Frage zu einer flinken Lichstschrankenschaltung

[thomass]

Hallo, liebe Experten,

ich habe von Kemo die Lichtschranke B045 gebaut, die um hinter einem TL081CP Op-Amp einen BC546B Transistor ansteuert, der dann wiederum ein 6V Relais BV1719 ansteuert. In der 12V Versorgungsleitung sitzt ganz zu Anfang eine 1N4006 Diode. Zum Beleuchten des BPW96 Fototransistors wird ein Laser eingesetzt; seitliches Streulicht wird ideal ausgeblendet.

Jetzt habe ich ein paar Fragen und hoffe auf eure Weisheit...

1. Verständnisfrage: Wieso kommen von der 12V Eingangsspannung eigentlich am Relais nur 6V? Regelt die Diode am Eingang Spannung runter, oder der Transistor vor dem Relais? Mehr Bauteile sind in der Schaltung um das Relais herum eigentlich nicht da.

Aber das ist ja nur für mein Verständnis. Viel wichtiger ist das folgende:

2. Die Lichtschranke ist mir etwas träge. In meiner Anwendung unterbricht ein Gegenstand die Lichtschranke nur für etwa 1-4 hundertstel Sekunden. In dieser Zeit soll ein Laser das durchlaufende Objekt bestrahlen. (Das ist keine Spaß-Applikation, da steht ein gewisser Sinn dahinter.) Mit dem Relais dauert das zu lange, das Objekt ist schon mehr oder weniger durch, bevor (falls überhaupt) das Relais anzieht. Liegt das an der Trägheit des mechanischen Relais oder liegt es an der Lichtschrankenschaltung an sich?

Wenn es nur am Relais liegt, kann man das nicht durch eine elektronische Komponente ersetzen? (Sorry, mir fehlen hier die Grundlagenkenntnisse, aber ich baue auf, was ihr mir sagt . ) Ich muss allerdings 6V 1A-1,5A schalten. (Ich sollte noch erwähnen, dass es genau genommen ZWEI Laser sind, die beim Durchlaufen des Objekts umgeschaltet werden, d.h. normalerweise leuchtet Laser 1, und wenn die Lichtschranke unterbrochen wird, geht Laser 1 aus und Laser 2 (für die Durchlaufzeit) an. Nach dem Durchlauf schaltet alles wieder zurück, d.h. 1 an und 2 aus. Und das alles in 1-4 hundertstel... Ich brauche also einen Umschalter - z.Zt. eben als Relais implementiert.)

Wenn es aber an der Lichtschrankenschaltung an sich liegt, habt ihr einen Schaltplan für etwas richtig flinkes?

Ganz herzlichen Dank für eure Mühe,
Thomas

[anders]

Wieso kommen von der 12V Eingangsspannung eigentlich am Relais nur 6V?

Ohne den Schaltplan zu sehen, lässt sich die Frage schlecht beantworten.
Ich fürchte aber, dass das Relais tatsächlich mit 11V betrieben wird. (Insgesamt etwa 1V fallen an der Diode und am Transistor ab)

Die Lichtschranke ist mir etwas träge.

Dann solltest du dich als erstes von dem Relais verabschieden.
Reedrelais reagieren in etwa 3ms, aber sie können nur geringe Leistungen schalten.
Wenn man nicht unbedingt die mit einem Relais zu realisierende Potentialtrennung oder seine Eignung als Wechselstromschalter braucht, ist es meist besser darauf zu verzichten und einen Transistor zu verwenden.
Da gibt es für wenig Geld auch 100-fach stärkere Exemplare als den BC546.

Liegt das an der Trägheit des mechanischen Relais oder liegt es an der Lichtschrankenschaltung an sich?

Das liegt hauptsächlich am Relais.
Allerdings hat auch der Phototransistor eine gewisse Trägheit, die umso größer wird, je stärker er vor dem dunkel werden beleuchtet wird.

