Lichtschranke aus Kartonröhren

Medium · 25 min · Fast kostenlos

Ziel & Lerninhalt

Verstehe, wie eine Sender-Empfänger-Lichtschranke arbeitet, und richte zwei Bauteile mechanisch exakt aufeinander aus.

  • Den Unterschied zwischen Reflexions- und Durchlicht-Schranke verstehen.
  • Fremdlicht durch enge Röhren als Blenden unterdrücken.
  • Mit einem Schwellwert im Code zuverlässig 'Strahl unterbrochen' erkennen.

Erklärung & Wissen

Basic

Eine Lichtschranke ist eine unsichtbare Linie aus Licht zwischen einem Sender (z.B. eine LED) und einem Empfänger (Lichtsensor). Solange das Licht den Sensor trifft, meldet er 'hell'. Schiebt jemand die Hand dazwischen, wird es 'dunkel' – und genau diesen Wechsel werten wir im Code aus. Damit Tageslicht und Lampen die Messung nicht stören, stecken wir Sender und Empfänger je in eine kurze Kartonröhre. Die Röhren wirken wie Scheuklappen: Der Sensor 'sieht' nur das, was direkt aus der gegenüberliegenden Röhre kommt.

Medium

Eine LED bündelt ihr Licht ohnehin nach vorn, eine kurze Pappröhre verengt den Strahl zusätzlich auf wenige Grad Öffnungswinkel. Auf der anderen Seite sitzt entweder eine Fotodiode, ein LDR oder eine zweite, als Sensor 'missbrauchte' LED. Der Empfänger hängt typisch als Spannungsteiler mit einem 10 kΩ-Widerstand an A0. Im Code liest du den ADC-Wert, vergleichst ihn gegen einen einmal kalibrierten Schwellwert ('Strahl frei' liegt z.B. bei ADC 700, 'Strahl unterbrochen' bei ADC 200) und setzt mit einer kleinen Hysterese ein Flag.

Expert

Die ungünstigste Störqülle ist moduliertes Umgebungslicht: Energiesparlampen und Bildschirme flackern mit 100 Hz, viele LED-Lampen mit ein paar kHz. Eine DC-Lichtschranke ist dafür blind und reagiert mit zappelnden Werten. Profi-Schranken senden deshalb getaktet (z.B. 38 kHz) und werten am Empfänger nur diese Frequenz aus (Bandpass / Lock-in). Im Schul-Setup reicht meist: starke LED, kurze Röhren, ein einfacher Schwellwert plus Mittelung über z.B. 16 Messungen – damit liegt der Übergang sauber im Sub-ms-Bereich, ohne dass jede vorbeilaufende Wolke ein Fehlsignal erzeugt.

Fun Fact

In den ersten Telefonzentralen wurden ganz ähnliche optische Schranken aus Glühlämpchen und Selen-Fotozellen gebaut – ein durchgeschnittener Lichtstrahl löste das Klingeln aus.

Lichtschranke (Durchlicht-Prinzip)
Sender und Empfänger stehen sich gegenüber – ein Objekt unterbricht den Lichtstrahl dazwischen. Gegensatz dazu: Reflexions-Lichtschranke (Sender und Empfänger nebeneinander, Objekt wirft Licht zurück). Durchlicht ist zuverlässiger und reichweitiger. Reflexion ist platzsparender. Supermarkt-Kassenband, Garagentor-Sicherung und industrielle Stückzähler nutzen das Durchlicht-Prinzip.
LDR (Fotowiderstand)
Widerstand, der bei Lichteinfall kleiner wird – billig und einfach, aber träge. LDR = Light Dependent Resistor. Im Dunkeln: 1 MΩ+, im Hellen: 1–10 kΩ. Reagiert in 10–200 ms – zu langsam für schnelle Objekte. Für die Lichtschranke trotzdem ausreichend, solange nichts mit mehr als 5 m/s vorbeischießt. Empfindlicher und schneller: Fotodiode oder Fototransistor.
Infrarot-LED
LED, die unsichtbares Licht (850–950 nm) abstrahlt – ideal für Schranken, da Sichtlicht nicht stört. Das menschliche Auge sieht bis ca. 700 nm. IR-LEDs arbeiten bei 850–950 nm – vollständig unsichtbar. Smartphone-Kameras haben oft keinen IR-Filter → damit kann man prüfen, ob die LED leuchtet. Vorteil für Lichtschranken: Deckenlampen und Sonnenlicht enthalten weniger IR als sichtbares Licht → weniger Fehlauslösungen.
Schwellwert + Hysterese
Zwei verschiedene Schaltschwellen für 'unterbrochen' und 'frei' verhindern Flattern beim Übergang. Ohne Hysterese: Bei ADC = 500 als Schwelle schaltet winziges Rauschen ständig hin und her. Mit Hysterese: 'Unterbrochen' erkennen bei ADC < 450, 'Frei' erkennen bei ADC > 550 – die Lücke von 100 Punkten ignoriert Rauschen. Dieses Prinzip nennt man Schmitt-Trigger-Verhalten und steckt in fast jedem digitalen Eingang.

