Rolfs N-Bahn
  Lichtschranken alt
 

     
     

Lichtschranken als Gleisbesetztmelder    
     
Ich habe verschiedene Schaltungen für Gleisbesetztmelder ausprobiert, aber alle haben einige Nachteile die mir nicht gefallen, auch wenn sie meist sehr Zuverlässig arbeiten. Viele Schaltungen überwachen den Fahrstrom, so das stromlose Abschnitte nicht überwacht werden können oder man muss eine Hilfsspannung anlegen. 
Reedkontakte oder Hall-Sensoren haben den Nachteil das man die Fahrzeuge mit Magneten ausrüsten muss.

Inzwischen wird alles auf meiner Anlage durch Lichtschranken überwacht.

Vor einiger Zeit habe ich einige Experimente mit Lichtschanken gemacht, die zeigen wie einfach das geht. Der Aufwand ist auch viel kleiner wie viele denken. Da die Fragen zu Lichtschanken immer wieder auftauchen habe ich diese alte Seite wieder frei geschaltet.

   

 

Bisher habe ich einen Bausatz von Conrad verwendet.


www.conrad.de/goto.php
     
Dieser Bausatz lässt sich leicht nachbauen. Die Kosten für solch einen Bausatz sind aber zu hoch, zumal die versprochene Unempfindlichkeit gegen Fremdlicht nicht meinen Erfahrungen entspricht. Die IR-LED und der Fototransistor muss sehr gut gegen Fremdlicht abgeschirmt werden. Aus diesem Grund habe ich diese Lichtschranken nicht mehr eingesetzt.

Es geht auch viel einfacher, zur Demonstration habe ich drei verschiedene Lichtschranken auf Lochrasterplatinen aufgebaut. 
Mit diesen Lichtschranken lassen sich nahezu alle Probleme lösen. Das soll eine Anregung sein es auch einmal zu versuchen. Ein Stück Lochrasterplatine ist völlig ausreichen.
   
  Eine Lichtschranke sollte für den Betrachter möglichst unsichtbar sein. Aus diesem Grund sollte man Infrarot-LEDs verwenden. Diese gibt es in verschiedenen Bauformen, einige zeige ich hier. 
Fototransistoren bekommt man in den selben Bauformen.

Verwendete IR-LEDs Verwenete IR-Transistoren
LD 271 BPW 40
L-934F3BT LPT 80 A
IRL 81 A  
 
IR-LEDs werden wie normale LEDs verwendet. Für ihren Betrieb wird ein Vorwiderstand benötigt.  
 

Bei IR-LEDs kann man mit bloßem Auge nicht erkennen ob sie leuchten, das ist ja auch so gewollt. Bei der Überprüfung einer Schaltung ist es aber wichtig zu erkennen ob die IR-LED leuchtet. Dabei kann einem eine Digitalkamera oder ein Fotohandy helfen, da deren Fotosensor auch für Infrarotlicht empfindlich ist. So ist der Zustand der IR-LED auf dem Display durch ein schwaches blaues Licht erkennbar.

     
Lichtschranke 1    
     
  Die Schaltung ist für eine Spannung für 5V ausgelegt, kann aber auch auf jede andere Spannung umgerechnet werden. Um verpolungen der Versuchsschaltung zu vermeiden ist die Diode D1 vorgesehen. Zur Kontrolle der Betriebsspannung habe ich die LED2 und den Vorwiderstand R4 verwendet.
Für die IR-LED wird ein Vorwiderstand R1 benötigt. Auf der Empfängerseite schaltet ein Transistor über R3 eine LED, man kann aber dort auch ein Relais oder den Eingang anderer Schaltungen betreiben. Der Arbeitspunkt des T2 wird mit dem Einstellregler P1 eingestellt. Bei Lichteinfall auf den IR-Transistor T1 wird die Basis des T2 mit der Masse verbunden und der Transistor T2 sperrt. Bei einer Unterbrechung der Lichtschranke sperrt der IR-Tansistor und die Basis des T2 erhält eine positive Spannung über P1 und R2 und schaltet die LED1 über den Vorwiderstand R3.