Ich muss allerdings 6V 1A-1,5A schalten

Kein Problem. Mit MOSFETs für 1 Euro kann man auch 10A und 30V schalten.

geht Laser 1 aus und Laser 2 (für die Durchlaufzeit) an.

Den Grund dafür kann ich nicht erkennnen. Warum schaltest du die Laser?
Das kann dir u.U. zusätzliche und unberechenbare Verzögerungen durch den Lasertreiber einbringen.

Schaltplan für etwas richtig flinkes?

Richtig flink wird das mit einem Phototransistor sowieso nicht. Allerdings sind Zeiten im ms-Bereich auch nicht flink, sondern eher gemächlich.
Mit Photodioden und geeigneteren Verstärkern kommt man leicht auf 1µs und weniger.

Schreib mal lieber, was das wirklich werden soll.

[thomass]

Hallo Anders,

ganz lieben Dank für die superschnelle Antwort... Auch ein Nachtarbeiter?

Aber zum Thema. Der Hintergrund zum Projekt ist folgender: Es soll ein Trainingsgerät zum Bowlingspielen werden. Ich habe mal zwei Bilder beigelegt (

Übersicht.jpg

,

Detail.jpg

). Die Lasereinheit wird horizontal verschoben, bis der mittlere, rote Laser über einer bestimmten Stelle der Bahn steht. Diese Stelle muss nun genau vom Ball getroffen werden. (Das ist eine Zielübung.) Die seitlichen, grünen Laser stehen im Abstand von 23cm - etwas mehr, als der Durchmesser des Balls (21,8cm). Durchläuft der Ball nun die Lichtschranke (auf Höhe der Ballmitte), so soll der rote Laser ab- und die beiden grünen Laser angeschaltet werden. Hat man die Lücke zwischen den beiden grünen Lasern nicht genau getroffen, durchläuft der Ball einen der Laser und man sieht den grünen Strahl auf dem Ball. Es ist nur ein kurzes Aufblitzen zu sehen, aber das reicht. (Habe ich schon ausprobiert.) Nachdem der Ball durch ist wird die Lichtschranke wieder frei und die grünen Laser gehen aus und der mittlere rote wieder an. Das Spiel beginnt von neuem. Der Ball bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von üblicherweise 20-30 km/h, er unterbricht die Lichtschranke also etwa 0,02-0,04 Sekunden. Der die Grünen Laser ja für die Hälfte der Laufzeit die vom Spieler abgewandte Seite des Balls beleuchten und damit sowieso unsichtbar sind, darf zwischen dem Unterbrechen der Lichtschranke und dem Umschalten der Laser nur maximal 0,01 Sekunden liegen. Ich gehe davon aus, dass die Lasermodule eine in dieser Zeitabschätzung vernachlässigbare Verzögerung haben. Der Kemo-Bausatz scheint aber so schnell nicht zu sein. Ich hatte vorher mit Kemo gesprochen und mir wurde zugesagt, dass das B045 "eine Verzögerung von einigen Millisekunden" hat. Ist wohl Auslegungssache... Der Schaltplan ist hier.

Ich könnte mir auch folgende Erweiterung vorstellen: Zwei Lichtschranken, eine vorne auf dem Fuß, eine hinten. Bein Durchlaufen der vorderen wird auf die grünen Laser geschaltet, beim Durchlaufen der hinteren wieder zurück auf den roten. Dadurch hätte die ganze Schaltung mehr Zeit zum Umschalten. Ein netter Nebeneffekt wäre, dass man eigentlich auch noch die Durchlaufzeit messen, daraus die Geschwindigkeit berechnen und auf einer LED-Anzeige anzeigen könnte...

Soweit das Vorhaben. Ich habe wie gesagt kein Problem mit dem Nachbau von Schaltungen nach Schaltplan - nur für die Entwicklung einer solchen Schaltung fehlen mir die Elektronikkenntnisse - ich bin mehr ein EDV'ler/Programmierer/Administrator...

Nochmal ganz lieben Dank für die Unterstützung!

