Hier rechnest du die Lichtschranke durch und liest ihr Signal am Oszilloskop ab. Leg den Stromlaufplan daneben.

Schritt 3 von 5. Du erklärst Sender, Empfänger und Komparator, berechnest Ströme und Spannungen, liest Pegel und Störspitzen ab und bestimmst den Störabstand.

Danach: Rechenwege und Lösungen Teil 3

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Komparator zählt jede Spitze, die seine Schwelle kreuzt. Er weiß nicht, ob es ein Mensch war.

Am Ende hast du: eine Signalanalyse der Lichtschranke mit Rechnung, abgelesenen Werten, Störquelle und Störabstand.

Karte „Vom Netzstecker bis zum Bild“: Die ganze Gate-Technik auf einer Seite: vom Netzstecker über die Netzteile bis zu Bild, Leseeinheit und Lichtschranke, mit Kennzeichen und Messpunkten. Die Karte steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“. Leg sie neben jede Aufgabe.

Stromlaufplan: links der Sender mit Vorwiderstand -R6 und Infrarot-Leuchtdiode -E6, daneben der Empfänger mit Fototransistor -B5 und Arbeitswiderstand -R1 10 kΩ, Messpunkt MP E. Über die Sensorleitung -W5, 12 m, geht die Spannung an den nicht invertierenden Eingang des Komparators -K2. Der invertierende Eingang liegt am Spannungsteiler aus -R2 15 kΩ und -R3 10 kΩ. Der Ausgang MP F führt zum Zähler -K1.Lichtschranke -B1 und Komparator -K2Stromlaufplan · Sender und Empfänger in der Boarding-Schleuse, Komparator auf der Steuerplatine -A3 · Unterrichtswerte+5 V0 V-R6150 Ω-E6Sender-B5-R110 kΩEmpfänger-B1 · Lichtschranke in der Schleuse (Sender und Empfänger gestrichelt umrandet)MP EUR1-W5 · 12 m∞+−-K2-R215 kΩ-R310 kΩUrefMP Fzum Zähler -K1
Stromlaufplan der Lichtschranke -B1 mit Komparator -K2. Sender: Vorwiderstand -R6 150 Ω und Infrarot-Leuchtdiode -E6 an 5 V. Empfänger: Fototransistor -B5 mit Arbeitswiderstand -R1 10 kΩ, an -R1 liegt UR1 (MP E). Über die Sensorleitung -W5 (12 m) geht UR1 an den Eingang + des Komparators -K2. Der Eingang − liegt am Spannungsteiler -R2 15 kΩ und -R3 10 kΩ mit Uref. Der Ausgang (MP F) führt zum Zähler -K1. Die Versorgung des Komparators ist nicht gezeichnet. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Erst du, dann die anderen

Die Gate-Agentin sagt: „Die Schranke zählt doppelt, wenn die Brücke fährt.“ Wie würdest du beweisen, dass die Brücke schuld ist, und nicht die Fluggäste oder die Schranke selbst?

So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
  • Beobachten. Beim Boarding neben der Schleuse stehen und mitzählen. Einfach, aber nur ein Verdacht.
  • Messen. Oszilloskop an MP E, die Brücke fahren lassen, ohne dass jemand durchgeht. Belegt die Ursache, braucht ein Zeitfenster.
  • Ausschließen. Brücke stillsetzen und zählen. Wenn es dann stimmt, ist es die Brücke, aber man weiß noch nicht, wie sie wirkt.

Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.

Gegebene Werte: Lichtschranke und Komparator · aufklappen, wenn du rechnest

Gegebene Werte: Lichtschranke und Komparator

Sender
-R6 150 Ω, -E6 Infrarot 880 nm, Durchlassspannung 1,5 V
Empfänger
-B5 Fototransistor; IC frei 0,40 mA, unterbrochen 5 µA; -R1 10 kΩ
Komparator
-K2, -R2 15 kΩ, -R3 10 kΩ, Versorgung 5 V
Leitung
-W5, 12 m, ungeschirmt, 6 m neben -W20
Umrichter
-T20 der Fluggastbrücke, Taktfrequenz 4 kHz

Alle Werte sind Unterrichtswerte. Die Oszillogramme stehen bei Aufgabe 6.5.

Dein Lernprodukt im Einzelnen

Dein Lernprodukt

Signalanalyse Lichtschranke

Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.

Es besteht aus

  • der Erklärung von Sender, Empfänger und Komparator
  • den Rechnungen zu -R6, UR1 und Uref
  • den abgelesenen Pegeln und Zeiten
  • der Störquelle mit Begründung über die Frequenz
  • dem Störabstand und seiner Beurteilung

Zur Dokumentation

Jede Rechnung mit Formel, Werten und Einheit. Die Oszillogramme mit Einstellungen.

Mit dem Messprotokoll 24 V ist das der erste Teil des Messberichts für Meilenstein M2.

