Wie baut man eine Lichtschranke?

Das ist eigentlich keine triviale Frage, weil es von der vorhandenen (Mess-) Aufgabe abhängt.

Es gibt eine Vielzahl von sehr verschiedenen Aufgaben:

Für den Bau von Lichtschranken stellt uns die Industrie opto-elektronische Bauelemente wie Fotodioden und Fototransistoren als Detektoren bereit. Als Signalquellen kann man entweder normale Glühlampen oder, viel langlebiger, LEDs, vorzugsweise als Infrarot LED (IRED), verwenden.

Fotodiodes und Transistoren

Fotodioden und Fototransistoren:

Fotodioden werden in Sperrrichtung betrieben. d. h. die Kathode zeigt in Richtung des Plus-Pols einer Schaltung. Im Dunkeln hat der pn-Übergang der Diode einen sehr hohen Widerstand wie auch bei normalen Dioden. Fällt Licht auf diesen pn-Übergang, dann werden Ladungsträger freigesetzt und der Widerstand sinkt, proportional zur Beleuchtungsstärke. Der Widerstand sinkt dann in den Bereich von einigen 100 kOhm bis zu einigen kOhm, je nach Typ und Beleuchtungsstärke.

Bei Fototransistoren liegt ein npn-Transistor vor, dessen Basis-Kollektor-Diode lichtzugänglich ist. Es gilt dasselbe wie zuvor über Fotodioden gesagt. Während bei der Diode der Durchlassstrom direkt über die Anode abfließt, wird beim Transistor der Abfluss über die Basis-Emitter-Diode erreicht, und dieses ruft, transistor-gemäß, einen verstärkten Kollektorstrom hervor. Ein Fototransistor reagiert deshalb empfindlicher auf die Beleuchtungsstärke bzw. deren Änderungen.

(Infrarot) LEDs:

Infrarot-LEDs werden wie normale LEDs in Durchlassrichtung betrieben.

Gezeigt ist eine (beliebige) Auswahl aus dem Marktangebot, wahrscheinlich alle von OSRAM, aber genau nicht feststellbar: Im Gegensatz zu allen anderen Elektronikkomponenten sind Opto-Halbleiter nie signiert! Warum auch immer? IRL 81A ist eine Infrarot-Emitting-Diode (IRED) in der sogenannten „Side-Looker“ Bauweise, d. h. sie strahlt eingelötet zur Seite und nicht entlang der Lötspieße. Charakteristisch neben der Bauform das leicht rosa gefärbte Gehäuse. LPT 80A ist der „passende“ Fototransistor im klaren Gehäuse. Der SFH 3100 F ist ein Fototransistor mit einem Tageslicht-Filter-Gehäuse ebenfalls als Side-Looker. Der BP 103B ist ein (schon betagter) Fototransistor, durch Abknicken der Lötspieße ebenfalls zu Side-Looker umfunktioniert. (Dieser Transistor verschwindet zur Zeit, weil, nach alten SIEMENS-Datenblättern, im April 1995(!) in SFH 300 umbenannt worden.) Die BPW 34 ist eine ebenfalls seit Jahrzehnten verfügbare IR-Fotodiode, hier durch Anlöten von zwei Drähten auch zum Side-Looker umgebaut. Bei OSRAM bewegt sich zur Zeit sehr viel in Sachen Opto-Halbleiter, es kann deshalb sein, dass die Informationen hier schnell veraltet sein könnten.

Anschlüsse heraus finden? Entweder in die Datenblätter gucken. Oder, es geht auch, bei unbekannten, vielleicht ausgebauten, Teilen so:

Man schaltet einen 1k-Widerstand in Reihe und legt dann eine Gleichspannung von 10 V - 12 V an. Damit ist der Strom auf 10 mA begrenzt. Jetzt misst man im Hellen (z. B. Sonne) die Spannung über der Komponente. Ist diese gleich der Versorgungsspannung, so ist diese falsch herum angeschlossen und gesperrt. Versorgung oder Komponente umpolen und erneut messen.

Immer noch Versorgungsspannung? Komponente wahrscheinlich defekt oder sehr hochohmige Fotodiode.

Komponente mal z. B. mit der hohlen Hand abschatten. Steigt die Spannung?

