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Mit Licht schalten

Mit Licht schalten

Veröffentlicht am 25.10.2022

Ohne Präparieren des Rollmaterials kommen Lichtschranken aus – fast.

Das Funktionsprinzip der ist denkbar einfach: Eine Lichtquelle und ein auf Lichteinfall reagierendes elektrisches Bauteil sind so angeordnet, dass das gesendete Licht auf den Empfänger trifft und dort einen Stromfluss auslöst. Auch hier wird ein galvanisch getrennter Stromkreis geschaltet, der nichts mit der Fahrspannung zu tun hat.

Es gibt zahlreiche verschiedene lichtempfindliche Bauteile, zum Beispiel Fotowiderstände, Fotodioden oder Fototransistoren. Die zuletzt genannten haben sich als Quasistandard in diesem Anwendungsbereich durchgesetzt.

Symbole FototransistorSymbole FototransistorAm Symbol des Fototransistors sehen Sie ganz deutlich: Dieses Bauteil hat keinen Basisanschluss! (Es gibt auch Fototransistoren mit Basisanschluss, bei denen die Lichtempfindlichkeit durch den Basisstrom verändert werden kann.) Die Funktion des Basisstroms übernimmt der Lichteinfall, das Licht macht die Basis leitend. Ansonsten gibt es keinen Unterschied in der Funktion des Fototransistors gegenüber normalen Transistoren.

Als Bauteil sieht ein Fototransistor meist aus wie eine Leuchtdiode mit rauchfarbenem Gehäuse. Der längere Anschluss ist der Emitter. Handelsübliche Lichtschranken, also jene, die von Modellbahn-Zube­hör­lieferanten angeboten werden, sind meist schon in ein Gehäuse eingebaut und damit recht klobig. Es bedarf schon einer Menge Schaumflocken, um diese auffälligen Teile in der freien Landschaft wegzutarnen. Selbstbau aus Einzelteilen ist da schon eher probat, zumal es auch Miniaturausführungen (3 mm und kleiner) von Fototransistoren und passenden Leuchtdioden gibt.

Mit Fototransistoren lassen sich leistungsschwache Verbraucher wie Lampen oder LED direkt schalten. Für Magnetartikel gilt auch hier die Devise, dass ein hochohmiges Relais oder ein Leistungstransistor nachgeschaltet werden muss.

Bild LichtschrankenBild Lichtschranken

Unterbrechung oder Reflex?

Es gibt zwei Grundprinzipen der Lichtschranke. Die eigentliche Lichtschranke, die dieser Technologie auch den Namen gab, ist die Unterbrecherlichtschranke. Dabei fällt im Ruhezustand permanent Licht auf den deshalb leitenden Fototransistor. Als aktiver Zustand gilt die Unterbrechung des Lichtstrahls, also wenn der Fototransistor sperrt.

Das Gegenstück und Gegenteil ist die Reflexlichtschranke. Bei ihr sind Sender und Empfänger so angeordnet, dass im Ruhebetrieb kein Licht auf dem Empfänger fällt, der Transistor also sperrt. Erst wenn das Licht von einem vorbei oder darüber fahrenden Fahrzeug reflektiert wird, kann der Fototransistor durchschalten.

Eigentlich sollten die Reflektionen der Achsen ausreichen, die Reflexlichtschranke ansprechen zu lassen. Falls nicht, kleben Sie ein Stück Alu-Klebefolie unter den Fahrzeugboden.

Beide Formen der Lichtschranke haben Vor- und Nachteile. So muss die Unterbrecherlichtschranke auf beiden Seiten des Gleises platziert werden, was einen höheren Aufwand an Tarnung mit sich bringt. Die Reflexlichtschranke dagegen lässt sich zwar gut im Gleisbett verstecken, ist aber aus zwei Ursachen wesentlich störanfälliger: Das Umgebungslicht lässt sich schlechter abschirmen, weil die lichtempfindliche Detektorfläche des Transistors nach oben weist, und die reflektierten Lichtstrahlen sind weniger intensiv als direkt auftreffende. Deshalb sollten Sie, wenn die Geländeverhältnisse es zulassen, der Unterbrecherlichtschranke den Vorzug geben.

Problem Umgebungslicht

In der Regel wird mit infrarotem Licht geschaltet, das gegenüber sichtbarem Licht zwei Vorteile hat. Zunächst einmal sieht man es nicht, die Lichtschranke fällt also auch nicht durch einen Lichtstrahl auf. Weiterhin sind Infrarot-Transistoren weniger empfindlich gegenüber dem Umgebungslicht, wodurch die Lichtschranke weniger störanfällig wird. Leider sind sie aber nicht völlig unempfindlich gegenüber sichtbarem Licht, so dass man gegen Fremdlichteinfall doch Vorkehrungen treffen muss. Die optischen Maßnahmen wie lange Röhren vor dem Transistor oder vorgeklebte Filterfolien mögen wirkungsvoll sein, hundertprozentig aber nützen sie nicht. Erst eine elektronische Hilfe sorgt für volle Betriebssicherheit.

Um das Umgebungslicht als Störfaktor auszuschalten, empfiehlt sich die Verwendung von moduliertem Licht für die Lichtschranke. Dabei werden nur die vom Fototransistor aufgefangenen Signale verarbeitet, die zusätzlich zu ihrer Lichtfrequenz in einer bestimmten anderen, langsameren Frequenz schwingen. Gleichmäßig auffallendes Licht wird ignoriert, nur die von der mit der richtigen Frequenz schwingenden Leuchtdiode kommenden Lichtstrahlen führen zu einer Reaktion.

Der Schaltungsaufwand für so eine Filterschaltung ist gar nicht mal hoch; es gibt sie komplett zu kaufen.

Bild ModulatorBild ModulatorEin Spezial-IC mit der Bezeichnung IS 471 F enthält bereits alle Komponenten, die zur Auswertung des auftreffenden Lichts benötigt werden. Daneben verfügt dieser Infrarot-Detektor über ein integriertes Modulationssystem, das die korrekte Modulationsfrequenz an einem Ausgang zur Verfügung stellt. Wird dort die Sende-LED angeschlossen, schwingt sie im richtigen Rhythmus. Dieser IC arbeitet im uns so sympathischen Spannungsbereich zwischen 4,5 und 16 V, liefert am Ausgang maximal 50 mA und ist bis zu 250 mW belastbar. 

Im inaktiven, unbeleuchteten Zustand liefert der IC an seinem Ausgang positives Potential von max. 5 V, das bei (passendem) Lichteinfall auf Minus kippt. 

Die Abmessungen des IS 471 mit 5×5×2,5 mm und einer passenden Infrarotdiode in SMD-Technik mit 0,8×1,6×0.8 mm sind so gering, dass sich beide Bauteile als Reflexlichtschranke bequem in einer H0-Schwelle verstecken lassen.

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