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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Sehr schnell detektierende Lichtschranke


Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo zusammen,

ich habe hier zwar schon 2-3 Beiträge gefunden habe aber noch ein paar 
offene Fragen. Ich bitte jetzt schon mal um Entschuldigung wenn ich eine 
doofe Frage stelle aber ich habe leider keine Ausbildung in Richtung 
Elektronik genießen können.

Ich will die Geschwindigkeit einer Kugel (bis 1000m/Sek) mit 2 
Lichtschranken messen. Sobald ich einen anständigen Impuls Richtung 
meines ATMega (auf 12Mhz getaktet wegen weniger Rechenfehler oder gehen 
da auch 20 Mhz?) bekomme, weiß ich wie ich verfahren muss. Was mir 
sorgen macht ist die kurze Reaktionszeit der Fotodiode.

Um größere Diskussionen zu vermeiden gehen wir mal davon aus dass ich 
die Lichtschranken, wie sie auch aufgebaut sein mögen, mit der Kugel 
immer unterbreche. Des weiteren spielt das Umgebungslicht keine Rolle.

Aktuell habe ich folgende Zutaten:

Laserdiode:
Ebay-Artikel Nr. 252394365683

Fototransistor:
http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A500/B...

Den Fototransistor würde ich gerne in folgender Schalung betreiben:
http://rn-wissen.de/wiki/images/5/5a/Fototransisto...
(ist diese schnell genug?)

Nun grüble ich über folgende Aussage im Datenblatt:

Rise Time / Fall Time: R = 1000 Ohm

Ist das der im Schaltplan abgebildete Widerstand? Wenn ja, was passiert 
wenn ich einen größeren nehme damit ich keinen OP brauche, wird dann die 
Rise/Fall Time größer?

Wenn ich doch einen OP benutzen müsste, welchen würdet ihr mir 
vorschlagen?

Schon mal vorab vielen Dank für die Antworten.

Grüße, Marco

Autor: ubersprecher (Gast)
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Also grundsätzlich funktioniert das mit dem Fototransistor und der 
Laserdiode. Mit dem Schaltbild das du da zeigst bekommst du aber eine 
Spannung an "Analog Out" die proportional zu der Lichtstärke ist. Wenn 
du diese mit dem ADC des Atmegas auswerten willst brauchst du eine 
genügend hohe sampling rate:

Wenn du aber nur z.B. mit 10kHz abtastest, bekommst du alle 100µs ein 
Wert. Wenn die Kugel nun mit 1000m/s durch den Laserstrahl fliegt kann 
es sein, dass du das Ereignis verpasst. Sie fliegt immerhin 10cm weit in 
dieser Zeit.

Ich würde aber einfach die Schlatung mit einem Komparator erweitern 
dessen Schwelle so eingestellt wird, dass er dir eine Flanke liefert 
wenn die Kugel den Strahl unterbricht. Den Ausgang des Komparators 
kannst du dann einfach mit einem Interrupt des Atmegas auswerten. Da 
sollte es genügend Beispiele im Internet geben.

Marco G. schrieb:
> Ist das der im Schaltplan abgebildete Widerstand?

Ja, dieser bestimmt den Strom der durch den Fototransistor fließen soll. 
Wenn du ihn kleiner machst erhöhst du damit Reaktionsgeschwindigkeit. Du 
darfst aber nicht die maximal Leistung die der Fototransistor aushalten 
kann überschreiten.

Autor: Ingo Less (Gast)
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Ich würde die Ausgänge der Foto-Transistoren parallel schalten. Du 
erhältst wenn die erste Schranke unterbrochen wird eine fallende Flanke 
und wenn die zweite Schranke unterbrochen wird auch. Die Zeit zwischen 
den beiden fallenden Flanken kannst du mit einem AVR@20MHs und Input 
Capture 50µm auflösen. Bei einem Abstand von 1m ist der Fehler 
vernachlässigbar. Die Latenzen des Systems muss du natürlich 
berücksichtigen und rausrechnen.

Autor: Ingo L. (corrtexx)
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Welchen Durchmesser hat die Kugel?

