Optische Schalter sind ziemlich coole kleine Geräte, mit denen man Dinge ohne physischen Kontakt erkennen kann. Ich habe im Laufe der Jahre viel mit ihnen herumgespielt, vor allem beim Bau von Sensoren für Automatisierungsgeräte. Sie sind im Grunde eine Möglichkeit, Licht in ein Ein/Aus-Signal zu verwandeln, und mit Silizium-Phototransistor von Anbietern wie Bee Photon macht es einfach und zuverlässig.
Wenn Sie sich in optisches Schalterdesign, Sie fragen sich wahrscheinlich, wie man ein solches Gerät herstellen kann, das in realen Situationen gut funktioniert. Wir sprechen hier von geschlitzten oder reflektierenden Typen - die Art, die in allem von Zählern bis hin zu Positionsdetektoren verwendet wird. Und ja, Si-PIN-Phototransistoren (das sind Silizium-Phototransistoren mit einer PIN-Struktur für bessere Empfindlichkeit) sind hier eine gute Wahl, weil sie das Lichtsignal gut verstärken.
Dieser Leitfaden basiert auf praktischen Erfahrungen, die ich gemacht habe, und auf dem, was meiner Erfahrung nach in praktischen Anwendungen am besten funktioniert. Wir werden die Grundlagen behandeln, wie man eine einfache Foto-Unterbrecher-Schaltung, einige wichtige Gestaltungstipps und sogar Beispiele aus der Praxis, bei denen sie zum Einsatz kommen. Fangen wir an.
Was macht einen optischen Schalter aus?
Im Kern ist ein optischer Schalter ein Paar aus einer Infrarot-LED und einem Fototransistor. Die LED sendet Licht aus, und der Fototransistor nimmt es auf. Wenn etwas den Lichtstrahl blockiert - wie eine Fahne oder ein Objekt, das durch einen Schlitz gleitet - hört der Fototransistor auf zu leiten, und schon hat man seinen Schalter umgelegt.
Warum lieber optisch als mechanisch? Keine beweglichen Teile bedeuten viel weniger Verschleiß. Mechanische Schalter können nach Millionen von Zyklen aufgrund von Kontaktprellen oder Staub ausfallen, während optische Schalter oft mehr als 100 Millionen Betätigungen überstehen, ohne ins Schwitzen zu geraten. Außerdem sind sie in einigen Konfigurationen immun gegen elektrisches Rauschen, und die Reaktionszeiten können Mikrosekunden betragen.
Si-PIN-Fototransistoren eignen sich hervorragend dafür, da sie durch die PIN-Struktur eine größere aktive Fläche haben und schneller reagieren als einfache Fototransistoren. Typische Anstiegs-/Abfallzeiten liegen bei normaler Belastung bei etwa 5-15 Mikrosekunden - schnell genug für die meisten Zähl- oder Erfassungsaufgaben.
Si-Phototransistor PTCP Serie PTCP001-102
Hochempfindlicher Silizium-Phototransistor zur präzisen Erfassung im Spektralbereich von 800-1100 nm. Dieser schwarze Kunststoff-IR-Sensor gewährleistet minimales Rauschen und hohe Zuverlässigkeit. Ideal für industrielle Anwendungen, die einen robusten Silizium-Phototransistor mit hervorragender Ansprechgeschwindigkeit erfordern.
