Reflexlichtschranke

Eine IR-LED leuchtet auf eine Fläche, ein Fototransistor daneben misst, wie viel Licht zurückkommt. Weiße oder glänzende Flächen werfen viel zurück, schwarze kaum etwas, und ist gar nichts da, kommt nichts an. Auf diesem Prinzip beruht die Reflexlichtschranke, genauer der Reflexlichttaster: Sender und Empfänger sitzen nebeneinander, ein Reflektor ist nicht nötig. Die Grundlagen und die übrigen Bauarten erklärt der Artikel Lichtschranke.

Typische Aufgaben sind Linienfolger-Roboter, die eine schwarze Linie auf hellem Boden verfolgen, Drehzahlmesser mit einer weißen Markierung auf einer Welle, Endlagen von Schlitten und Klappen, Papiererkennung in Druckern und Zähler für Teile auf einem Band. Hier baust du die Schaltung aus einem TCRT5000 und einem Komparator, der ein sauberes Schaltsignal für einen Mikrocontroller liefert.

Schaltplan

• TCRT5000: ein Reflexkoppler von Vishay mit IR-LED (950 nm) und Fototransistor im gemeinsamen Gehäuse. Ein Filter vor dem Empfänger sperrt sichtbares Licht.
• R1, 180 Ω: Vorwiderstand der IR-LED, etwa 21 mA.
• R2, 10 kΩ: Arbeitswiderstand des Fototransistors. Er wandelt den Kollektorstrom in eine Spannung.
• IC1A, LM393: ein Komparator mit Open-Collector-Ausgang.
• P1, 10 kΩ, und R4, 10 kΩ: ein Potentiometer stellt die Schaltschwelle ein, R4 entkoppelt es vom Plus-Eingang.
• R5, 470 kΩ: Mitkopplung für eine kleine Hysterese.
• R6, 10 kΩ: Pull-up am Ausgang. An einem 3,3-V-Controller kommt er an 3,3 V statt an 5 V.

So funktioniert die Schaltung

Kein Objekt. Es kommt kaum Licht zurück. Durch den Fototransistor fließt nur sein Dunkelstrom von höchstens 0,2 µA, am Kollektor liegen fast 5 V. Der Minus-Eingang liegt höher als der Plus-Eingang, der Ausgang des LM393 zieht nach Masse: low.

Objekt vor dem Sensor. Die helle Fläche wirft IR-Licht zurück, der Fototransistor leitet. Schon 0,26 mA ziehen die Kollektorspannung über R2 unter die Schwelle. Der Ausgangstransistor des LM393 sperrt, R6 zieht den Ausgang auf high.

Wie beim Komparator mit Hysterese koppelt R5 einen kleinen Teil des Ausgangs auf den Plus-Eingang zurück. Ist der Ausgang high, liegt die Schwelle etwas höher. Das Objekt muss sich dann ein Stück weiter entfernen, bevor der Ausgang zurückschaltet. So flattert der Ausgang nicht, wenn eine Kante langsam am Sensor vorbeizieht.

Dimensionierung

1. LED-Strom. Das Datenblatt erlaubt dauerhaft 60 mA. Mit etwa 20 mA bleibt die LED kühl und altert langsam. Bei 1,2 V Flussspannung:

2. Kollektorstrom abschätzen. Vishay gibt für 10 mA LED-Strom und einen Spiegel in 12 mm Abstand typisch 1 mA an, mindestens 0,5 mA. Der Strom wächst etwa proportional zum LED-Strom, mit 21 mA also auf rund 1 bis 2 mA. Weißes Papier reflektiert weniger als ein Spiegel, liegt aber dafür meist näher: Am stärksten ist das Signal bei 2,5 mm Abstand, brauchbar von 0,2 bis 15 mm.

3. Arbeitswiderstand. Die Schwelle liegt bei 2,5 V. R2 legt fest, bei welchem Strom sie erreicht wird: (5 V − 2,5 V) / 10 kΩ = 0,25 mA. Das ist ein Viertel bis ein Achtel des erwarteten Signals, genug Reserve für matte Flächen und schräge Kanten. Mit größerem R2 wird die Schaltung empfindlicher, aber auch anfälliger für Fremdlicht.