Autor: Falk B. (falk)
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@  Marco G. (arccra)

>Ich will die Geschwindigkeit einer Kugel (bis 1000m/Sek) mit 2
>Lichtschranken messen. Sobald ich einen anständigen Impuls Richtung
>meines ATMega (auf 12Mhz getaktet wegen weniger Rechenfehler oder gehen
>da auch 20 Mhz?) bekomme, weiß ich wie ich verfahren muss. Was mir
>sorgen macht ist die kurze Reaktionszeit der Fotodiode.

Bei 20MHz Systemtakt kann die Input Capture Funktion 50ns auflösen.

1000m/s = 1m/ms ;-)

D.h. du könntest diese Zeit mit bis zu 20.000 Zählern auflösen. Mehr als 
genug.

>Ebay-Artikel Nr. 252394365683*

Sollte gehen, ist unkritisch.

>Fototransistor:
>http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A500/B...

Die sind langsam, vegiss sie.

>Den Fototransistor würde ich gerne in folgender Schalung betreiben:
>http://rn-wissen.de/wiki/images/5/5a/Fototransisto...
>(ist diese schnell genug?)

Nein.

>Ist das der im Schaltplan abgebildete Widerstand? Wenn ja, was passiert
>wenn ich einen größeren nehme damit ich keinen OP brauche, wird dann die
>Rise/Fall Time größer?

Ja.

>Wenn ich doch einen OP benutzen müsste, welchen würdet ihr mir
>vorschlagen?

Naja, einen mit vielleicht 3-10 MHz Bandbreite oder so. Der bildet dann 
mit einer PhotoDIODE einen Transimpedanzverstärker.

Lichtsensor / Helligkeitssensor

Autor: Peter R. (pnu)
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Rechne erst einmal aus, wie lange das Messobjekt den Lichtstrahl 
unterbricht.

Dann hast Du schonmal eine Information, welche Zeiten der Fototransistor 
bewältigen muss.

Fastregel dazu: Der Fototransistor muss mindestens doppelt so schnell 
sein wie die Impulslänge.

Bei einem Objekt mit 1000m/s dürften dazu Fototransistoren viel zu 
langsam sein. Die liefern keinen Impuls mehr, weil sie schon wieder mit 
der Ausgangsspannung abwärts gehen, bevor diese wegen des unterbrochenen 
Lichtstrahls angestiegen ist.

Anm: Fototransistoren arbeiten im -zig kHz-Bereich. Bei 50kHz wäre dann 
eine Halbschwingung 10µs lang. In dieser Zeit legt das Messobjekt mit 
1000m/s eine Strecke von 10cm zurück. Das Messobjekt müsste mindestens 
10 cm lang sein, damit die Fototransistoren erkennbar Aus- und 
eingeschaltet werden. Ein kürzeres Objekt würde kein sicher erkennbares 
Signal erzeugen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Lurchi (Gast)
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Statt dem Fototransistor sollte man eine Fotodiode nutzen. Mit einem 
Laser als Lichtquelle ist auch die Intensität nicht mehr so klein, und 
man bekommt auch da einen Strom im 0.1 - 1 mA Bereich. Für mehr 
Geschwindigkeit sollte die Fotodiode eine Vorspannung haben.

Statt eines kompletten TIA tut es ggf. auch ein Transistor in 
Basisschaltung.

Autor: Basti (Gast)
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ist die Kugel aus Metall? Wenn ja miss es magnetisch. Die Kugel würde 
also ein H-Feld stören wenn es an selbigen vorbeifliegt. Du müsstest 
also ein H-Feld erzeugen und ein Sensor. Sobald es schwankungen im Feld 
gibt sollte das die Kugel sein

Autor: Lothar (Gast)
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> ... 10µs lang. In dieser Zeit legt das Messobjekt mit
> 1000m/s eine Strecke von 10cm zurück.

1000 m / 1 s x 10 µs = 1 cm

Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo zusammen,

ich gehe gerne immer vom "Worst Case" aus und darum würde ich mit dieser 
Kugel berechnen. Diese wird nie mit 1000m/Sek fliegen, ist aber das 
kleinste das ich benutze:

https://de.wikipedia.org/wiki/.22_lfB

-> sie hat eine Länge von ca. 7mm, wie rechne ich nun die Zeit aus?

