Hobby-Elektronik: Einfache Lichtschranken mit Transistoren und Opamp

Die folgenden Schaltungen lassen sich mit Lichtsendern und -empfängern in dem gewünschten Lichtschrankenabstand (einige Zentimeter) diskret aufbauen, selbstverständlich können aber auch fertige oder selbstgebaute Gabellicht- oder Reflexlicht-Schranken verwendet werden.
Die Lichtsender sind in den Schaltbildern nicht dargestellt. Hierfür können vorzugsweise Infrarotdioden oder blau strahlende LEDs mit entsprechendem Vorwiderstand Rv (Rv für einen Diodenstrom von ca. 10 bis 20 mA dimensionieren) verwendet werden.
Hinweis: Die Foto-Empfänger der hier gezeigten einfachen Lichtschranken sind mehr oder weniger empfindlich gegen Fremdlicht (Lampen, Tageslicht). Sie müssen daher abgeschirmt werden. Das geschieht am besten, indem man den Fototransistor (bzw. die Fotodiode) in ein Stückchen möglichst enges, innen geschwärztes Rohr einbaut.
Professionelle, gegen Umweltlicht unempfindliche Lichtschranken sind wesentlich komplizierter aufgebaut. Hierbei arbeitet der Lichtsender meist mit frequenzmoduliertem Licht, auf das der Empfänger speziell abgestimmt ist.

Zum Testen der nachfolgenden Schaltungen habe ich als Lichtsender Infrarot-Dioden, als Lichtempfänger Infrarot-Fototransistoren und Infrarot-Fotodioden verwendet, die ich als Ausschlachtware aus Videorecordern gewonnen habe. Für Lichtschranken bestens geeignete Bauteile finden sich in jedem Videorecorder, die dort u.a. zur Kontrolle der Bandführung verwendet werden.
Das Foto zeigt einige Foto-Bauelemente, Ausschlachtware aus Videorecordern: links drei Gabellichtschranken, unten links eine Reflexlichtschranke, rechts einige Infrarot-Sendedioden und Infrarot-Fototransistoren mit Ihren Einbau-Halterungen und Fremdlicht-Abschirmungen.

Bild 1 und Bild 2: Einfache Lichtschranken
Die Fototransistoren T1, T3 seien im Grundzustand beleuchtet und durchgeschaltet, demzufolge ist in der Schaltung nach Bild 1 T2 gesperrt und das Relais abgefallen, in der Schaltung nach Bild 2 T4 leitend und das Relais angezogen. Bei Unterbrechung des Lichtstrahls zieht in der Schaltung nach Bild 1 das Relais an (Kontakt schließt), in der Schaltung nach Bild 2 fällt das Relais ab (Kontakt öffnet).

Für T1, T3 ist nur beispielhaft der Typ BPX25 angegeben, andere Typen, z.B. Ausschlachtware, ist bestens geeignet.
Statt des Relais können selbstverständlich dem gewünschten Zweck entsprechend andere Bauelemente eingesetzt werden. Im einfachsten Fall tut's eine LED mit Vorwiderstand als Anzeige oder ein Arbeits-Widerstand RL (1k bis 10kOhm), an dem das Signal zur weiteren Verarbeitung, z.B. zum Ansteuern eines Aufenthaltsschalters auf der Modellbahnabgegriffen werden kann.

Bild 3 Lichtschranke mit Kippschaltung (Schmitt-Trigger)
Bewährte für den praktischen Gebrauch einfache, empfehlenswerte Lichtschranken-Schaltung !
Bei beleuchtetem Fototransistor T1 ist T2 leitend, T3, T4 gesperrt und durch RL fließt kein Strom, bei Unterbrechung des Lichtstrahls kippt die aus T2, T3 gebildete Kippstufe, T4 wird leitend und durch RL fließt Strom.
Der Arbeitswiderstand RL steht hier ersatzweise für ggf. andere dem gewünschten Zweck entsprechende Bauelemente, z.B. eine LED-Anzeige oder ein Relais.
Die Größe von R1 hängt von den Eigenschaften von T1 bzw. D1 ab und ist so zu wählen, daß T2 bei unbeleuchtetem T1 sicher sperrt und bei beleuchtetem T1 sicher durchschaltet.
Anstelle des Fototransistors T1 kann auch eine Fotodiode D1 (versuchsweise auch ein Fotowiderstand (LDR)) verwendet werden. Fotodioden haben allerdings eine ca. 100mal geringere Empfindlichkeit als Fototransistoren. Fotodioden werden in Sperrrichtung (!) betrieben. Die Wirkweise der Fotodiode besteht darin, daß sich der Sperrstrom bei Auftreffen von Photonen sprunghaft erhöht.
Bei nicht zu großen Abständen zwischen Lichtsender und Empfänger (einige cm) sind Fotodioden als Lichtempfänger vorzuziehen, da dann die Fremdlicht-Empfindlichkeit der Lichtschranke nicht so groß ist.
Bild 4 Lichtschranke mit Kippschaltung
Die Schaltung ist hier mit NPN-Transistoren in der Kippstufe aufgebaut, ihre Funktion entspricht der in Bild 3 gezeigten Schaltung. Zu R1 und R2 siehe das zu R1 in Bild 3 Gesagte.

Bild 5 Zuverlässige Lichtschranke mit Kippstufe und vorgesetztem Emitterfolger
Die Schaltung entspricht weitgehend der in Bild 4 gezeigten Schaltung. Die Zenerdiode hat die Funktion T4 sicher gesperrt zu halten, falls die Kollektorspannung von T3 im durchgeschalteten Zustand (zufolge Spannungsabfall an R8) nicht niedrig genug liegt. Der Wert von D2 ist entsprechend zu wählen. D2 kann auch versuchsweise durch einen Widerstand (22 kOhm) oder einen Spannungsteiler vom Kollektor von T3 nach GND verwendet werden, an dessen Abgriff die Basis von T4 gelegt wird.
Zu R1 und zu RL siehe das zu R1 bzw. zu RL bei Bild 3 Gesagte.
Schaltungsvariante: R2 entfällt, zwischen Emitter T1 und Basis T2 wird ein Widerstand 22k eingefügt und von der Basis T2 ein Widerstand 47k nach GND gelegt.
(üa. 9.9.2005)

Bild 6 zeigt eine einfache mit einem Operationsverstärker 741 aufgebaute Lichtschranke und einem LDR (light dependent resistor = lichtabhängiger Widerstand) als Lichtsensor. Zur Beleuchtung des LDR könnte ein Glühbirnchen verwendet werden. Mit R2 wird die Empfindlichkeit der Schaltung eingestellt.
Die Widerstände an den Eingängen des Opamps bilden eine Brückenschaltung. (Näheres hierzu siehe Opamp-Schaltungen.)

Die Schaltung kann auch als Tageslichtsensor oder Nachtlicht-Einschalter verwendet werden, je nachdem, ob der Ruhe- oder Arbeitskontakt des Relais verwendet wird.
Auch kann der LDR mit R2 vertauscht werden, so daß man den umgekehrten Schalteffekt erreicht.

(9.9.2005)
(3.9.2008)