Nein, und ist diese Spannung 1 V - 1,3 V, so haben wir eine IRED, aber wissen den Typ und damit auch die maximal zulässige Strombelastung nicht. Nicht über 20 mA Dauerstrom hinausgehen.

Ja, dann haben wir eine Fotodiode oder Fototransistor vorliegen. Fototransistoren reagieren auf Änderungen der Beleuchtungsstärke viel empfindlicher als Fotodioden.


Meine Startsituation: Sucht man im WEB herum, so findet man eine Reihe von Anleitungen zum Bau einer Lichtschranke. Die Meisten sehen im Kern so aus wie auf nebenstehendem Bild gezeigt. Aber wie so oft: Hier, bei mir, ging es nicht! Der Sender strahlt ein gepulstes Signal aus, aber über dem LPT80 als Empfänger war mit dem Oszilloskop nichts zu sehen!

Erst als ich, mehr aus Versehen, die Anordnung von der 20 W - Halogen - Schreibtischlampe abschattete, zeigten sich, schwach, Reaktionen auf das Pulssignal. Der Fototransistor war durch das Umgebungslicht total geblendet, also gesättigt und konnte die Änderungen der Beleuchtungsintensität durch das Impulssignal überhaupt nicht detektieren.

Schlussfolgerung: Für Lichtschranken-Empfänger gilt "Im Dunkeln ist gut munkeln". Der hohe Dunkelwiderstand (mehrere M-Ohm) des Sensors ist das Wichtigste, als Schalter betrachtet, der "AUS"-Zustand. Der Einfall von Licht, der "EIN"-Zustand, bedeutet je nach Intensität ein Wert im Bereich von mehreren hundert k-Ohm bis auf wenige Ohm.

Aber warum geblendet, wir haben doch einen Infrarot-Fototransistor? Wirklich? Ein Blick ins Datenblatt des LPT80A zeigt die Ursache, die Kennlinie für die "Relative Spektrale Empfindlichkeit" zeigt die volle Breite der Empfindlichkeit: Sie steigt im sichtbaren Spektrum (grob: 400 nm - 800 nm) gewaltig an mit einem Maximum im nahen Infrarot-Bereich bei 850 nm, um dann wieder stark abzunehmen. Integriert man diese Kurve und interpretiert das Ergebnis, dann liegt - geschätzt, nicht nachgerechnet - mehr als die Hälfte der Empfindlichkeit im sichtbaren Licht. Das muss nicht schlecht sein, denn dieses Verhalten erlaubt auch die Verwendung "normaler" Lichtquellen. Im Schein einer 20 W Lampe im Abstand von 40 cm, ist dann, wenn man auch noch einen ungünstigen Winkel erwischt, die Blendung erklärt.

Lässt sich dieses Problem durch einen IR-Empfänger mit einem "schwarzen" Gehäuse als Tageslichfilter umgehen? Teilweise, siehe Schlussfolgerungen unten! Der Farbstoff mag den sichtbaren Teil des Spektrums dämpfen und sieht deshalb auch Schwarz aus, aber es ist eben nur ein Filter und keine Sperre. Ein Filter hat immer sogenannte Nebendichten und diese dämpfen ein Signal auch in dem Bereich, der eigentlich durchgelassen werden soll. Näheres zum SFH 3100F links und unten. Außerdem: Tages- und (Glühlampen-) Kunstlicht hat einen erheblichen Infrarot-Anteil.

Alle mir vorliegenden "schwarzen" Lichtsensoren (mehr als die hier erwähnten) zeigen mit einem Multimeter im Widerstandsmessbereich im Sonnenlicht vollen Durchgang an. Also wäre vielleicht die Bezeichnung Tages-Streulicht-Filter korrekter.

Der SFH3100F hat ein Empfindlichkeitsmaximum bei 950 nm. Als Beispiel ist rechts aus den Datenblättern der Frequenzbereich der IRL81A und der LD274 zusammengetragen und gezeigt. Die Bereiche haben so gut wie keine Überlappung. Trotzdem wird der LPT80A auch auf die LD274 reagieren, aber etwas schwächer. Vorsicht: Die Y-Achse mit den Prozentangaben gelten für das markierte Bautail alleine und sind nicht zu einem Vergleich geeignet, d. h. es ist nicht ausgesagt, dass die Abstrahlungsintensität beider IREDs und die Empfindlichkeit beider Fototransistoren jeweils gleich sind.

