Die Aufzugtür, die nicht schließt, solange du in der Öffnung stehst. Der Zähler am Förderband. Der Papiersensor im Drucker. Und der kleine schwarze Baustein hinter dem dunklen Fenster des Fernsehers, der die Tasten der Fernbedienung empfängt. All das sind optische Strecken aus einem Sender – fast immer eine Infrarot-LED – und einem Empfänger wie Fotodiode oder Fototransistor. Das Prinzip ist einfach. Die eigentliche Kunst liegt darin, das eigene Licht zuverlässig vom Licht der Sonne und der Lampen zu unterscheiden.
Aufbau und Funktionsweise
Eine Lichtschranke besteht aus drei Teilen: einem Sender, einem Empfänger und einer Auswertung, die aus dem Empfängersignal ein klares Ja oder Nein macht. Infrarotlicht um 850 bis 950 nm ist dafür üblich. Es ist unsichtbar und blendet niemanden. Silizium-Empfänger sind in diesem Bereich am empfindlichsten, und IR-LEDs sind billig und effizient (siehe das elektromagnetische Spektrum). Je nachdem, wie Sender und Empfänger angeordnet sind, unterscheidet man vier Bauarten:
- Einweglichtschranke: Sender und Empfänger stehen sich gegenüber. Ein Objekt unterbricht den Strahl. Das ist die zuverlässigste Form und erreicht die größten Entfernungen, braucht aber zwei Geräte mit zwei Anschlüssen.
- Reflexionslichtschranke: Sender und Empfänger sitzen in einem Gehäuse, gegenüber hängt ein Reflektor (Katzenauge). Das Objekt unterbricht den Rückweg.
- Reflexionslichttaster: Das Objekt selbst wirft das Licht zurück. Es braucht keinen Reflektor, aber die Reichweite hängt von Farbe und Oberfläche ab – schwarzer Samt bleibt fast unsichtbar.
- Gabellichtschranke: Eine Einweglichtschranke im Kleinformat. LED und Fototransistor stehen sich in einem U-förmigen Gehäuse gegenüber, mit einem Spalt von einigen Millimetern. Ideal für Endlagen, Lochscheiben und Drehgeber.
Das Problem Fremdlicht
Ein Fototransistor in einer Lichtschranke sieht nicht nur das Licht seiner LED. Sonnenlicht liefert viel Infrarot, Glühlampen ebenfalls, und Leuchtstofflampen und LED-Lampen flackern mit 100 Hz. Mit Gleichlicht ist eine Lichtschranke deshalb nur in einem abgeschirmten Gehäuse brauchbar, wie bei der Gabellichtschranke.
Die Lösung ist Modulation: Der Sender schaltet die LED mit einer festen Frequenz ein und aus, meist 30 bis 56 kHz. Der Empfänger verstärkt nur Signale dieser Frequenz, ein Bandpass filtert alles andere heraus. Gleichlicht und das 100-Hz-Flimmern werden so wirksam ausgeblendet, selbst wenn sie viel heller sind als das Nutzsignal. Wie ein solcher Filter funktioniert, erklärt Schwingkreis.
IR-Empfänger-Module
Für Fernbedienungen gibt es fertige Empfängerbausteine, etwa die Reihe TSOP382xx von Vishay. In einem dreibeinigen Gehäuse mit schwarzem Tageslichtfilter steckt die ganze Kette: Fotodiode, Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC), Bandpass auf die Trägerfrequenz, Demodulator und ein Ausgangstransistor mit Pull-up.
Der Ausgang ist aktiv low: Solange ein Träger erkannt wird, zieht er auf Masse, sonst bleibt er High. Der Mikrocontroller sieht also nicht mehr die 38-kHz-Schwingung, sondern nur noch die Pakete (Bursts) und Pausen, in denen das eigentliche Datenwort steckt.
Wichtige Kennwerte am Beispiel TSOP38238:
| Kennwert | Wert |
|---|---|
| Versorgungsspannung | 2,0–5,5 V |
| Stromaufnahme | typ. 0,35 mA |
| Trägerfrequenz | 38 kHz (andere Typen: 30, 33, 36, 40, 56 kHz) |
| Mindestlänge eines Pakets | 10 Trägerperioden |
| Ausgang | aktiv low, interner Pull-up rund 30 kΩ |
| Reichweite | bis etwa 30 m mit üblicher Fernbedienung |
| Anschlüsse | 1 = OUT, 2 = GND, 3 = VS |
Die automatische Verstärkungsregelung hat eine Kehrseite: Liegt der Träger dauerhaft an, regelt der Empfänger seine Verstärkung herunter und hält das Signal schließlich für Störung. Fernbedienungsempfänger eignen sich deshalb nicht als Lichtschranke mit Dauerträger. Dafür gibt es eigene Typen (etwa TSSP4038), die einen ständigen Träger vertragen und melden, ob er unterbrochen ist.
