichtkreuz findet ist mir klar! Es wird auf jeden Fall spannend!

Vielen Dank nochmal für deine ausführlichen Erläuterungen und vorallem für Deine Geduld!

ciao
Frank

**Frank_R** · 20.02.2007, 21:14

Zitat von mare_crisium

C7,C8: Die Kombination aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren, von denen einer ein Elko ist, ist am Ausgang von Spannungsreglern üblich. Man erreicht dadurch eine besseres Aussieben von Restwelligkeit der Gleichspannung. Einfach immer so machen; es kostet nicht viel mehr, funktioniert aber dafür sicher.

Scheinbar ist es egal, wo man den Elko einbaut? Vor oder Nach dem Regler. Jedenfalls bei www.mikrocontroller.net Stromversorgung ist er davor.

ciao
Frank