Zurück zum Menü 1
1.2.12 Der Reflexkoppler CNY 70

Erstellt: Winter 2006 / 2007


Um etwas berührungslos detektieren zu können bietet sich z.B. der Reflexkoppler CNY70 an. Er wird in vielen Selbstbaurobotern eingesetzt. In diesem Beitrag soll es aber nur darum gehen, ein vernünftiges Signal aus diesem Koppler "herauszukitzeln", das dann weiterverarbeitet werden kann.

Wenn wir z.B. das Datenblatt betrachten (Download PDF, 105kB), so werden wir feststellen, dass dieses recht "traurig" ausfällt. Daher werden wir uns nun ein wenig mit dem CNY 70 vertraut machen.

Nachdem wir ihn aus der Tüte ausgepackt haben, gucken uns 2 blaue "Augen" an:



Ein hellblaues und ein dunkelblaues. Hinten gucken vier "Füße" heraus. Obwohl das Datenblatt verspricht, dass auf dem Gehäuse ein weißer Punkt zur Kennzeichnung eines bestimmten Beinchens aufgedruckt sei, konnte ich bei meinem Exemplar keinerlei weißen Punkt erkennen.

--------------------------------------------------------------------
10.01.2012

Ein Leser hat dazu folgendes Bild gezeichnet:

Ansicht auf die Linsenseite:



"Beschriftung" ist die Seite des Kopplers mit dem Aufdruck.

Vielen Dank an Lothar S.

-------------------------------------------------------------------


Beschäftigen wir uns nun zunächst kurz mit dem internen Aufbau und der Funktionsweise des Kopplers.

Der Koppler besteht an der einen Seite aus einer LED, die in einer unsichtbaren Frequenz strahlt und an der anderen Seite aus einem Fototransistor, dessen Basisanschluss nicht herausgeführt ist. Die LED wirft ihr Licht durch die eine blaue Linse auf eine reflektierende Unterlage (z.B. weißes Papier). Die Unterlage reflektiert den Lichtstrahl zum Fototransistor durch die zweite blaue Linse hindurch. Die Linsen sind so eingefärbt, damit Fremdlicht möglichst wenig stört.

Zunächst also einmal das Schema:

 

So ähnlich wird das Licht von der Diode zum Transistor reflektiert.

Klar ist dabei, dass

1. der Abstand ungefähr stimmen muss
2. der Gegenstand genügend reflektieren muss

Aber nun kommen wir schon zu unserem ersten Problem:

Welche der vier Beinchen führen nun zur Diode und welche zum Transistor? Und wie herum ist das zu betrachen? Das Datenblatt sagt ja, dass sich ein weißer Punkt auf dem Gehäuse befinden soll. Aber auch bei gründlichster Untersuchung konnte ich keinen weißen Punkt finden.

Also habe ich den Koppler mit dem Multimeter durchgemessen und bin auf folgende Konstellation gestoßen:



Die Betrachtung der Linsenfarbe scheint wichtig, denn bei meinem Modell war weder Aufdruck noch weißer Punkt vorhanden.

Aus dem Datenblatt geht hervor, dass die Diode mit 50 mA betrieben werden soll und eine maximale Sperrspannung von 5 Volt hat. Der Transistor bringt maximal 1 mA "auf den Tacho" und ist also viel zu schwach, eine LED direkt zu treiben.

Daher habe ich mal folgende "Probierschaltung" entworfen:



Diese Schaltung hat zwar so leidlich funktioniert, aber der Transistor des CNY70 bringt einen so geringen Strom zustande, dass  er es nicht schafft, den 2N2222 voll durchzusteuern. Die LED leuchtet zwar, aber doch eher dürftig.

Hmm.

Auch ist es so, dass das Signal nicht "geschaltet" wird (keine steile Flanke hat), sondern weich erscheint, je nach Abstand eines weißen Blattes Papier, das man vor die Linsen hält.

Mist...

Das sieht so also alles noch nicht sehr gut aus. Wenn man die Schaltung so wie hier benutzen möchte, so sollte man einen Darlingtontransistor anstatt des 2N2222 einsetzen.

Ich benutze aber sehr gern das CMOS IC 4093 (Schmitt Trigger), und von CMOS-ICs weiß man, dass die sehr hochohmig sind, also ein sehr kleiner Eingangsstrom ausreichen könnte.  Außerdem würde es vielleicht aus dem kontinuierlichen Signal ein schönes Rechteck "zaubern". Wir könnten auch etwas mit der Spannung machen, irgendwie einen hochohmigen Pull-Up-Widerstand oder so...