Sender dimensionieren
Der Sender ist eine IR-LED, die ein Mikrocontroller über einen Transistor als Schalter mit dem Träger taktet. Für Reichweite braucht sie kräftige Impulse von 100 mA und mehr – weit mehr, als ein Pin liefern kann. Weil sie nur kurz und nur in Paketen leuchtet, ist das erlaubt, sofern du die Pulsgrenzwerte im Datenblatt einhältst.
Den Vorwiderstand rechnest du auch mit dem LED-Vorwiderstand-Rechner nach.
Bauformen
- IR-Empfänger-Module im dreibeinigen Kunststoffgehäuse mit schwarzer Linse, auch als SMD.
- Gabellichtschranken mit Fototransistor- oder Logikausgang, bedrahtet oder als SMD.
- Reflexkoppler für kurze Abstände von wenigen Millimetern, etwa für Linienfolger-Roboter.
- Industrielle Lichtschranken im Gewindegehäuse M12, M18 oder im Quader, mit 10–30 V Versorgung und Schaltausgang, oft mit sichtbarem Rotlicht zum Ausrichten.
- Lichtgitter aus vielen Strahlen sichern Maschinen und erkennen auch kleine Gegenstände.
Anwendungen und Anschluss
Einen IR-Empfänger schließt du direkt an: VS an 3,3 V oder 5 V, GND an Masse, OUT an einen Eingang des Mikrocontrollers. Ein Kondensator von einigen Mikrofarad nahe am Baustein und ein kleiner Widerstand in der Versorgungsleitung halten Störungen von Schaltreglern fern; das Datenblatt nennt Werte. Bibliotheken für die gängigen Protokolle wie NEC oder RC-5 werten die Pulsfolge am Eingang aus.
Weitere typische Anwendungen sind Zähler und Drehzahlmesser mit einer Lochscheibe in der Gabellichtschranke, Endschalter ohne Verschleiß, Füllstandserkennung und einfache Datenübertragung zwischen zwei Geräten. Soll der Ausgang einer Lichtschranke potentialgetrennt weitergegeben werden, folgt ein Optokoppler.
Auswahl und Praxistipps
Für Fernbedienungen nimmst du einen IR-Empfänger mit der Trägerfrequenz der Fernbedienung; 38 kHz ist am verbreitetsten. Für Unterbrechungen im Millimeterbereich genügt eine Gabellichtschranke mit Fototransistor. Für Entfernungen über einige Dezimeter in heller Umgebung brauchst du moduliertes Licht – entweder mit Lichtschranken-Empfängern oder als fertigen Industriesensor.
Häufige Fehler:
- Dauerträger an einem Fernbedienungsempfänger: Die AGC blendet ihn nach kurzer Zeit aus, die Lichtschranke meldet „unterbrochen“, obwohl der Strahl frei ist.
- Falsche Trägerfrequenz: Ein 36-kHz-Empfänger reagiert auf 38 kHz zwar noch, aber mit geringerer Reichweite.
- Pinbelegung vertauscht: Die Reihenfolge von OUT, GND und VS unterscheidet sich zwischen Herstellern und Baureihen. Vertauschte Versorgung zerstört den Baustein.
- LED direkt am Pin: Für Reichweite braucht die IR-LED 50–200 mA, das schafft nur ein Transistor.
- Reflexionen übersehen: Bei Reflexionslichttastern reicht eine helle Wand hinter dem Objekt, um Licht zurückzuwerfen.
Selbsttest
Warum arbeiten die meisten Lichtschranken mit moduliertem Licht?
So lässt sich das eigene Signal per Bandpass vom Gleichlicht der Sonne und vom 100-Hz-Flimmern der Lampen trennen.
Was liefert der Ausgang eines IR-Empfängers, wenn ein 38-kHz-Paket ankommt?
Low für die Dauer des Pakets; in den Pausen High.
Warum taugt ein TSOP-Fernbedienungsempfänger nicht als Lichtschranke mit Dauerlicht?
Seine automatische Verstärkungsregelung wertet einen Dauerträger als Störung und blendet ihn aus.
Wie ändert sich die Bestrahlung, wenn der Abstand von 2 m auf 6 m wächst?
Sie sinkt auf (2/6)2 = 1/9.
Eine IR-LED mit 1,4 V soll an 5 V über einen Transistor (0,2 V) mit 150 mA gepulst werden. Welcher Vorwiderstand?
RV = 3,4 V / 150 mA ≈ 22,7 Ω, gewählt 22 Ω (dann etwa 155 mA, im Pulsbetrieb meist erlaubt – Datenblatt prüfen).