Ich hätte noch diese Fotodiode zuhause:
http://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf
Mit 100ns sollte die Schaltzeit ok sein oder?

Kann ich dann diese Schaltung trotzdem benutzen?
https://www.mikrocontroller.net/wikifiles/e/e3/Photo_ldr.png
Wenn ja, welchen Widerstand würdet ihr vorschlagen?


Grüße, Marco

: Bearbeitet durch User
Autor: Harald W. (wilhelms)
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Marco G. schrieb:

> Kann ich dann diese Schaltung trotzdem benutzen?
> https://www.mikrocontroller.net/wikifiles/e/e3/Photo_ldr.png

Ein LDR ist schon mal völlig ungeeignet. Was stört Dich am TIA?

Autor: Der Andere (Gast)
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Marco G. schrieb:
> wie rechne ich nun die Zeit aus?

Die GEschwindigkeit von Gewehtkugeln messen wollen aber nicht mal 
einfachste Physik oder auch nur Dreisatz beherrschen.
Prima Voraussetzungen.

Wenn die Kugel in einer Sekunde 1000m weit fliegt, wie lange braucht sie 
dann für einen mm oder einen cm?
Sorry aber das kannst du selber.

Autor: Gerd S. (sigma9)
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Normalerweise nimmt man als schnelle Detektoren PIN Dioden in passender 
Schaltung. rise time bis 80 ps möglich. Nachteil ist geringe 
Empfindlichkeit - das ist aber bei Laserbeschuss wie bei dir eher ein 
Vorteil.
Google: ultrafast diodes

Autor: Possetitjel (Gast)
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Gerd S. schrieb:

> Normalerweise nimmt man als schnelle Detektoren PIN Dioden
> in passender Schaltung. rise time bis 80 ps möglich.

Du möchtest tatsächlich die Position der Gewehrkugel
auf 80nm (!!) genau bestimmen? Wozu um alles in der Welt?

Autor: Falk B. (falk)
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@Possetitjel (Gast)

>Gerd S. schrieb:

>> Normalerweise nimmt man als schnelle Detektoren PIN Dioden
>> in passender Schaltung. rise time bis 80 ps möglich.

>Du möchtest tatsächlich die Position der Gewehrkugel
>auf 80nm (!!) genau bestimmen? Wozu um alles in der Welt?

Weil er Schwei(t)zer ist, und die machen alles SEHR genau, schau dir 
ihre Uhren an! ;-)

Autor: Gerd S. (sigma9)
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Nur Mal genau lesen: bis 80ps heisst ja nicht, dass damit 1 oder 10 
oder 100ns nicht geht...

Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo zusammen,

stimmt, rechnen ist nicht meine Stärke und gerade der Millisekunden, 
Mikrosekundenbereich bereitet mir Schwierigkeinten. Hier mein Ansatz:

1000m ≙ 1 Sekunde
1.000.000 mm ≙ 1.000.000 µs
1mm ≙ 1 µs

Ich gehe mal wieder vom "Worst Case" aus und sage die Kugel ist 5mm 
lang. Dadurch wird die Lichtschranke also 5µs unterbrochen.

Lt Datenblatt meiner Fotodiode:
http://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf
hat diese eine Fall/Raise Time von 100ns bei 10V. Sie sollte also mehr 
als ausreichend sein wenn sie sich bei 5V nicht signifikant anders 
verhält. Aus dem Datenblatt werde ich da leider nicht schlau wie sie 
sich bei 5V verhält.

Ich hoffe ich liege damit jetzt nicht vollends daneben.

Grüße, Marco

: Bearbeitet durch User
Autor: Harald W. (wilhelms)
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Marco G. schrieb:

> stimmt, rechnen ist nicht meine Stärke
> "Schwierigkeinten"

Und die Rechtschreibung anscheinend auch nicht.

Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
wie schon mehrfach geschrieben, ist ein Fototransitor ein eher behäbiger 
optischer Sensor.
Eine Pin-Fotodiode ist in der Regel viel schneller.
Die BPW34 würde schon mal prinzipiell gehen, aber auf Grund der recht 
großen Fläche hat die auch eine rel. große Kapazität.