Das wollen wir doch gleich mal sehen:



Uuups, wenn ich dachte hochohmig, dann rechnete ich doch nicht damit, einen 2,2 Megaohm Widerstand einsetzen zu müssen. Aber dieser Versuchsaufbau funktioniert einwandfrei, bei schwarzem Untergrund bleibt die LED dunkel, bei weißem Grund schaltet die Led bei etwa 5 mm Abstand ein.

Schön "scharfkantig", so wie unsere Digitalschaltung das haben möchte. Du kannst diese Schaltung bereits einsetzen, indem Du den Pin 3 des 4093 als Ausgang benutzt (orangener Kreis).

Möglicherweise ließe sich anstatt des CMOS 4093 auch gleich direkt ein Microcontroller anschließen. Es kommt dann jedoch darauf an, wie hochohmig seine Eingänge sind.

Zum Schluss hier noch einmal eine Impression des Steckbretts, es ist wirklich alles recht einfach steckbar:



Übrigens ist der CNY70 doch ein wenig empfindlich gegenüber Fremdlicht. Man sollte keine Lichtquellen direkt auf die Linsen richten, sonst "schaltet" der CNY70 durch.

Ein Versuch mit obiger Schaltung und diesem  Graukeil ergab folgende Einschaltschwelle:



Ich führte den Sensor von links her in Richtung Weiß über den Streifen. Bei der rechten Markierung schaltete die LED ein. Dann führte ich den Sensor zurück in Richtung Schwarz. Er schaltete bei der linken Markierung aus. Diese Hysterese ist typisch für das eingesetzte Schmitt-Trigger-IC 4093.

Aber oftmals ist ja eine Hysterese erwünscht.

Wenn man nun beispielsweise eine helle Papiermarke auf eine Motorwelle klebt und die Schaltung an einen Frequenzzähler oder Oszilloskop anschlösse, so könnte man die Drehzahl der Motorwelle bestimmen.

Auch viele Bastelroboter nutzen einen CNY70 Reflexsensor, um z.B. schwarzen Linien folgen zu können.

Aber Achtung, Jan (12) hat das Experiment mit dem Graukeil versucht und auch andere Stifte ausprobiert. Er hat dazu diesen Artikel ein wenig erweitert:

Autor Jan Mischnick (August 07)  :

Als mir  heute langweilig wurde, ging ich in den Bastelkeller und fand dort Papas neue Bastelei:

Die Reflexkoppler-Schaltung   auf dem Steckbrett.

Gerade eben saß ich vor dem Computer und habe mir eine Anleitung für einen Sicherheitsroboter aus LEGO angeschaut. Dieser funktionierte mit einem Code aus Strichen. Ich dachte: "Ob die olle LED das auch kann?!?" und holte mir ein Blatt Millimeterpapier und einen Stift. Ich zeichnete einige Striche und zog sie über  den "Scanner":

"Huch!" , dachte ich, als die LED aufleuchtete. Jedoch zeigte sie keine  Veränderungen, als die Striche über den Reflexkoppler liefen. Ich probierte das mal mit meinem Finger und auch dann leuchtete die LED. Nun nahm ich die Zange (die SCHWARZ war) und hielt sie darüber.

"Nanu!?!", sagte ich, denn die Leuchtdiode blieb dunkel.

Jetzt holte ich mir mehr Stifte und probiere ein wenig herum:



  • 1 : Ein Filzstift von Pelikan (colorella duo)
  • 2 : Ein gewönlicher Kugelschreiber
  • 3 : (von oben nach unten) Zeichenbleistift mit dünner Mine, brauner Buntstift, Baubleistift mit dicker Mine, "Fineliner" von Stabilo (Point 88)
  • 4 : Ein Edding (wasserfest, NR 780)
  • 5 : Eine gelbe Wachskreide (Lyra) und brauner Filzstift ("Maler" von Pelikan)
  • 6 : Nochmal Edding, grüner Fineliner (Point 88), blauer Kuli und nochmal der braune "Filzer"
  • 7 : Wird extra erklärt
Das habe ich herausgefunden:

Ich habe die Streifen eins bis fünf nacheinander über den Reflexkoppler gezogen und nur bei den Strichen von Nummer 4 wurde die rote LED dunkel. Auf Streifen 6 habe ich getestet, wie breit die Striche sein müssen, damit der Reflexkoppler sie erkennt. Die Schaltung spricht erst an, wenn die einzelnen Striche dicker als ca. 2 mm sind.