Diese Schaltung hat einen großen Nachteil, sie ist sehr empfindlich auf Fremdlicht. So arbeitet die hier gezeigte Schaltung erst wenn die Schaltung gegen das einfallende Licht vom Fenster abgedunkelt wird.
 

Lichtschranke nicht unterbrochen, die LED1 leuchtet nicht.

 

Lichtschranke unterbrochen, wegen einfallendem Fremdlicht leuchtet die LED1 nicht.

 

Lichtschranke unterbrochen und abgedunkelt, die LED1 leuchtet.


Die gezeigte Lichtschranke kann man so nur eingeschenkt verwenden. DieLichtschranken ist nur im unterirdischen Bereich der Modellbahn ein zusetzen. Für den oberirdischen Bereich sind die Lichtschranken 2 und 3, die gegen Fremdlicht unempfindlich sind besser.
     
Lichtschranke 2
 
Diese Lichtschranke ist in jedem Bereich ein zu setzen, auch dort wo mit Fremdlicht zu rechnen ist. Der Preis des IC IS471F mit etwa 5 Euro etwas hoch.
     
 


 

Für diese Lichtschranke verwende ich einen Distanssensor IS471F, an diesem IC kann direkt eine IR-LED angeschlossen werden, die dann ein Moduliertes Licht sendet. Der IC soll nicht auf Fremdlicht reagieren, bei meinen Test kann ich das bestätigen. So konnte auch eine Leuchtstofflampe den IC nicht irritieren. Direkte Sonneneinstrahlung hat die LED überstrahlt, dafür müsste eine stärkere LED verwendet werden.

Durch seine geringe Größe kann man den IC und eine 3mm IR-LED auch direkt ins Gleis einbauen, so das die Lichtschranke als Reflektions-Lichtschranke verwendet werden kann.

 
Datenblatt   IS471F


 

Der Aufbau der Schaltung ist wieder sehr einfach. Um verpolungen der Versuchsschaltung zu vermeiden ist die Diode D1 vorgesehen. Zur Kontrolle der Betriebsspannung habe ich die LED2 und den Vorwiderstand R4 verwendet. Möglichst dicht am IC IS471F muss ein Kondensator von 33nF angeschlossen werden. Von Plus wird die IR-LED zum Ausgang 4 des IC gelegt. Der Ausgang 2 des IC liefert ein TTL-Signal, so das an den IC eine Digitalschaltung direkt angeschlossen werden kann.


Für meinen Versuchsaufbau liegt die Basis des T2 über einen Widerstand R2 am Ausgang 2 des IC. Bei einer Unterbrechung des Lichtstrahls steuert der T2 durch und die LED1 leuchtet.

 
     
     
Lichtschranke 3
 

Diese Lichtschranke arbeitet als Reflektions-Lichtschranke mit einem IS471F und der 3mm IR-LED L-934F3BT.

Da die IR-LED und der IC nebeneinander im Gleis eingebaut sind, leuchtet die LED in der Grundstellung, wen die Schaltung der Lichtschrank 2 erwendet wird. Erst wenn ein Fahrzeug die Lichtschranke überfährt erlischt die LED.

So kann man die Lichtschranke nicht gebrauchen, dazu müssten die Ausgangssignale invertiert werden. Dazu ist ein weiterer Transistor erforderlich.

 
 
     


 

Der Aufbau der Schaltung entspricht der vorherigen. Um verpolungen der Versuchsschaltung zu vermeiden ist die Diode D1 vorgesehen. Zur Kontrolle der Betriebsspannung habe ich die LED2 und den Vorwiderstand R4 verwendet. Mölichst dicht am IC IS471F muss ein Kondensator von 33nF angeschlossen werden. Von Plus wird die IR-LED zum Ausgang 4 des IC gelegt. Der Ausgang 2 liefert ein TTL-Signal so das an den IC eine Digitalschaltung direkt angeschlossen werden. 
Überfährt ein Fahrzeug die Lichtschranke, liegt am Ausgang 2 des IC ein negatives Potential und der Transistor T2 sperrt. Die Basis des Transistors T3 wird über den Widerstand R5 nach Plus gezogen und der Transistor T3 steuert durch so das die LED1 leuchtet.