Quelle für obige Diagramme: Datenblätter der OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Auszüge bearbeitet und ergänzt durch Verfasser

Eine Testschaltung: Ein Rechtecksignal am Ausgang eines CMOS-Gatters wird durch einen Transistor gepuffert und führt zu einem gepulsten Strom durch die IRED. Liegen die 4k7 in Reihe, dann fließen ca. 2,5 mA, bei 470 Ohm ca. 25 mA. Das ist grob gerechnet! Nimmt man die 25 mA als Standard für die IRED, so stellt die 2,5 mA Versorgung eine virtuelle Verlängerung der Schrankenweite dar.

Für eine Schrankenweite von 25 mm bei 25 mA simulieren die 2,5 mA eine Weite von ca. 80 mm.

R3 und R4 sind die Arbeitswiderstände für den untersuchten Fototransistor bzw. die Fotodiode. Das auftrefende Licht erzeugt einen proportionalen Kollektorstrom, der an R3 oder R4 einen Spannungsabfall erzeugt. Je höher dieser Widerstand ist, umso empfindlicher ist die Reaktion: Eine Stromänderung von 100 µA ruft an 100 kOhm 10 V hervor, an 10 kOhm nur 1 V. In den allermeisten Fällen wird ein Fototransistor so beschaltet sein.

Wie man unten sehen kann, haben die Fotohalbleiter ein signifikantes kapazitives Verhalten (s. z. B. Diagramm[1]), was auch noch von VCE abhängt: Bei niedrigen Werten ist diese Pseudokapazität hoch und nimmt mit steigender Spannung signifikant ab.


Dieses Diagramm zeigt, wie brutal der Abstand IRED - Sensor die Intensität steuert. Die Intensität folgt, weil sich die Strahlung des IRED auf einer Kugeloberfläche verteilt, 1/L2, mit L = Abstand IRED - Sensor.

Haben wir beim Abstand "1" die Intensität "1" = 100%, dann führt eine Vedopplung zu nur noch 1/4, eine Verdreifachung zu 1/9 der Ursprungsintensität. "1" entspricht oben 25 mm.

Der einzige Trost ist, dass der lineare Verlust an Intensität mit der Entfernung immer geringer wird, das wenige, was überbleibt wird um einen immer geringeren absoluten Betrag reduziert.