Nun zu Streifen # 7 :



Die Striche 1 - 3 sind mit dem Edding Nr. 780 gemalt.

Dann bemerkte ich, dass der Stift auslief und nahm stattdessen den "Fineliner" STABILO Point 88 (fine 0,4) für die restlichen Striche 4 bis 8.

Jetzt zog ich den Streifen über den Reflexkoppler und mir fiel auf, dass die Leuchtdiode nur bei den Strichen 1,2 und 3 aus ging.

Nun kam Papa, der Strippenstrolch, dazu, und ich erzählte ihm, was ich soeben herausgefunden hatte. Er sah sich den Streifen genauer an und sagte: "Guck' mal, diese Streifen glänzen ja!". Nun sah ich mir den Edding genauer an und endeckte folgenden Text:

"... lichtbeständig, deckend, vor Gebrauch schütteln ..."

"Ob das wohl was damit zu tun hat?", dachte ich und zeigte den Text dem Strippenstrolch und dieser sagte: "Achsooooo!  Also gibt es Schwarztöne, die das Licht reflektieren!"
"Das kann sein", sagte ich, "aber es kann auch sein, dass das 'Finelinerschwarz' das Infrarot des Reflexkopplers nicht schluckt und reflektiert."

In der Zwischenzeit habe ich ein bisschen mit dem Reflexkoppler gebastelt, und dabei ist diese Maschine herausgekommen:




Erklärungen:

  • 1 : Der "Lesekopf" CNY 70
  • 2 : Der CNY 70 liest den codierten Streifen (im Bild unten)
  • 3 : Der Blatteinzug
  • 4 : Die Maschine beim Probelauf
  • 5 : Die Schaltung von unten auf dem Steckbrett
  • 6 : Der Strichcodeleser im ganzen ...
  • 7 : ... und mit der Schaltung
  • 8 : Diese LED leuchtet bei den Strichen aus Edding auf (Nr. 9), aber bleibt bei den anderen Strichen  (Nr. 10) und den "Antikopierpunkten" (Nr. 11) aus einem anderen schwarzen Stift dunkel.

Die Schaltung für den Strichcodeleser:




Jetzt habe ich erneut einen Teststreifen angefertigt, um zu testen, ob der Codeleser dünnere Striche auch erkennt. Ich bin darauf gestoßen, dass man die Striche jetzt mindestens 2mm dick machen muss.








Zu diesem Artikel erreichte mich folgende E-Mail:



Hallo,

Bei Eurem Projekt 1.2.12 "Reflexkoppler" habt Ihr einen kleinen Fehler mit einer richtig heftigen Auswirkung:

Vom CNY70 gibt es 2 Varianten, die sich äußerlich praktisch nicht unterscheiden, aber bei dem Empfangstransistor Emitter und Kollektor getauscht haben !!!

Auf dem Foto ist der Typ von Vishay zu sehen ("V"), das Datenblatt ist von Temic. Und genau da liegt der Fehler. Die Sendediode wird in Eurem Aufbau mit 50mA betrieben, das macht Licht für ein ganzes Zimmer. Kinder würde ich nicht in den Strahl gucken lassen, da das menschliche Auge zwar kein Infrarotlicht sehen kann, trotzdem das Auge geschädigt werden kann!

Klemmt mal bei der "Probierschaltung" die falsch bezeichneten Kollektor/Emitter Anschlüsse um, dann werdet ihr sehen, die funktioniert. Und sogar mit 2-5mA LED-Strom!

Viele Grüße

Axel




Das ist wohl richtig so, und ich könnte nun den gesamten Artikel umschreiben, aber ihr könnt es ja selber ausprobieren.

Warum funktioniert der Koppler denn nun "rückwärts", als quasi mit vertauschtem Kollektor / Emitter?

Nun, das ist bei allen bipolaren Transistoren so, nur eben dass die Stromverstärkung rapide abnimmmt. Auch das könnt ihr mit einem 2N2222 probieren und werdet sehen, dass auch dieser Transistor "falsch rum" funktioniert.



Wir wünschen viel Erfolg beim berührungslosen Abtasten,

+  Jan


Nach oben            Zurück zum Menü 1

ml