Thomas

[BernhardS]

Hallo,

Du kannst statt des Relais ja gleich die Laser anschließen. Je nach Schaltung muss ggf. nur noch eine zusätzliche Strombegrenzung rein, das kann ein einfacher Widerstand sein.

Bernhard

[anders]

für die Entwicklung einer solchen Schaltung fehlen mir die Elektronikkenntnisse - ich bin mehr ein EDV'ler/Programmierer/Administrator...

Wäre es dann nicht einfacher für dich die drei Markierungslaser einfach leuchten zu lassen und mittig noch eine Webcam mit Bilderkennungssoftware zu platzieren, die den Durchgang der Kugel registriert?
30fps sind auch nur 16ms und bei 36km/h entspricht das 33,3cm.
Wenn man das Bildfeld etwas größer als den doppelten Kugeldurchmesser macht, sollte man den Durchgang auf jeden Fall sehen.
Die Laser-Markierungen sieht die Kamera ja ebenfalls.

Für den preisgünstigen RaspberryPi gibt es mittlerweile eine ebenfalls günstige Kamera (die NoIR-Version davon eignet sich auch für IR-Beleuchtung), die sogar 90 fps schafft
http://www.raspberrypi.org/new-camera-mode-released/
http://www.raspberrypi.org/learning/pyt ... era-setup/
http://www.raspberrypi.org/product/pi-noir-camera/


http://de.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi

[thomass]

@BernhardS: Daran hatte ich auch gedacht. Es stellen sich mir 2 Fragen:

1. 6V ist ok (das liegt gerade am Relais an, warum auch immer, ich hab's gemessen). Wieviel Strom kann ich über den Transistor im Augenblick ziehen? Nur zum Testen, ob der Rest der Lichtschranke schnell genug ist. Wenn ja, dann...
2. Wie realisiere ich die Umschaltung? Da müssen sicherlich noch ein paar weitere Transistoren dran, auch um genug Strom zu liefern (der rote zieht etwa 250mA bei 6V, die grünen zusammen 0,8-1A bei 6V). Darf ich dich - wenn der Versuch 1 erfolgreich ist - nach einem Schaltplan für diese "Endstufe" bitten?

@Anders: Super Idee! Nachdem ich die erste Anfrage hier abgeschickt hatte, kam mir irgendwann auch die Idee. Ich habe allerdings an einen richtigen PC gedacht, damit hätte ich jedoch die Probleme mit einer Funkkamera oder mit einem langen USB-Kabel, das quer über die Bahn gezogen wird - beides ungünstig. Das mit einem Pi zu machen ist eine geniale Idee! Ich werde mich da mal einlesen, auch was die Geschwindigkeit der Bildverarbeitung angeht - schließlich muss ich mehr als 30 Frames pro Sekunde (90 ist prima!) verarbeiten. Ob der Pi das schafft? Aber ich werde mir die Links, die du geschickt hast, aufmerksam durchlesen. Wenn das ginge, wäre das natürlich perfekt!


Euch allen nochmal vielen Dank für's Feedback und Brainstorming!

LG
Thomas

[anders]

Wieviel Strom kann ich über den Transistor im Augenblick ziehen?

Wahrscheinlich nicht genug für einen grünen Laserpointer und wohl auch für einen roten äussert knapp.
Der Transistor wird überhitzen, dann mit C-E-Kurzschluß sterben, und dann kommen die vollen 12V zum Laser und dann ist der auch Ex.

Leider stehen ja überhaupt keine Werte für die Bestückung, hier also den Transistor und die beiden Widerstände R7 und R8 dabei.
Du könntest den Transistor gegen einen kleinen npn-Leistungsdarlington austauschen und die beiden Widerstände gegen ein Trimmpotentiometer mit 47kOhm.
Der Darlington-Transistor wirst du mit einem Stückchen Kühlblech versehen müssen, da er beim Betrieb ein paar Watt Verlustleistung entwickelt.

[BernhardS]

Hallo,

noch eine kleine Frage zu den Lasern. Das werden wohl fertige Module sein, die für eine feste Eingangsspannung gebaut sind?