 

 
     
 
Eine LED als Ausgangssignal hilft einem nicht wirklich weiter. So kann die LED durch ein Relais ersetzt werden. Wichtig ist die Freilaufdiode D2 die den Transistor T3 beim abschalten des Relais vor entstehende Induktionsströme schützt.

Alle Preise Stand          Mai,2009
Lichtschranken   Conrad   Reichelt   Conrad Downloadcenter
R1, R3, R4 180 Ohm 40 31 64 0,10€ 1/4 180 0,10€  
R2 2,2 KOhm 40 32 96 0,10€ 1/4 2,2K 0,10€  
R5 10 KOhm 40 33 77 0,10€ 1/4 10K 0,10  
P1 10 KOhm 43 08 62 0,46€ PT 6-L 10K 0,22€  
D1, D2 1 N4001 16 22 13 0,08€ 1N 4001 0,09€  
IR-LED1 LD 271 18 43 65 0,57€ LD271 0,22€ Datenblatt LD 271
IR-LED2 L-934F3BT 15 43 80 0,35 nicht im Sortiment   Datenblatt L-934F3BT
IC IS471F 18 50 94 5,22€ nicht im Sortiment   Datenblatt IS471F
T1 LPT 80 A 15 34 70 1,03€ LPT 80 0,40€ Datenblatt LPT 80
T1 BPW 40 18 40 55 0,91€ BPW 40 0,29€ Datenblatt BPW 40
T2, T3 BC 547 15 47 09 0,13€ BC 547A 0,03€ Datenblatt BC547A
LED1, LED2 LEC 5 MM DIFFUS Grün 18 47 05 0,07€ LED 5MM ST GN 0,08€  
Rl1 5V/DC 56Ohm 1xUM 50 51 88 1,35€      
Rl1 6V/DC 68Ohm 2xUM 50 39 75 2,36€      

6a. Die Anwendung der Lichtschranke    
     
Die Lichtschranken wie oben gezeigt lassen sich so nicht einsetzen. Sie zeigen nur an das ein Zug vorbeigefahren ist. Das ist zum Auslösen einer Schaltung ausreichen, aber eine Gleisbesetztanzeige soll einen Gleisabschnitt überwachen. Somit werden drei Auslösungen benötigt.
-         Der Zug ist in den Abschnitt eingefahren.
-         Der Zug steht in dem Abschnitt.
-         Der Zug hat den Abschnitt verlassen.
Um diese Bedingungen zu erfüllen werden zwei Lichtschranken und ein Bistabiler Multivibrator (Flip-Flop) benötigt. Dieser speichert einen Zustand bis der Zustand wieder gelöscht wird. Für solch eine Schaltung reichen wenige Bauteile. Da ich alle Schaltungen mit 5V betreibe bieten sich TTL-Schaltkreise an. Die Schaltung lies sich auch mit Transistoren aufbauen, aber ich habe in meiner Bastelkiste noch einige DDR-ICs die dafür verwendet werden können und es soll wieder so preiswert wie möglich werden.
Die hier gezeigte Schaltung kann nur für Gleise, die in einer Richtung befahren werden verwendet werden. Der Grund leuchtet schnell ein, da der erste Eingang das Flip-Flop setzt und der zweite Eingang das Flip-Flop löscht.
Für eine eingleisige Strecke die in beide Richtungen befahren wird, müsste zuerst die Fahrtrichtung erkannt werden und erst dann das Flip-Flop gesetzt werde. Mit TTL-Schaltkreisen wäre dies auch möglich, würde aber einen zu großen Schaltungsaufwand bedeuten, den ich als nicht gerechtfertigt ansehe. Heute sind Mikroprozessoren so preiswert geworden das sich größere TTL-Schaltungen nicht lohnen.
 
