Thema: Vergleich und Handhabung verschiedener Lichtschranken Leonard Wiesen 12. Januar 2007

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Die Lichtschranke in der Anwendung

Eine Lichtschranke (LS) ist ein optisch/elektronisches System, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Sensor. Dabei kann man unterscheiden zwischen Einweglichtschranken , bei denen der Sensor direkt von der Lichquelle beleuchtet wird, und Reexlichtschranken, bei denen beide Bauteile eng beieinander liegen und das Licht mit einem Reektor zum Sensor zurückgeworfen wird. Der Verwendungszweck liegt darin, Unterbrechungen des Lichtweges zu registrieren, wobei es ein Ausgangssignal liefert, welches mit einem anderen Messgerät weiter verarbeitet wird. Im Falle eines TTL - Signals (bei den Leybold - LS nicht der Fall) kann man zum Beispiel eine einzelne LS an einen Frequenzzählen anschlieÿen und somit die Zahl der Durchgänge eines Pendels durch den Lichtweg pro Zeiteineit und somit die Pendelfrequenz messen. Es ist allerdings auch möglich mit Hilfe eines Frequenzgenerators und eines Frequenzzählers die Dauer der Lichtwegunterbrechung zu messen, und somit z.B. die Geschwindigkeit eines Objektes (dessen Abmessungen bekannt sind) zu messen. Um die Genauigkeit einer solchen Geschwindigkeitsmessung zu erhöhen kann man die zu vermessende Wegstrecke verlängern (was eine längere Zeitmessung und somit einen kleineren relativen Fehler zu Folge hat) indem man zwei LSen ein einem festen Abstand zueinander stellt und den Zeitunterschied der beiden Durchgänge misst.

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Zum TTL - Signal

TTL - (Transistor - Transistor - Logik) Signale werden im Allgemeinen bei logischen Schaltungen verwendet. Dabei handelt es sich um ein Rechteck - Signal, welches zwischen ca. 0 und 5 Volt springt. 0 bzw. 5 Volt werden als logische Signale mit 0 bzw. 1 , low bzw. high oder auch mit FALSE bzw. TRUE bezeichnet. Logische Schaltelemente sind i.d.R. derart aufgebaut, dass eine Eingangsspannung UE < 0, 8V als 0 / FALSE und UE > 2V als 1 / TRUE erkannt wird und typischerweise eine Ausgangsspannung von UA < 0, 4V bzw. UA > 2, 4V liefern.

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3 3.1

Wichtige Bauteile einer Lichtschranke Photodiode

Wenn Licht auf den p-n-Übergang der Photodiode trit werden in der Raumladungszone der Diode Elektron-Loch-Paare erzeugt. Dies erzeugt einen Photostrom, der mit einen Operationsverstärker verstärkt ein Ausgangssignal liefert. Somit ist es möglich die Ereignisse unterbrochener und nicht unterbrochener Lichtweg in ein elektrisches Signal umzusetzen. Dabei ist es wichtig, dass die Photodiode in einer Versenkung hinter einer Blende eingebaut ist, so, dass sie ausschliesslich von der Lichtquelle der LS beleuchtet wird. 3.2

Flip Flop

Ein Flip Flop ist eine logische Schaltung (erkennt und liefert somit TTL - Signale), die es ermöglicht Informationen zu speichern. Bei der LS wird er dazu verwendet bei Unterbrechung der ersten Schranke ein Signal zu liefern und es erst zu beenden, wenn die zweite Schranke Unterbrochen wird, bzw. jeweils wenn die Unterbrechung aufgehoben wird. In Abbildung 1 sind die Signale der LSen mit A und B bezeichnet. Am Spannungsdiagramm erkennt man, dass A die setund B die reset-Rolle übernimmt.