Bernhard

[anders]

@BernhardS: Das sieht mir nach gewöhnlichen Laserpointern aus.
Bei den roten ist heute für den Betrieb mit 3 Knopfzellen gewöhnlich nur noch ein Vorwiderstand enthalten, während bei den grünen weiterhin eine Konstantstromqelle enthalten ist und sie mit zwei AAA-Zellen angetrieben werden.
Der 808nm-Pumplaser bei den grünen ist ziemlich stark, und ich meine mich zu erinnern, daß ich eine Stromaufnahme von über 300mA gemessen habe.

P.S.:
Bei der Montage der Laser ist es ratsam die Gehäuse elektrisch isoliert zu montieren, weil aus thermischen Gründen bei vielen Laserdioden der Pluspol am Gehäuse liegt!

[thomass]

Hallo Jungs,

mann, ihr seid ja schneller als der Blitz - ich komme (neben der bezahlten Arbeit) kaum mit mit dem Antworten hinterher. Vielen Dank!!!

Zum Thema: Ja, es sind gewöhnliche Lasermodule mit integrierter Elektronik. Ich muss nur noch 3V (bei den grünen) und 5V (beim roten) anlegen. Die grünen ziehen jeweils etwa 700 mA, der rote weniger - ich glaube weniger als 300 mA. Das auch, weil der rote nur schwach leuchten muss, die grünen dafür heller. Da diese auch nur ganz kurz aufblitzen, dürften sie ruhig auch mal mit 5 oder 6V angesteuert werden - da müssen die dann durch Bisher habe ich für jeden der Laser eine separate Konstantspannungsquelle mit einem LM317T gebaut. Den roten habe ich damit runtergeregelt, die grünen voll aufgedreht, die die ohnehin durch den Spannungsdrop am LM317 nur rund 3,7V abgekommen (ich speise die Laser"netzteile" mit einer 6V Bleibatterie, habe aber auch eine 12V für die Lichtschranke dabei).

Ich habe aus Copyrightgründen nicht die Teileliste des B045 Bausatzes beigelegt, aber ein paar Werte darf ich bestimmt "verraten": D1 ist 1N4006, R7 3K3, R8 10K, T1 BC546B.

Der Raspberry samt NoIR-Kamera ist heute gekommen - ich setze da viel Hoffnung rein, ist ja auch "meine Welt". Dennoch würde ich gerne die Lichtschrankengeschichte mit geringem Aufwand fertig bauen, d.h. eine kleine Wechselschaltung, damit das träge Relais rauskommt. In ein paar Wochen sollte ich diese Zwischenlösung dann durch den Raspberry ersetzen können.

Nochmal, gaaaaanz lieben Dank für die nette Hilfe!!!

[BernhardS]

Hallo,

wenn die Module die Strombegrenzung beinhalten, dann ist die Ansteuerung sehr einfach.
Du kannst die jeweils erforderliche Spannung an den Plus-Anschluß des Moduls legen und zwischen Minus-Anschluß und Masse einen MOSFET Transistor schalten. Damit der MOSFET erstmal sicher nicht leitet empfiehlt es sich einen (relativ hohen) Widerstand vom Gate nach Masse zu legen.
Wenn am Gate dann ausreichend Spannung anliegt, je nach Typ etwa 7-10V, schaltet der durch und der Strom fließt durch das Modul.

Die Verarbeitung eines Bildes mit dem Raspberry würde mich interessieren. Kannst Du dann was dazu posten?

Bernhard

[anders]

der rote weniger - ich glaube weniger als 300 mA.

Da kannst du ruhig noch eine Null streichen.
Die Schwelle der roten LD liegt gewöhnlich bei knapp 20mA und betrieben werden sie, je nach Zustand der Knopfzellen, mit bis zu 60mA.