Im folgenden werden drei Situationen dargestellt: Das Verhalten der "nackten" Lichtschranke im Licht der 20 W Schreibtischlampe, mit einer unten offenen Abdeckung aus lichtundurchlässigem Karton, wo nur unten Streulicht eindringen kann, und schließlich das Ganze zusätzlich mit der Hand abgedeckt. 
Die folgenden Diagramme sind mühsam aus Einzelmessungen per Bildverarbeitung zusammengesetzte Ergebnisse (bei denen leider die Bedeutung von Rot und Grün nicht homogen ist.)
Die blaue Rechteckkurve ist die Basisspannung an T1. Links haben wir den Rest der Hellphase und mit dem Sprung nach unten, 0 V, beginnt die Dunkelphase. Das ist in Diagramm [6] durch die graue Fläche in der Mitte angedeutet. In der rechten Hälfte sieht man mit dem Sprung der blauen Kurve zurück auf +12 V den Dunkel-Hell-Übergang. Die Frequenz des Rechtecksignals beträgt 270 Hz, bedingt durch die ansteigenden Kurven in Diagramm [1], denn damit begann die Messreihe. Die Dunkelphase dauert 1,85 msec.
Von unten nach oben sieht man in den roten und grünen Kurven die Messungen in den drei Messarten wie oben auf den Bildern gezeigt. Ist der Fototransistor geblendet, dann liegt die Kurve auch in der Dunkelphase auf 0 V. Das ist in Diagramm [3] gezeigt, bei den anderen Diagrammen [1], [2] nicht. Die jeweiligen Kurven liegen immer in der Reihenfolge der obigen Bilder nach oben in den Diagrammen.
Links in Diagramm [6] ist der Einfluss des Fremdlichts durch einen Farbverlauf angedeutet. Dieser wird gemäß der Abschattung wie oben gezeigt immer geringer.
Gemessen wurde die Spannung über dem Fototransistor.
Mit Arbeitswiderstand 100 kOhm:
Diagramm [1]
Es sind nur zwei Kurven zu sehen, weil ohne Abdeckung die Spannung über dem Fototransistor LPT80A nicht feststellbar war. Der Fototransistor ist geblendet. Die erste Kurve von unten ist der Fall mit der Papp-Abdeckung und die obere Kurve die zusätzliche Abdeckung mit der Hand. Rot ist die Kurve mit 25 mA Speisestrom, und grün die Simulation der längeren Lichschranke mit 2,5 mA.
Zu sehen ist, dass der Hell-Dunkel Übergang eine deutliche Verzögerung*
erleidet, während der andere Übergang bei der hohen Beleuchtungsstärke fast verzögerungsfrei erfolgt und bei der niedrigen auch etwas dauert.
Für alle drei Zustände ist der Fototransistor im Hellen ausreichend durchgesteuert.
* Analysiert man die obere Kurve, so ergibt sich eine Zeitkonstante τ = 400 µs. Das ergibt mit
τ = R * C bei R = 100 k einen Wert von 4 nF für C. Für ein RC-Glied 100k - 4 nF wurde eine Einschaltkurve gerechnet und ist hier violett eingesetzt. Die Übereinstimmung ist sehr gut. Die 4 nF lassen sich aus dem Datenblatt nicht entnehmen.
Diagramm [2]
Der Fototransistor BP103B/SFH300 ist etwas geringer empfindlich als die vorgehende, erkennbar an den höher liegende Kurven im Schattenbereich. Im Hellen ist er immer ausreichend durchgesteuert. Die Zeitkonstante bei den Übergängen ist deutlich geringer als beim LPT80A oben.
Diagramm [3]
Der SFH3100F reagiert
sehr ähnlich dem BP103B/SFH300. Aber auch er ist, trotz des Tageslichtfilters, in der offenen Anordnung noch geblendet. Der Filter fordert seinen Preis: Im Hellen reicht die geringe Bestrahlung zur Vollaussteuerung nicht aus, die Spannungskurve erreicht nicht die Nulllinie wie zuvor. Auch verläuft das "Einschalten" deutlich langsamer als bei den zuvor gezeigten Fototransistoren mit klarem Gehäuse.
Diagramm [4]
Die Fotodiode BPW34 ist unbedeckt nicht geblendet, alle drei Kurven sind zu sehen. Der "Hub" bei der geringen Bestrahlung ist sehr gering und zeigt einen deutlichen Gang mit der Umgebungslichtstärke. Die Zeitkonstante beim Hell-Dunkel-Übergang ist deutlich geringer als bei bei den Fototransistoren zuvor. Interessant die Tot-Zeit für den Hell-Dunkel-Übergang bei der hohen Bestrahlungsstärke.
Mit Arbeitswiderstand 10 kOhm:
Diagramm [5]
Bei der schwachen Bestrahlung ist der LPT80A offen geblendet. Bei den abgeschatteten Betriebsweisen sieht man, dass in der Hell-Phase die Aussteuerung bei den beiden abgeschatteten Betriebsweisen nicht vollständig ist und den geringeren "Hub" zwischen dem Hell-Dunkel-Übergang, der nur ca. 2 V beträgt. Bei der starken Bestrahlung sind für alle drei Betriebsarten die Kurven zu sehen, selbst bei offenem Betrieb ist der Transistor nicht geblendet.