Grundlegende Komponenten, die Sie benötigen
So bauen Sie eine einfache optisches Schalterdesign, nimm diese:
- Infrarot-LED (Wellenlänge 850-950nm funktioniert am besten mit Siliziumdetektoren)
- Si-Fototransistor (wie der in den Bee Photon's Silizium-Phototransistor Aufstellung)
- Widerstände zur Strombegrenzung
- Stromversorgung (5V ist üblich)
- Vielleicht ein Komparator oder Schmitt-Trigger für einen sauberen digitalen Ausgang
Hier ist eine kurze Tabelle mit gängigen Werten, die ich verwendet habe:
| Komponente | Typischer Wert/Teil | Warum es wichtig ist |
|---|---|---|
| IR-LED | 5mm, 940nm, 20-50mA Vorwärtsstrom | Entspricht der Spitzenempfindlichkeit von Si-Phototransistoren |
| Fototransistor | Si-PIN-Typ, z. B. PTCP-Serie | Hohe Verstärkung (100-1000), gute Reaktionszeit |
| LED-Widerstand | 220-470Ω (für 5V Versorgung) | Begrenzt den Strom auf sichere Werte |
| Kollektorwiderstand | 10k-100kΩ | Stellt Ausgangsschwingung und Geschwindigkeit ein |
| Versorgungsspannung | 5-12V | Einfacher und sicherer geht es nicht |
Diese Angaben sind Richtwerte - überprüfen Sie immer die Datenblätter.
Schritt für Schritt: Aufbau einer geschlitzten Photounterbrecher-Schaltung
Der geschlitzte Typ (auch bekannt als Foto-Unterbrecher-Schaltung) ist der Klassiker für optische Schaltanwendungen. Es ist ganz einfach und super zuverlässig.
- Verdrahten Sie die IR-LED: Anode über einen Widerstand an +V, Kathode an Masse. Ziel für 20-30mA - zu viel und es wird durchbrennen, zu wenig und schwaches Signal.
- Fototransistor-Seite: Kollektor an +V über Pull-up-Widerstand (beginnen Sie mit 47kΩ), Emitter an Masse. Ausgang vom Kollektor abgenommen.
- Ausrichten: Bei einer geschlitzten Anordnung stehen sich LED und Fototransistor mit einem kleinen Abstand (normalerweise 3-5 mm) gegenüber. Wenn das Licht auf den Transistor trifft, leitet er, und der Ausgang geht auf low. Wird es blockiert, geht der Ausgang auf high.
Ich habe Dutzende solcher Geräte zur Objekterkennung gebaut. Einmal haben wir in einer Förderanlage (um anonym zu bleiben) Si-Fototransistoren verwendet, um Teile zu zählen, die mit angemessener Geschwindigkeit vorbeifliegen. Die Reaktion war schnell genug - selbst bei ein paar Hundert pro Minute ging nichts daneben.
Um es digitalfreundlich zu machen, fügen Sie einen Schmitt-Trigger (wie in einem 74HC14) für scharfe Kanten hinzu. Hilft bei Rauschen.
Reflektierend vs. Durchlässig
- Durchlässig (geschlitzt): Der Strahl wird direkt unterbrochen. Ideal für die präzise Positionierung.
- Reflektierend: Das Licht prallt vom Objekt zurück zum Detektor. Praktisch für Annäherung ohne Schlitz.
Beide funktionieren mit Si-PIN-Fototransistoren, aber transmissive liefern oft klarere Signale.
Wichtige Design-Tipps für bessere Leistung
Aus Erfahrung weiß ich, was die Leute stört:
- Unterdrückung von Umgebungslicht: Nur IR verwenden und im Freien abschirmen. Viele Si-Phototransistoren haben Tageslichtfilter.
- Geschwindigkeitsverbesserungen: Niedrigerer Kollektorwiderstand für schnelleren Anstieg/Abfall, aber Achtung: geringere Empfindlichkeit. Typische Zeiten: 10µs Anstieg, 15µs Abfall.
- Verstärkung und Sättigung: Fototransistoren verstärken sich - Verstärkungen von 500+ sind üblich. Vermeiden Sie eine Sättigung mit zu viel Licht; dies verlangsamt die Abschaltung.
- Leistungseffizienz: LEDs pulsieren, wenn man sie nicht ständig braucht - das spart Saft im Akku.
Bei einem Projekt zur Erkennung rotierender Scheiben für die Geschwindigkeitsmessung haben wir die LED mit 50% gepulst und saubere Pulse bis zu 10kHz erhalten.