Wenn der grüne Laser wirklich 700mA schluckt, wirst du ihn für den Dauerbetrieb mit einer Möglichkeit der Wärmeabfuhr versehen müssen.
Im Kurzzeitbetrieb als Pointer reicht die Wärmekapazität des Gehäuses, aber im Dauerbetrieb wird das zu warm.
Speziell diese DPSS Laser haben nämlich einen relativ engen optimalen Temperaturbereich. Darüber und darunter nimmt die Ausbeute an grünen Licht ab.

T1 BC546B

Dieser Transistor ist bis etwa 100mA zu gebrauchen, mehr als 200mA darf er nicht.
Darüber hinaus muß man die zulässige Verlustleistung von 300mW am Auge behalten. Wenn du mit 12V speist und nur 5V abnimmst, werden diese 300mW schon bei etwa 40mA erreicht!

[der mit den kurzen Armen]

Relaisersatz.GIF

Eine mögliche Lösung .
Der Tip 121 ist ein Darlington Leistungstransistor und muss auf ein Kühlblech.
Dein Laser wird über den LM317 mit Konstantstrom versorgt.
Der originale T1 kann evl auch entfallen, dann kommt R4 direkt an den Verbindungspunkt R7 +R8

[thomass]

Hallo, lieber Kurzarmiger

Super, toll, Spitze! Du bist ein Schatz Genau damit kann ich etwas direkt anfangen! (Was jetzt nicht heißen soll, mit den Beiträgen von Anders und Bernhard wäre ich nicht zurecht gekommen... ich hatte schon angefangen, mich per Google in die MOSFET-Anwendung einzulesen. Aber ein direkter Schaltplan ist für mich leicht umzusetzen.) Und sorry, wenn ich erst jetzt antworte. Ich habe die Antwort schlichtweg nicht mitbekommen. (Muss mal die E-Mail Benachrichtigungsfunktion hier finden und aktivieren... Und außerdem muss ich zwischendurch auch noch das Geld verdienen, um an solchen Spielereien zu basteln )

Zum Thema: Inzwischen ist der Raspberry Pi angekommen, Kamera auch und funktioniert an sich prima. Da das Teil aber zu langsam für eine direkte Erkennung und Analyse von Bildern bei 60 oder mehr Frames pro Sekunde ist, werde ich Lichtschranke und RSPi kombinieren: Videoaufnahme des Balls (senkrecht von oben nach unten) wird von einer Lichtschranke an einem der GPIO-Ports getriggert, das Video dann von der Bahn per WLAN an einen leistungsstarken Rechner übertragen, der dann die Aufbereitung und Auswertung des Videos macht.

Aber da ich auch das erst programmieren muss (da bin ich aber zumindest direkt in meiner Welt), dauert das noch ein wenig. Bis dahin werde ich auf jeden Fall die "kurzarmige" Version umsetzen, dafür ist ja schon fast alles da. Oh, gerade fällt mir auf, dass ich ja einen Umschalter brauche... @Kurzarmiger.... ich ich schäme mich zu fragen... wie würde deine Schaltung ausschauen, wenn da zwei "LED2" wechselweise geschaltet würden? (Sorry, ich habe echt ein schlechtes Gewissen, dass ich mir hier alles vorkauen lasse... ich hoffe, für dich ist das nur ein Handgriff - für mich wäre es stundenlange Arbeit, bis ich die Grundlagen zusammengesucht habe... DAAANKE!)

und @bernhard: Du hast nach "Die Verarbeitung eines Bildes mit dem Raspberry würde mich interessieren." gefragt. Gerne! Was magst du wissen? Magst du Code oder Testbilder? Soll ich das per PN schicken oder ist es ok, wenn der Thread hier abwandert...?

LG und noch frohes Eiersuchen...

[der mit den kurzen Armen]

Also wie meinst du das mit wechselweise? Ähnlich einem Relais, wo je nach Stellung des Relais die eine oder die andere LED leuchtet.
Zum Pi das ist ein Thema, das auch andere interessiert und sogar einen eigenen Beitrag wert. Angefangen von der Hartware bis hin zur Software.