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Letzte Bearbeitung: 03.03.2017, 06:19

1.2.20 Gabellichtschranke erkunden

Erstellt ab 28.01.2017

Letzte Woche erhielt ich einen freundlichen Telefonanruf eines Modellbahners mit der Bitte, eine Positionierung zu ersinnen, die besser sei, als seine derzeit eingesetzten Mikroschalter.
 
Gefordert ist eine Wiederholgenauigkeit von unter 1 mm bei einer Positionierungsaufgabe.
 
Der Modellbahner hatte bislang einen Gleichstrommotor mit Getriebe eingesetzt. Seine Mechanik beinhaltete an jeder Halteposition eines Modellbahn-Schattenbahnhofs (in Form einer Vitrine) einen Mikroschalter mit Springkontakt. Diese Endschalter wurden von einer Rolle tangential angefahren:
 
Im Original sieht das so aus:
 
(© 2 Fotos : Michael M.)
 
 
Zum einen sind diese Springkontakte nicht genau genug, und zum anderen verursacht eine Tangentiale Bewegung ja eine Multiplikation der sowieso schon vorhandenen Ungenauigkeit.
 
Eine tangentiale "Querfahrt" eines Schlittens ließe sich aber wohl am besten mit einer Lichtschranke detektieren:
 
 
Bei einer gewöhnlichen Lichtschranke käme man aber noch nicht auf die gewünschte Genauigkeit. Mann könnte dann mit einer Lochblende arbeiten, hätte aber immernoch das Problem des Fremdlichteinflusses.
 
Daher kam mir der Gedanke, eine fertige, kleine Gabellichtschranke einzusetzen, denn die in diesem Bauteil verbauten Komponenten sind bereits mit einem Tageslichtfilter ausgestattet, so dass es möglicherweise ohne weitere Elektronik und ohne Frequenzbeaufschlagung funktionieren könnte.
 
 Zum Einsatz für meine Experimente kommt die Lichtschranke TCST 2103 von Vishay.
 
Datenblatt TCST-2103 (ca. 85kB PDF)
 
Schauen wir und zunächst in zwei Ausschnitten des Datenblattes das Aussehen dieser Lichtschranke an:
 
          
 
Ich habe dieses Modell ausgewählt, weil es bastlerfreundliche Kunststofflansche zur Befestigung an jeder Seite hat und zudem ist es auch gut und haltbar beschriftet.
 
Im Datenblatt ist ein Vorwärtsstrom für die Sendediode von 60mA angegeben. Wir müssen den nötigen Vorwiderstand also auf diese 60 mA auslegen. Der Empfangstransistor liefert einen maximalen Strom von 100mA. Diesen Wert dürfen wir bei der Bastelei ebenfalls keinesfalls überschreiten.
 
Nun muss ich beim Modellbahner nachfragen, mit welcher Spannung er diese Lichtschranke betreiben möchte, um die richtigen Vorwiderstände berechnen zu können.
 
Bis ich das Anfrage-Ergebnis bekommen habe, zeige ich Euch hier die erste Ansicht der Lichtschranke:
 
 
Hier sieht man:
 
  • 1 USB-Stick zum Größenvergleich (mit etwas "Schleichwerbung")  ;-)
  • 1 Lichtschranke TCST 2103 (aaaah, lecker) :-)
  • 1 Tabak-Krümel (uuuups ...)
  • 1 Filzstift-Punkt (hoppla ...)
 ... hmmm ... ich muss echt sauberer arbeiten ...
 

19-02-2017 ==>

Ich habe noch einmal mit dem Modell-Eisenbahner telefoniert und dabei nannte er mir seine Spannungsversorgung. Es soll alles also mit einem 12 Volt Trafo betrieben werden.

Hierbei ist es nun nötig, die entstehende Spannung nach einer Brückengleichrichtung zu berechnen, damit wir den Diodenstrom richtig auslegen können.

Die formal ist recht einfach und auf deren Herleitung verzichten wir an dieser Stelle:

Ugl = Uin * Wurzel 2 ==> 12 Volt * 1,414 ==> 16,968 Volt

Wir berechnen also den LED-Vorwiderstand der Lichtschranke für 17 Volt:

URv = Uversorgung - ULED

Also:

URv = 17V - 1,2 V ==> 15,8 V

Am Vorwiderstand müssen also 15,8 Volt abfallen, um die Brennspannung der LED nicht zu überschreiten. Nun genügt uns das Ohm'sche Gesetz, um den Vorwiderstand für die 60 mA auszurechenen:

U = R * I

==>

R = U / I

Also:

R = 15,8 V / 0,06 A

==>

263,3333 Ohm

Diesen krummen Wert gibt es nicht, also wählen wir den nächst größeren Widerstand. Damit wir der LED-Strom ein wenig geringer, so dass wir "in trockenen Tüchern" sind.

Wir wählen also einen Vorwiderstand mit 270 Ohm !

Jetzt müssen wir aber noch einen Vorwiderstand für den Kollektor des Empfängertransistors heraus suchen. Für unsere ersten Versuche schalten wir eine LED an den Empfangtransistor. Eine normale LED darf aber nur mit maximal 20 mA betrieben werden. Das ist ein Drittel der Brennspannung der Sende-LED. Da das in diesen Bereichen soweit alles linear ist, wählen wir erstmal ein fach also einen Widerstand, der drei mal so groß ist, wie der "Sende-Widerstand"

Wir wählen für den ersten Versuch also 820 Ohm.

Das ist uns noch "zu krumm", also gehen wir in den sicheren Bereich und wählen 1k Ohm.

Daraus ergibt sich dieser erste Versuchsaufbau:

Hier wird der daraus entstandene Versuch durchgeführt:

 

 

Um ein scharfes Ein- und Ausschalten (steile Flanke) der LEd zu bekommen, habe ich zu einem Relais geriffen, was eine Art Schmitt-Trigger-Effekt hat. Der folgende Versuch zeigt dann schon fast das fertige Ergebnis:

 

 

 

20-02-2017 ==> 

Wie im Video versprochen, habe ich nun also den Schaltplan für die zweite Versuchsanordnung gezeichnet. Wichtig ist noch zu erwähnen, dass der Vorwiderstand R1 eine Leistungsklasse von 1 Watt haben sollte. Der Widerstand, der im Video zu sehen ist, ist etwas zu "schwach auf der Brust" und wurde doch teuflisch heiß.

Hier nun also der Schaltplan:

 
Fortsetzung folgt.
 
 
 
 

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