Praktischer Aufbau: Lichtschranke

Zwei kurze Kartonröhren als Blenden, eine LED als Sender, ein Lichtsensor als Empfänger. Im Code wird der Schwellwert ausgewertet.

  • 2 kurze Kartonröhren (ca. 5–10 cm, z.B. Klopapierrolle halbiert)
  • 1 helle LED (rot/IR) + 220 Ω Vorwiderstand
  • 1 Lichtsensor (Fotowiderstand/LDR oder zweite LED als Empfänger)
  • 1 Widerstand 10 kΩ für den Spannungsteiler
  • Klebeband, schwarzer Edding zum Schwärzen der Röhren innen

  1. Röhren vorbereiten

    Schneide zwei gleich lange Stücke aus einer Kartonröhre. Schwärze die Innenseiten. An ein Ende kommt später Sender bzw. Empfänger.

    Check: Beide Röhren sind innen mattschwarz, gleich lang, sauber abgeschnitten.

    Tipp: Glänzende Pappe spiegelt – schwärze die Innenseiten unbedingt mit Edding, sonst kommt Streulicht von hinten an den Sensor.

  2. Sender bauen

    LED + 220 Ω an 5V/GND, LED bündig in die hintere Öffnung einer Röhre stecken, mit Klebeband fixieren.

    Check: LED leuchtet sichtbar (IR-LED → mit Handy-Kamera prüfen).

    Tipp: Vorwiderstand nicht vergessen, sonst brennt die LED durch.

  3. Empfänger bauen

    Bringe den Lichtsensor in die zweite Röhre, hinten am Ende. Verkabele den Spannungsteiler zu A0.

    Check: ADC-Wert an A0 reagiert deutlich auf Abdecken der Röhre.

    Tipp: Bei LDR: 10 kΩ als Pull-Down. Bei Fototransistor: Kollektor an 5V, Emitter an A0 + 10 kΩ gegen GND.

  4. Mechanik ausrichten (ohne Code!)

    Stelle beide Röhren ca. 5–20 cm voneinander auf eine ebene Fläche, die Öffnungen exakt einander zugewandt. Verschiebe sie minimal, bis der ADC-Wert am höchsten ist.

    Check: Maximaler ADC-Wert ist deutlich höher als bei Raumlicht ohne Sender.

    Tipp: Wenn nichts steigt, sind die Röhren nicht koaxial – beim Justieren auf ein Lineal als Schiene legen.

  5. Schwellwert kalibrieren & auswerten

    Notiere ADC-Wert 'frei' und 'unterbrochen'. Setze die Schwelle in die Mitte und prüfe im Monitor.

    Check: Im Monitor erscheint zuverlässig 'frei' / 'unterbrochen', wenn du die Hand durchziehst.

    Tipp: Eine kleine Hysterese (z.B. 100 ADC-Punkte Abstand) verhindert Flattern an der Schaltschwelle.

Sender-LED + 220 Ω an 5V/GND. Empfänger-LDR/Fototransistor in Reihe mit 10 kΩ als Spannungsteiler, Mittelabgriff an A0.

// ProtoPeaks - Lichtschranke
const int sensorPin = A0;
int schwelle = 500; // Mittelwert zwischen frei und unterbrochen
bool unterbrochen = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 8; i++) sum += analogRead(sensorPin);
  int val = sum / 8;

  // Hysterese: 50 ADC-Punkte
  if (!unterbrochen && val < schwelle - 50) unterbrochen = true;
  if ( unterbrochen && val > schwelle + 50) unterbrochen = false;

  Serial.print(val); Serial.print("  ");
  Serial.println(unterbrochen ? "UNTERBROCHEN" : "frei");
  delay(30);
}
  • Wert ändert sich kaum, ob frei oder verdeckt. — Röhren nicht koaxial. Auf einem Lineal ausrichten, hellere LED nehmen, Distanz halbieren.
  • Wert flackert ohne Bewegung. — Fremdlicht (Deckenlampe, Sonne) trifft den Sensor. Längere Röhren, Innenseite schwärzen, oder mit IR-LED + IR-Filter (Schwarzschnitt eines belichteten Dia) arbeiten.
  • LED leuchtet nicht. — Polung prüfen (langes Bein = +). Vorwiderstand vorhanden? Bei IR-LED Smartphone-Kamera benutzen.

Kurzzusammenfassung

Du hast eine Durchlicht-Lichtschranke gebaut, die mit zwei Pappröhren als Blende und einem einfachen Spannungsteiler stabil zwischen 'frei' und 'unterbrochen' unterscheidet – die Basis für Stoppuhren, Zählwerke oder Türsensoren.