4. Hysterese. Bei Poti-Mittelstellung wirkt die Schwelle wie eine Quelle mit 2,5 V und 2,5 kΩ + 10 kΩ = 12,5 kΩ Innenwiderstand. R5 verschiebt sie je nach Ausgang:

Bei Ausgang high liegt R6 in Reihe zu R5, deshalb 480 kΩ. Die Hysterese von 0,13 V entspricht 5 % des Kollektorstroms.

Bauteilliste

Erweiterungen

Mikrocontroller. Der Ausgang geht an einen beliebigen Pin. Das Programm zählt zum Beispiel vorbeilaufende Teile oder Umdrehungen einer Welle mit weißer Markierung:

const int SENSOR = 2;           // Ausgang des LM393, Pull-up R6 auf der Platine
unsigned long zaehler = 0;
bool vorher = false;

void setup() {
  pinMode(SENSOR, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  bool objekt = digitalRead(SENSOR) == HIGH;   // high = Objekt erkannt
  if (objekt && !vorher) {                     // steigende Flanke zählt
    zaehler++;
    Serial.println(zaehler);
  }
  vorher = objekt;
}

Fremdlicht ausblenden. Sonnenlicht und Glühlampen enthalten viel Infrarot und lassen den Fototransistor auch ohne Objekt leiten. Dagegen hilft ein Trick ohne Komparator: Du schließt R1 statt an +5 V an einen Pin an, legst den Kollektor an einen Analogeingang und misst zweimal, einmal mit und einmal ohne LED. Die Differenz ist allein das reflektierte Licht der LED:

const int LED_PIN = 7;          // über R1 180 Ω an die Anode der IR-LED
const int SENS_PIN = A0;        // Kollektor des Fototransistors

int messen() {
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(500);
  int dunkel = analogRead(SENS_PIN);   // nur Fremdlicht
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(500);
  int hell = analogRead(SENS_PIN);     // Fremdlicht + Reflexion
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  return dunkel - hell;                // größer = mehr Reflexion
}

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println(messen());
  delay(50);
}

Weil die Pinspannung unter Last etwas sinkt, fließen etwa 18 bis 21 mA. Das liegt im Rahmen dessen, was ein Pin des Arduino Uno liefern darf: empfohlen 20 mA, Grenzwert 40 mA. Die Wartezeit von 500 µs gibt dem Fototransistor Zeit, sich einzuschwingen. Wie man Analogwerte richtig einliest, steht unter Spannung messen mit dem ADC.

Größere Entfernungen. Über einige Zentimeter hinaus brauchst du gepulstes Licht mit einem IR-Empfänger-Baustein, wie im Artikel Lichtschranke beschrieben. Für sehr kleine Lichtmengen und lineare Messung eignet sich eine Fotodiode mit Transimpedanzverstärker.

Dunkelheit statt Objekt. Mit einem Fotowiderstand und derselben Komparatorstufe entsteht ein Dämmerungsschalter.

Typische Fehler

• Ausgang schaltet nie: Prüfe die IR-LED mit einer Handykamera; die meisten Kameras zeigen ihr Licht als violetten Punkt. Leuchtet sie nicht, ist sie verpolt oder R1 fehlt.
• Ausgang dauernd high: Fremdlicht oder eine zu empfindliche Schwelle. Miss die Kollektorspannung ohne Objekt: Unter 4,5 V kommt zu viel Licht von außen. Sensor abschatten oder die Variante mit Differenzmessung nehmen.
• Übersprechen: Ohne Objekt fällt Licht direkt von der LED auf den Fototransistor, etwa über eine glänzende Gehäusewand oder durch eine Plexiglasabdeckung. Die Abdeckung muss zwischen Sender und Empfänger eine lichtdichte Trennung haben.
• Schwarze Linie wird nicht erkannt: Viele schwarze Druckfarben und Isolierbänder reflektieren Infrarot fast wie Weiß. Teste die Materialien vorher und miss die Kollektorspannung über beiden Flächen.
• Abstand zu klein: Unter etwa 0,2 mm sieht der Fototransistor die beleuchtete Stelle nicht mehr, das Signal bricht ein. Der beste Abstand liegt bei 2 bis 3 mm.

Selbsttest