Aufgabe 6.1

Erkläre die Lichtschranke im Stromlaufplan:

  • Beschreibe, wie Sender und Empfänger zusammenarbeiten.
  • Erkläre, weshalb ein Fototransistor wie eine lichtgesteuerte Stromquelle wirkt.
  • Begründe, weshalb Infrarotlicht verwendet wird.
  • Beschreibe den Signalweg bis zum Zähler.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Fototransistor · Lichtschranke · Infrarot

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 6.2

I = U − UFR

Berechne den Sender:

  • Berechne den Strom durch die Infrarot-Leuchtdiode bei einer Durchlassspannung von 1,5 V.
  • Berechne die Verlustleistung von -R6.
  • Prüfe, ob ein Widerstand mit 0,25 W reicht.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Vorwiderstand · Leuchtdiode · Verlustleistung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 6.3

Berechne die Spannung am Arbeitswiderstand -R1:

  • Berechne UR1 bei freiem Strahl.
  • Berechne UR1 bei unterbrochenem Strahl.
  • Zeichne den Spannungsverlauf, wenn ein Fluggast 0,4 s durch die Schleuse geht.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Arbeitswiderstand · Ohmsches Gesetz

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 6.4

Uref = U · R3R2 + R3

Erkläre den Komparator -K2:

  • Berechne die Vergleichsspannung am Eingang −.
  • Beschreibe, was der Ausgang tut, wenn UR1 größer ist als die Vergleichsspannung.
  • Beschreibe, was bei unterbrochenem Strahl passiert.
  • Erkläre, weshalb ein Operationsverstärker ohne Rückkopplung als Komparator arbeitet.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Komparator · Operationsverstärker · Spannungsteiler

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 6.5

Zwei Oszilloskopbilder an MP E. Bild A: 1 V je Teilung, DC, 100 ms je Teilung, Nulllinie eine Teilung über dem unteren Rand: Die Spannung liegt bei 4 Teilungen über der Nulllinie und fällt für 4 Teilungen auf fast null, dazu kurze Einbrüche vor und nach dem Fluggast. Bild B: dieselbe Spannung gedehnt, 0,1 ms je Teilung: einzelne Störspitzen nach unten, die tiefste reicht bis 2,1 Teilungen unter den Ruhepegel.Signal der Lichtschranke -B1 an MP EBoarding an J 07 · ein Fluggast geht durch die Schleuse, die Fluggastbrücke führt nach · UnterrichtswerteA · ein Fluggast, Brücke führt nach1 V/Teilung, DC · 100 ms/TeilungNulllinie: eine Teilung über dem unteren RandB · Ausschnitt gedehnt1 V/Teilung, DC · 0,1 ms/TeilungNulllinie: eine Teilung über dem unteren RandUref = 2,0 V
Zwei Oszilloskopbilder der Spannung an MP E, dem Ausgang der Lichtschranke -B1 vor dem Komparator. A: 1 V je Teilung, DC, 100 ms je Teilung, Nulllinie eine Teilung über dem unteren Rand; ein Fluggast unterbricht den Lichtstrahl, davor und danach führt die Fluggastbrücke nach. B: gedehnter Ausschnitt mit 0,1 ms je Teilung; rot gestrichelt die Vergleichsspannung des Komparators Uref = 2,0 V. Unterrichtswerte. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Lies die Oszillogramme der Lichtschranke ab:

  • Bestimme Ruhepegel und Pegel bei unterbrochenem Strahl aus Bild A.
  • Bestimme, wie lange der Strahl unterbrochen ist.
  • Bestimme aus Bild B, wie tief die Störspitzen reichen.
  • Bestimme den zeitlichen Abstand der Spitzen und ihre Frequenz.
  • Ordne die Störquelle mit den Anlagendaten zu.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Oszilloskop · Störspannung · Frequenzumrichter

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 6.6

Bestimme den Störabstand und beurteile ihn:

  • Bestimme den Abstand vom Ruhepegel zur Vergleichsspannung.
  • Vergleiche ihn mit der Tiefe der Störspitzen.
  • Erkläre, weshalb jede Spitze unter 2,0 V als Fluggast gezählt wird.
  • Beurteile den Vorschlag, die Vergleichsspannung auf 1,0 V zu senken.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Störabstand · Komparator

Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.

Die Lage ändert sich

Die Reinigung hat den Empfänger der Lichtschranke mit einem fettigen Tuch gewischt. Bei freiem Strahl fließen jetzt nur noch 0,25 mA.

Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:

  • Berechne den neuen Ruhepegel.
  • Prüfe, wie sich der Störabstand ändert.
  • Beurteile, ob jetzt noch mehr falsch gezählt wird.

Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.

Für Lehrkräfte
Für Lehrkräfte: Lernangebot 6 · 4 h. Laborvorschlag: Lichtschranke auf dem Steckbrett (IR-LED, Fototransistor, 10 kΩ, Komparator mit Teiler), Strahl mit der Hand unterbrechen, an MP E und MP F messen; einen Schaltnetzteil-Lötkolben oder einen kleinen Umrichter in die Nähe der Leitung legen und die Störungen zeigen. 6.6 bereitet Teil 4 vor (Hysterese).