In diesem Beitrag werden einige Anwendungsbeispiele optischer Sensoren aufgezeigt. Diese Schaltungen sind einerseits recht einfach gehalten, damit sie schnell und unkompliziert auf einem Breadboard aufgebaut werden können. Andererseits können sie aber durchaus auch als praktische Hilfen im Alltag eingesetzt werden.
Die folgenden Abbildungen zeigen die praktische Ausführung eines Nacht- oder Notlichts.
Solche Geräte kommen oft in Tiefgaragen, Tagungszentren oder großen Hotels zum Einsatz.
Wenn es in solchen Gebäuden zu Stromausfällen kommt, muss natürlich eine Panik verhindert werden.
Ein probates Mittel um eine solche Panik zu verhindern, ist eine automatische Notbeleuchtung. Diese wird mit Akkus betrieben und schaltet sich automatisch ein, wenn die Hauptbeleuchtung ausfällt.
Das Schaltungsprinzip ist sehr einfach:
Wird der LDR beleuchtet, so sinkt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors unter 0,6 V und der Transistor sperrt.
Die LED kann nicht leuchten. Sobald aber der Lichteinfall auf dem LDR zu gering wird, steigt die Spannung an der Basis des Transistors an, der Transistor beginnt zu leiten und die LED leuchtet. Als Transistor ist jeder Universal-npn-Typ geeignet, der mindestens 100 mA Kollektorstrom verträgt.
Der Wert des 10kOhm Widerstands kann etwas variiert werden um die Schaltschwelle zu optimieren. Der 22 Ohm Widerstand begrenzt den Strom durch die Leistungs-LED auf unschädliche Werte.
Um eine ausreichende Lichtstärke zu erreichen, wurde hier eine High-Power-LED eingesetzt. Eine entsprechende LED ist z. B. im Lernpaket Hochleistungs-LEDs enthalten
. Obwohl die LED hier nur mit ca. 50 mA betrieben wird (maximal wären bis zu 350 mA zulässig!), liefert sie ausreichend Licht um einen kleinen Raum zu beleuchten.
Als Spannungsquelle kann beispielsweise ein Steckernetzteil mit einer Spannung von ca. 5 V verwendet werden.
Mit der im den Bildern sichtbaren Plexiglashaube kann die hier gezeigte Ausführung im Privatbereich durchaus als praxistaugliches Nachtlicht eingesetzt werden.
Einfaches Testgerät für IR-Fernbedienungen
Ein sehr einfaches, dennoch aber praktisches Testgerät für IR-Fernbedienungen zeigt der folgende Aufbau.
Der IR-Empfänger SFH5110-36 enthält neben dem optischen IR-Sensorelement auch einen integrierten Verstärker sowie einige Filterstufen.
Dadurch wird das Bauelement sehr unempfindlich gegenüber Umgebungslichtschwankungen. Die Filter sind genau auf die bei Fernbedienungen übliche Trägerfrequenz von 36 kHz abgestimmt. Dadurch kann selbst mit diesem einfachen Aufbau bereits eine beachtliche Reichweite von einigen Metern erzielt werden. Da der Träger natürlich mit den Codesignalen der Fernbedienung (Lautstärke, Kanalwechsel etc.) moduliert ist, blinkt die LED am Ausgang des Empfängerbausteins im Rhythmus dieser Signale, wenn der Empfänger mit einer Fernbedienung angestrahlt wird.
Mit einem Spezial-IC oder aber auch mit einem entsprechend programmierten Mikrocontroller wäre die Decodierung der IR-Signale problemlos möglich. Die Schaltung muss mit 5 V versorgt werden.
Reflexionslichtschranke
Für mobile Roboter, aber auch in Industriesteuerungen, in Druckern oder DVD-Laufwerken sind Reflexionslichtschranken weit verbreitet. Das Prinzip dieser Lichtschrankenart beruht auf der Rückreflexion des Lichtes von einer Oberfläche.
Diese Technik ermöglicht also beispielsweise das Erkennen von Objekten durch bewegliche Roboter. Wenn diese mit einer Reflexionslichtschranke ausgestattet sind, können sie Objekte in ihrem Fahrweg erkennen und ausweichen.
Die hier vorgestellte Version ist sehr einfach aufgebaut. Eine weiße LED liefert das erforderliche Licht, das von einem Fototransistor detektiert wird. Werden die beiden Bauelemente wie im Aufbaufoto gezeigt, nahezu parallel ausgerichtet, so blickt der Fototransistor praktisch „ins Leere", wenn kein Objekt in der Nähe vorhanden ist.
Die Anzeige LED bleibt dunkel. Wenn nun ein weißes Blatt Papier in einem Abstand von einigen Zentimetern vor LED und Fototransistor gehalten wird, so wird das vom Papier reflektierte Licht vom Fotosensor detektiert und die gelbe Anzeige-LED leuchtet auf.
Wichtig ist, auf die Polung des Phototransistors zu achten. Falls die Schaltung also nicht funktioniert, ist es immer eine gute Idee, diese Polung zu Überprüfen und den Phototransistor probeweise umzupolen.
Da diese Reflexionslichtschranke mit Gleitlicht betrieben wird, reagiert sie natürlich auch sehr empfindlich auf Umgebungslichtschwankungen. Am besten führt man die Versuche daher in einem abgedunkelten Raum aus. Wie bei der IR-Fernbedienung bereits angedeutet, könnte man die Umgebungslichteinflüsse deutlich reduzieren, indem man anstelle des Gleitlichtes moduliertes Licht verwendet.