Abbildung 1: Flip Flop

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Vergleich unterschiedlicher Anbieter

4.1

Leybold

Abbildung 2: Leybold Lichtschranke 4.1.1

Bedienung

Versorgerspannung: 6 V Wechselspannung oder 12 V Gleichspannung Stromaufnahme: 0,2 A

Abbildung 3: Ausgangssignal Die Versorgerspannung wird mit einem Wechsel-/ Gleichspannungsnetzgerät über die beiden schwarzen (einer davon mit rotem Tape) Bananenstecker angelegt, die mit einem 6-pol Stecker (davon 2 nicht genutzt) an die LS angeschlossen werden. Die beiden Anderen (grau und rot) werden an das Leybold Messgerät angeschlossen, je nachdem, ob man eine Frequenz, Zeit, Durchgangszahl, mit einem oder zwei LSen messen will (nachzulesen in der Bedienanleitung). Mit dem Messgerät lassen sich Frequenzen, Durchgänge und Zeiten messen und auch die Durchgänge mit einem akkustischen Signal hörbar gemacht werden. Zudem ist ein Anschluss mit Hochspannung eingebaut (VORSICHT!), mit dem man ein Zählrohr anschliessen kann (z.B. Geiger-Müller). 4.1.2

Vorteile

• sehr vielfältige Nutzungsmöglichkeiten in einem Gerät vereint • recht einfache/benutzerfreundliche Bedienung/Aufbau • gut sichtbare, grosse Digitalanzeige • ausführliche und verständliche Anleitung mit Vorschlägen für experimentelle Anwendungen 3

4.1.3

Nachteile

• die Lichtschranken sind nur mit Leybold-Geräten kompatibel, da sie kein TTL - Signal sondern eine sinusförmige Wechselspannung (ca. 50 Hz) liefern, auf die das Leyboldmessgerät eingestellt ist. Dadurch müssten auch Messfehler bei höheren Frequenzen auftreten. • unpraktische Halterung • relativ geringe Messgenauigkeit (4 Stellen) 4.2

NEVA

Abbildung 4: NEVA Lichtschranke 4.2.1

Bedienung

Versorgerspannung: 5V Gleichspannung Stromaufnahme: 0,2 A

Abbildung 5: Ausgangssignal Die NEVA Lichtschranken schlieÿt man mit 5V Netzteilen an der Steckdose an (VORSICHT, diese sind nicht Kurzschlussfest!). Für die NEVA - LSen gibt es kein eigenes Messgerät. Daher ist es nötig zur Zeitmessung einen Frequenzzähler und einen Frequenzgenerator nutzen (vergleiche dazu Vortrag von Florian Gärtner). Bei der Zeitmessung mit zwei LSen ist es nötig, eine an den set Eingang und die Andere an den reset Eingang eines Flip Flop
s anzuschliessen. Dessen Ausgangssignal wird nun zur externen Triggerung an den Frequenzzähler angeschlossen.

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4.2.2

Vorteile

• die NEVA Lichtschranken besitzen 6 Lichtwege, was eine Justierung meist, z.B. bei fallenden Objekten, erleichtert • durch die fehlende Festlegung zusätzlicher Messgeräte, kann man die LSen mit verschiedenen anderen Geräten koppeln • dadurch wird auch der Aufbau der Meÿschaltung sichtbar gemacht • mit Frequenzgenerator und -zähler lassen sich hohe Messgenauigkeiten realisieren 4.2.3

Nachteile

• recht unübersichtlicher Aufbau • Notwendigkeit meherer zusätzlicher Geräte 4.3

PHYWE

Abbildung 6: PHYWE Lichtschranke 4.3.1

Bedienung

Versorgerspannung: 5V Gleichspannung Stromaufnahme: 0,2 A

Abbildung 7: Ausgangssignal Die Versorgerspannung wird, wie bei der NEVA LS, über 5V Netzteilen angeschlossen. Eine LS besitzt eine eingebaute Anzeige und einen Schalter mit der Einstellung Zählen, Zeit- und Frequenzmessung. Will man eine zweite LS zur Zeitmessung verwenden muss man diese mit einem Koaxialkabel an die erste LS anschliessen. 5

4.3.2

Vorteile

• durch die eingebaute Anzeige und Flip Flop ist der Aufbau sehr übersichtlich und unkompliziert 4.3.3

Nachteile

• durch die eingebaute Anzeige ist die Messgenauigkeit relativ gering (4 Stellen) • bei Zeitmessungen springt der Zähler von 10 Sekunden auf Null zurück • die Anzeige ist sehr klein 4.4

Marke Eigenbau

Abbildung 8: Eigenbau Lichtschranke Die in einem Elektronik-Praktikum hergestellten LSen sind dem Prinzip der NEVA - Geräte nachempfunden. Deren innere Elektronik und somit die Benutzung sind daher gleich. Jedoch werden andere Kabel verwendet und für die Spannungsversorgung sind selbst-gebaute Transformator-Boxen vorhanden.

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