Si-Phototransistor PTCP Serie PTCP001-202
Verbessern Sie Ihre Schaltlösungen mit diesem 800-1100nm NPN-Phototransistor. Er eignet sich perfekt für fotoelektrische Schalter und bietet eine hohe Verlustleistung von bis zu 90 mW. Dieser Silizium-Phototransistor bietet eine konstante Leistung in rauen Umgebungen von -40°C bis +85°C.
Optische Vermittlungsanwendungen in der Praxis
Das sind nicht nur Laborspielzeuge. In der Industrie:
- Zählen von Objekten: Förderbänder - Erkennen Sie vorbeilaufende Kartons oder Flaschen.
- Positionserfassung: Drucker verwenden sie zur Papierkantenerkennung.
- Drehgeber: Schlitzscheiben für Motordrehzahl/-position - viel zuverlässiger als mechanisch.
- Sicherheitsverriegelungen: Türen oder Tore - Strahlunterbrechung löst Stopp aus.
Ein Kunde aus der Automatisierungsbranche (ohne Namen zu nennen) wechselte in einer staubreichen Umgebung von mechanischen zu optischen Systemen. Die Ausfallzeiten gingen deutlich zurück - keine Kontaktausfälle mehr.
Im Vergleich zu mechanischen Schaltern haben optische Schalter keinen Rückprall, eine längere Lebensdauer und kein Funkenrisiko in explosionsgefährdeten Bereichen.
Erweiterte Tweaks und Fehlerbehebung
Wenn die Grundausstattung nicht ausreicht:
- Fügen Sie einen Basiswiderstand für eine schnellere Abschaltung hinzu (reduziert die gespeicherte Ladung).
- Verwenden Sie Darlington-Fototransistoren für Mega-Empfindlichkeit, aber langsamer.
- Für Rauschen verwenden Sie differenzielles oder moduliertes Licht.
Häufige Probleme: Falsche Ausrichtung (der größte Killer), falsche Wellenlänge oder zu viel Umgebungslicht.
Warum Bee Photon Si-Phototransistoren wählen?
Wir haben die Bee Photon's Silizium-Phototransistor Teile in mehreren Builds - konsistente Leistung, gute spektrale Übereinstimmung mit gängigen IR-LEDs und solide Dokumentation. Wenn Sie ein Prototyping einer optisches Schalterdesign, sind sie eine sichere Sache.
FAQ
Was ist der Hauptvorteil von optischen Schaltern gegenüber mechanischen Schaltern?
Kein physischer Kontakt bedeutet eine längere Lebensdauer (oft über 100 Mio. Zyklen im Vergleich zu 50 Mio. Zyklen bei mechanischen Geräten), kein Rückprallen und bessere Ergebnisse in schmutzigen Umgebungen. Auch die Reaktionszeit kann schneller sein - Mikrosekunden statt Millisekunden manchmal.
Wie schnell sind Si-PIN-Phototransistoren in optischen Schaltern?
Typische Anstiegs-/Abfallzeiten 5-20µs, je nach Last. Gut geeignet für die meisten Abtastungen, bis hin zu Schaltungen mit einigen zehn kHz.
Kann ich diese für Außenanwendungen verwenden?
Ja, aber schütze dich vor Sonnenlicht oder verwende moduliertes IR, um die Umgebung zu filtern. Viele haben integrierte Filter.
Wie kann ich meine Lichtschranke auf einfache Weise testen?
Verbinden Sie den Ausgang mit einer LED oder einem Multimeter. Den Strahl sperren/freigeben und die Spannungsschwankungen beobachten.
Wenn Sie Fragen zu Ihrem speziellen Thema haben optische Schaltanwendung oder Teile wie Si-Phototransistoren benötigen, wenden Sie sich bitte an info@photo-detector.com oder prüfen https://photo-detector.com/contact-us/. Wir können Kostenvoranschläge oder individuelle Anpassungen besprechen - wir helfen Ihnen gerne, Ihr Projekt ins Rollen zu bringen.