Auf der Empfängerseite könnte man dann mit entsprechenden Filtermethoden das Sendersignal sehr selektiv zurückgewinnen und vom Umgebungslicht trennen. Im Lernpaket „Sensortechnik" [2] wird übrigens eine wesentlich empfindlichere Reflexionslichtschranke vorgestellt, die sogar die Messung von Objektabständen erlaubt.
Man kann übrigens auch eine gewöhnliche LED als Lichtsensor einsetzen. Die Lichtausstrahlung kann nämlich bei Halbleitern auch umgekehrt werden. Man spricht hier auch von einem „reversiblen" Vorgang. Einige interessante Experimente hierzu sind zu finden.
Detektor für modulierte Lichtquellen
Die nachfolgende Schaltung zeigt eine sehr interessante Anwendung des Phototransistors BPW40 (= Tf im Schaltbild). Dieser Aufbau erlaubt es, die Modulation einer Lichtquelle hörbar zu machen.
Es ist überraschend, wie viele modulierte Lichtquellen es in einem normalen Haushalt gibt. Die naheliegendste Quelle ist natürlich die normale Zimmerbeleuchtung. Da das Stromnetz in Europa mit einer Wechselspannungsfrequenz von 50 Hz. betrieben wird, „leuchtet" jede daran angeschlossene Glühbirne 100 mal pro Sekunde auf.
Die doppelte Frequenz ergibt sich, da die Lampe nicht zwischen positiver und negativer Sinus-Halbwelle unterscheiden kann. Die Glühwendel leuchtet, egal in welcher Richtung sie vom Strom durchflossen wird.
Wenn man also den Fototransistor mit dem Licht einer normalen 230 V Glühlampe beleuchtet, so ertönt ein kräftiges 100 Hz-Brummen aus dem Lautsprecher.
Beleuchtet man den Sensor anstelle der Glühlampe mit einer Energiesparlampe oder einer Leuchtstoffröhre, so klingt das Brummen deutlich unharmonischer. Da diese Lampentypen in ihrer Lichtstärke nicht dem sinusförmigen Verlauf der Wechselspannung folgen, sondern 100 mal pro Sekunde „gezündet" werden, ist im Lautsprecher auch kein harmonischer Brummton zu hören sondern ein knatterndes Geräusch.
Äußerst aufschlussreich ist es, wenn man mit diesem Detektor auch andere Lichtquellen untersucht. So liefern z. B. die Ziffernanzeigen von netzbetriebenen Digitaluhren oder Radioweckern oft ein unerwartetes Klangbild. Diese Anzeigen arbeiten praktische immer im Multiplexbetrieb, d. h. dass nicht alle aktiven Anzeigesegmente gleichzeitig leuchten, sondern in schneller Folge nacheinander eingeschaltet werden. Erst durch die Trägheit des menschlichen Auges entsteht der Eindruck einer gleichmäßig leuchtenden Ziffer. Da in diesem Falle das Ohr schneller ist als das Auge, kann man also die Multiplexfrequenz nicht sehen, wohl aber mit unserem Detektor hörbar machen.
Monitore und Fernsehgeräte liefern ebenfalls komplizierte Tonmuster. Das Vergleichen von Bildröhrengeräten mit Flachbildschirmen stellt hier beispielsweise ein weites und interessantes Experimentierfeld dar.
Die Signale von IR-Fernbedienungen sowie von IRDA-Schnittstellen von Laptops, Mobiltelefonen und PDAs können ebenfalls detektiert werden und liefern oft überraschende Tonsignale.
Die folgenden mp3-Dateien sollen einen ersten Eindruck über die Vielfältigkeit der Modulationsformen von Lichtquellen geben, die in den meisten Haushalten zu finden sind:
Download: Soundbeispiele
1) Glühlampe: 230_V_Glühlampe.wav
2) Energiesparlampe: Energieparlampe.wav
3) Ziffernanzeige eines Radioweckers: LED_Display_Radiowecker.wav
4) Flachbildschirm: Laptop-Bildschirm.wav
5) IR-Fernbedienung: IR-Fernbedienung.wav
6) IRDA-Schnittstelle eines Laptops: IRDA-Schnittstelle.wav
7) IR-Fernsteuerung: IR-Fernsteuerung.wav
Die downloadbaren WAV-Dateien enthalten die entsprechenden Geräuschbeispiele.
Hinweis: Bei nicht mehr ganz frischen Batterien neigt diese Schaltung zum Schwingen. Dies ist ein weit verbreitetes Phänomen, das bei Verstärkerschaltungen häufig auftritt. Durch das Zusammenbrechen der Betriebsspannung kommt es zu Rückkopplungen, sodass auch bei natürlichem, d. h. unmoduliertem Licht ein Pfeifen im Lautsprecher hörbar ist.
Durch Entfernen der Verbindung zwischen Pin 1 und 8 kann die Verstärkung des LM386 soweit reduziert werden, dass diese Rückkopplung in den meisten Fällen verschwindet. Allerdings wird dann natürlich auch die Signallautstärke entsprechen geringer.
Die passende Ergänzung zu diesem Artikel:
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