Diagramm [6]
Der BP103B/SFH300 verhält sich sehr gut: bei allen Betriebszuständen ist ein guter Hub zwischen Hell- und Dunkelphase (Dunkelphase zur Verdeutlichung durch die graue Fläche in der Mitte angedeutet) vorhanden. Aber, auch hier ist die Aussteuerung mit der geringen Beleuchtungsstärke in der Hellphase nicht vollständig.
Diagramm [7]
Die Kurven des SFH3100F, bestrahlt mit dem IRL81A, sehen bei der starken Beleuchtung dem BP103B/SFH300 sehr ähnlich. Bei schwacher Beleuchtung sieht man ein deutlich schwächeres Reagieren.
Diagramm [7a]
Wechselt man als Strahler auf die LD274-3, die statt auf 880 nm auf 950 nm das Emmisionsmaximum hat (s. Bild oben), dann bessert sich das Verhalten in der Hellphase bei geringer Intensität deutlich, auch die Empfindlichkeit für Fremdlicht geht zurück! Die zu kürzeren Wellenlängen stark abfallende Kennlinie des SFH3100F hat bei 880 nm fast schon die 0 % Linie erreicht.
Diagramm [8]
Für die Fotodiode BPW34 ist der 10k-Arbeitswiderstand eindeutig zu klein, der maximale Fotostrom liegt bei 80 µA. Die Kurven für die geringe Beleuchtungsstärke sind erst gar nicht gezeigt, weil durchgehend auf "+", dem oberen Teil der blauen Kurve liegend. Mit der hohen Beleuchtungsstärke ist der durchgelassene Fotostrom so niedrig, dass der Spannungsabfall am Widerstand nur 2 V beträgt. Aber: auch hier ist die Reaktion auf den Hell-Dunkel-Übergang wesentlich besser geworden. Die oben sichtbare Totzeit ist so gut wie verschwunden.
Mit Arbeitswiderstand 1 kOhm:
Diagramm [9]
Testhalber wurde für den BP103B auch ein 1k-Arbeistwiderstand eingesetzt. Das Verhalten bei der geringen Beleuchtungsstärke ist unbrauchbar. Die Dunkelphase ist fast makellos, in der Hellphase sieht man jetzt bei der hohen Beleuchtungsstärke den Einfluss der Abschattung, die obere der drei roten Linien liegt schon nicht mehr auf 0. Die Zeitkonstante beim Abschalten ist fast vollständig verschwunden.

Interpretation der Beobachungen:

Die kritische Größe einer Lichtschranke ist deutlich die Intensität des (IR-) Lichts auf dem Sensor. Die Intensität ist mit 1/L2 abhängig von der Lichtschrankenlänge, dem Abstand zwischen IRED und Fototransistor!

Es kommt halt darauf an, was man mit dem Fototransistor bzw. der Fotodiode erreichen will. Es ist die Abwägung der Verteilung des Aufwands: Investiert man Zeit und Mühe in den Aufbau der Mechanik, um eine "große" Signallage im Bereich von einigen Volt zu erreichen, oder verzichtet man auf "viel Mechanik" und fiddelt mit elektronischem Aufwand an schwachen Signalen von u. U. wenigen mV herum.

Die meisten oben gezeigten Kurven mit der 25 mA Beleuchtung würden eine direkte Ansteuerung von Digitalbausteinen erlauben, sie zeigen einen sauberen "Hub", eine Amplitude von 0 V bis (fast) VCC, hier 12 V. Bei der geringen Beleuchtungsintensität des 2,5 mA Falls zeigen eigentlich nur die Kurven mit 100k Kollektorwiderstand und guter Abschattung akzeptable Kurven für eine direkte Auswertung. Zur Erinnerung: die Weite bei 25 mA ist 25 mm, die 2,5 mA repräsentieren eine Weite von etwa 80 mm. Man kann also schließen: die Weite sollte so klein wie möglich sein. Alternativ könnte man die Leistung der IRED erhöhen, 100 mA sind für die IRL81A und die LD274 als Dauerbelastung erlaubt. Bei Bedarf könnte man weitere IREDs in Reihe schalten und gemeinsam auf den Sensor ausrichten, um die Beleuchtungsintensität zu erhöhen. Das scheint mir sinnvoller zu sein, als zur Steigerung der Empfindlichkeit Fototransistoren in Reihe zu schalten. Alternativ kann eine Sammellinse vor dem Sensor die Empfindlichkeit erheblich erhöhen.

Scheut man sich nicht, mehr oder weniger aufwändige Auswerteelektronik zu bauen oder einen Mikrocontroller zu programmieren, kann natürlich auch ein Signal aufbereitet und benutzt werden, dessen Amplitude nicht die volle Betriebsspannung sondern nur einen (kleinen) Teil davon darstellt. Das Auwändige gilt erst recht für die optionale Betriebsweise mit starken Impulsen wie im nächsten Absatz beschrieben.