Ein Nachteil ergibt sich bei dem Einsetzen von Flip-Flops als Speicher. Wird die Anlage abgeschaltet und wieder eingeschaltet sind alle Flip-Flops zurückgesetzt und somit werden alle besetzten Abschnitte als Frei erkannt. Somit ergibt sich wieder ein Vorteil beim Einsatz eines Mikroprosessors, könnte dieser den Zustand in einem EEPROM speichern und beim Einschalten der Anlage werden alle Abschnitte wieder richtig erkannt.
   
     
   
Bei einer PC-Steuerung werden die Lichtschranken an den Kontakten K1 und K2 direkt abgefragt und das Speicherproblem besteht ebenfalls nicht.
 
Nun möchte ich meine Anlage auch mal schnell ohne den PC fahren lassen und da meine Anlage leicht überschaubar ist sind in der Schaltung der Taster S1 vorgesehen, mit diesem kann ich das Flip-Flop beim einschalten der Anlage als Besetzt setzen und das Problem ist beseitigt.
 
Das Flip-Flop wird mit den Gattern IC1/3 und IC1/4 gebildet. Da ich den IC DL000 verwende (welcher dem 74IS00 entspricht) sind die Gatter IC1/1 und IC1/2 notwendig um das Eingangssignal zu invertieren. Das Flip-Flop wird sofort beim unterbrechen der Lichtschranke T1 zurückgesetzt. Da ich aber erst nach dem durchfahren des letzten Wagens das Ausgangssignal zurückgesetzt haben möchte, ist die Diode D1 vorgesehen, die das Flip-Flop überbrückt. Die Diode 2 ist als Schutz des Ausgangs des IC1/4 notwendig.
   
   
Das Ganze hört sich für den elektronisch ungeübten Bastler sicher etwas verwirrend an, ein paar Versuche auf einem Steckbrett zeigen schnell, das ist alles nicht so Kompliziert.
Für den Test habe ich auf die IR-LEDs und die IR-Transistoren verzichtet.
Ganz links sind die beiden Widerstände R5, R7 zusehen und die IR-Transistoren werden durch die gelbe und rote Drahtbrücke simuliert, welche nur kurzzeitig gezogen werden müssen.
 
Also einfach mal ausprobieren.
Mit der folgenden Bilderserie zeige ich die Funktionsweise der Lichtschranke bei einem Versuchsaufbau. Natürlich werden beim Einsatz auf der Anlage auch zwei IR-LEDs benötigt, stehen dort die beiden IR-Transistoren nicht so dicht beisammen.
   
     
  Grundstellung der Lichtschranke.
  Die Lichtschranke wird ausgelöst.
  Der Zustand ist nach der Unterbrechung gespeichert. 
  Durch die Unterbrechung wird das Flip-Flop zurückesetzt, aber die Diode D1 hält den Ausgang bis zum Ende der Unterbrechung aktiv.
  Nach der Unterbrechung, ist die Lichtschranke wieder in der Grundstellung.
     
Reflexlichtschranke mit dem ATtiny13
 
   
Ich habe eine freundliche Emil bekommen in der ich auf eine Lichtschranke mit einem NE567 hingewiesen wurde, diese soll völlig unempfindlich auf Fremdlicht arbeitet. Ich habe dann ein wenig gegoogelt und bin auf die Mini-Reflexlichtschranke von ELV gestoßen. Da ich zur Zeit Experimente mit dem Mikrocontroller ATtiny13 mache, habe ich versucht solch eine Reflexlichtschranke mit dem ATtiny13 zu bauen, war gar nicht so schwierig. Bei Tests hat sich gezeigt das die Lichtschranke auch im Freien bei schräg einfallender Nachmittagssonne nicht auf Fremdlicht reagierte.    

Die Schaltung und die Schaltungsbeschreibung habe ich von der Seite genommen, da ich diese Schaltung so nicht mehr verwenden werde.
 
Die Schaltung wird zur Zeit überarbeitet und in Zukunft mit einem anderen Mikrocontroller betrieben.


   

Der Optokoppler passt gut in das Gleis, es muste nur eine Schwelle entfernt werden.


     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
 
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