Ich empfehle eine PIN-Fotodiode mit einer deutlich kleineren Fläche 
(z.B. so um 1mm²)
z.B. diese (BPX65)
http://www.reichelt.de/Fotodioden-etc-/BPX-65/3/in...;

Als Verstärkerschaltung solltest du einen recht schnellen OPV in
TIA-Schaltung (Trans-Impedanz-Amplifier) nutzen.
Die Diode kann mit 5V vorgespannt werden.
Da der Laser sehr viel Licht liefert, kann die Schaltung niederohmig 
ausgelegt werden und ist damit auch sehr schnell. Anstigszeiten weit 
unter 1us sind locker auch als Laie zu erreichen.

Zur Signalverabeitung würde ich das Signal erstmal kapazitiv auskoppeln.
damit wird jeder Gleichlichtanteil beseitigt.

Dann sollte evtl. noch einem Trigger-IC z.B. 74HC14, ein exaktes 
digitales Signal daraus machen. Alternativ wäre auch ein Monoflop (z.B. 
74HC125) geeignet, welches mit der Hell-Dunkel-Flanke getriggert wird. 
Das hat den Vorteil, dass auch sehr kurze Impulse sicher detektiert 
werden können.

Wenn das ganze 2 mal identisch aufgebaut wird, sollten unvermeidlichen 
Laufzeiten in den Schaltungen sich gut aufheben.

Die Auswertung mit ca. 10 MHz Abfragetakt oder schneller ergibt eine 
Auflösung von ca. 0,1us, was bei einer Messlänge von z.B. 10cm immer 
noch eine Auflösung von ca. Promille oder besser ermöglichst.
Gruß Öletronika

Autor: Philipp K. (philipp_k59)
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Im Prinzip würde ich sagen.. 2 Lichtschranken mit gleicher verzögerung = 
keine Verzögerung.

Ich habe mal einen Fototransistor gesehen der angeblich 5ns Verzögerung 
hatte.. der kostete auch nur 20cent bei Pollin.

Autor: hinz (Gast)
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Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo zusammen,

vielen Dank für die hilfreichen Tipps. Ohne einen OP wird das 
anscheinend ja nicht klappen. Welchen könnt ihr mir denn da empfehlen 
bei 5V und 20MHz getakteter Mikrocontroller? Ich habe zwar schon bei 
Conrad gestöbert, aber bin mir nicht sicher welche der richtige ist.

Grüße, Marco

Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo zusammen,

könnte der passen?

http://www.reichelt.de/TLC-272-DIP/3/index.html?AC...

Wenn nicht, auf was muss ich achten bei der Auswahl?

Grüße, Marco

Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
> Marco G. schrieb:
> könnte der passen?
>
> 
http://www.reichelt.de/TLC-272-DIP/3/index.html?AC...
Bischen lahm der Typ.
> Wenn nicht, auf was muss ich achten bei der Auswahl?
Höhere Bandbreite (kann ruhig über 10MHz liegen und auch eine höheren 
Slewrate (ab ca. 10V/us) z.B. OP37 sollte für den Zweck gut sein.

Autor: Marco G. (arccra)
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Hallo U.M.,

vielen Dank für den Tipp du hast mir extrem weitergeholfen! In dem 
Dschungel der unterschiedlichen OPs habe ich mich etwas verloren 
gefühlt. Ich habe mir nun die BPX65 Fotodiode und den OP37 bestellt und 
lese mich gerade in die Bauteile ein.

Den Trigger und den Monoflop habe ich mir auch gleich mitbestellt, ich 
hoffe aber ich muss sie nicht zum Einsatz bringen da die Schaltung 
dadurch komplizierter wird. Zur Not sind sie aber schon mal da :)

Grüße, Marco

P.S.: Hier noch eine URL für Dummies wie mich in der die englischen 
Begriffe der OP Spezifikationen auf Deutsch erklärt werden und die 
Einsatzgebiete der OPs:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm

: Bearbeitet durch User

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