Eine weitere Alternative ist, den Strahler
starke Impulse schießen zu lassen und nicht kontinuierlich zu betreiben. Für die IRL81A macht OSRAM für den Impulsbetrieb keine Angaben, aber die LD274-3 kann bis zu 3 A Impulsstrom vertragen, aber nur bei einer ON-Zeit von 10 µs für 2 ms (Tastverhältnis 0,005! Für 1 A darf das Tastverhältnis 0,05 betragen). Das sind kräftige Impulse, aber eine ON-Zeit von 10 µs für einen Fototransistor reichlich kurz, allein die Einschaltzeit für einen LPT80A beträgt unter optimalen Randbedingungen 10 µs (1 mA, 1kOhm, 5 V). Die BPW 34 ist mit 0,02 µs wesentlich schneller.
Quelle für diese Angaben: Datenblätter der OSRAM Opto Semiconductors GmbH

1 A würde für die oben genannte 25 mA Situation den Faktor Wurzel(1/0,025) bedeuten, also eine Länge von 6,3 x 25 mm = 158 mm, für 2,5 mA sind das 50 cm (und die entsprechend kleine Amplitude (Hub) mit 10k, 100k als Arbeitswiderstand ist zu langsam)!

Es ist deutlich zu sehen, wie die Größe des Arbeitswiderstands die "Empfindlichkeit" des Opto-Halbleiters steuert. Reichen bei 100k die 2,5 mA Bestrahlung noch aus, diesen in der Hell-Phase "durchzusteuern", d. h. die Spannung darüber geht auf 0 V (oder sehr nahe daran, denn auch bei Foto-Transistoren liegt VCE dann noch bei ca. 150 mV), so kann man bei 10k oder gar 1k sehen, dass
für einen ausreichenden Spannungsabfall am Arbeitswiderstand ein zu geringer Fotostrom fließt, die Kurven wandern nach oben, der Abstand wird geringer. Der "Hub", der Abstand der Kollektorspannung zwischen Hell- und Dunkelphase, geht deutlich zurück. Bei 100k liegen die Kurven für beide Beleuchtungsintensitäten in der Dunkelphase noch übereinander. Alle Fototransistoren reagieren sehr empfindlich auf Fremdlicht, sie sind nur abgeschattet benutzbar, sie müssen in ein Gehäuse eingebaut werden.

Bei einem Arbeitswiderstand von 10k sind die Kurven für die schwache Intensität schon deutlich nach oben verschoben. Aber die Fototransistoren lassen sich auch ohne Abdeckung betreiben, wenn auch
dann in der Dunkelphase der Hub deutlich kleiner ist als mit Abschattung des Fremdlichts. Die Schaltzeiten an den Übergängen sind deutlich geringer als bei 100k.

Es ist schon ein bisschen wie die Quadratur des Kreises: Gilt es z. B. die Stellung eines Hebelchens festzustellen und man hat eine Weite von nur ein paar Millimetern, reicht eine geringe Bestrahlung aus und der Fototransistor kann relativ hohe Lasten (im Rahmen des zulässigen Kollektorstroms) schalten. Hat man größere Weiten zu überwinden, kommt man schnell an die Leistungsgrenzen der IRED und muss entweder mit nur teilausgesteuerten Fototransistoren zurechtkommen, hohe Arbeitswiderstände (= langsamer Betrieb) benutzen oder in den Impulsbetrieb übergehen. Alles erhöht den Aufwand in der Auswerteelektronik. Hat man große Weiten, nutzt den Impulsbetrieb und kommt in die ganz kleinen Tastverhältnisse, können Fototransistoren zu langsam sein und man muss mit Fotodioden arbeiten.

In allen Fällen ist man gut beraten, den Sensor immer in einem lichtdichten Gehäuse zu betreiben und den Fremdlichteinfall so weit wie möglich zu reduzieren. Bei schwachen Intensitäten zeigen die Fototransistoren im Plastikgehäuse auch eine erhebliche Empfindlichkeit "nach hinten", d. h. Streulicht schmuggelt sich von dort ins Gehäuse und macht sich erheblich bemerkbar. Die Ausschaltung des Streulichts muss also rundherum erfolgen. Macht man das nicht, läuft man Gefahr, die Dunkeldurchgänge nicht detektieren zu können.


Version: 1.3 Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund, 06.04.2015