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Wissenswertes zu Lichtschranken

Mit Lichtschranken werden optoelektronische Systeme bezeichnet, die quasi gleichzeitig Licht aussenden und empfangen. Mit dieser Funktion lässt sich eine „Schranke“ aus Licht konstruieren: Solange der Sensor den Lichtstrahl empfängt, befindet sich das System im Ruhezustand. Wird der Strahl allerdings unterbrochen, löst der Sensor eine Aktion aus. Erfahren Sie hier, wie Lichtschranken genau funktionieren, welche Typen es gibt und wo man sie einsetzt.



So funktioniert eine Lichtschranke

Grundsätzlich gehören zu einer Lichtschranke ein Lichtsender – in der Regel eine LED – und ein Lichtempfänger wie eine Photodiode oder ein Phototransistor. Letztere wandeln das von der LED eintreffende Licht in Strom um und können so mit entsprechendem Schaltungsaufbau einen Zustand abbilden, beispielsweise „Licht an“. Wird der Lichtstrahl unterbrochen, ändert sich der Zustand entsprechend in „Licht aus“. Mit der Zustandsänderung lassen sich  bestimmte Aktionen auslösen.

Hinsichtlich der Strahlungsquelle dominieren LEDs mit sichtbarem, infrarotem oder UV-Licht. In besonderen Fällen werden auch Röntgen- oder Laserstrahlen verwendet. Das von der LED emittierte infrarote Licht kann noch einen sichtbaren Rotanteil enthalten, der durch einen Infrarotfilter abgeblockt werden kann, sodass der Strahl unsichtbar wird. Ähnliches ist bei UV-Licht möglich.



Diese Typen von Lichtschranken gibt es

Einweg-Lichtschranke

Wie der Name schon andeutet, existiert nur ein Weg zwischen Lichtquelle und Sensor. Beide Komponenten stehen sich gegenüber, sind üblicherweise fest mit einander verbunden und nur durch einen Zwischenraum – den Lichtweg – getrennt. Die technisch mögliche Breite des Zwischenraums reicht von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern, abhängig von der LED. Typischer Vertreter ist die Gabel-Lichtschranke. Die Einsatzbereiche reichen von der Drehzahlmessung über eine mit schwarzen Strichen markierte transparente Scheibe an der Motorwelle über das Registrieren von Farbmarkierungen bis hin zum berührungs- und kontaktlosen Schalter. Wesentlich ist lediglich, dass zwischen Leuchtdiode und Sensor der Lichtweg unterbrochen wird, um damit eine Aktion auszulösen.

Mitunter ist es allerdings erforderlich, eine größere Distanz zwischen Lichtquelle und Sensor herzustellen. In diesem Fall lassen sich beide Komponenten getrennt einsetzen, es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass LED und Empfänger sich "verstehen", also gleich moduliert sind und am Sensor eine Schaltung vorhanden ist, der die Unterbrechung des Lichtwegs detektiert. Bei starker Lichtquelle und geringen Störungen durch das Umgebungslicht sind Distanzen von bis zu 80 Metern überbrückbar.

Eine besondere Bauform der Einweg-Lichtschranke in Gabelform reagiert sowohl auf die Unterbrechung des Lichtwegs als auch auf dessen Wiederherstellung. In beiden Fällen sendet die Elektronik des Sensors einen entsprechenden Impuls. Diese Schranken sind an der Bezeichnung „hell- und dunkelschaltend“ zu erkennen.


Reflexions-Lichtschranke

Im Gegensatz zu Gabel-Lichtschranken sind beim Reflexionsverfahren Lichtquelle und Sensor neben- oder untereinander angeordnet. Das heißt: Um den Lichtweg unterbrechen und damit eine Aktion auslösen zu können, ist zwingend eine Reflexion nötig. Der Lichtstrahl trifft dabei üblicherweise auf eine reflektierende Folie oder ein reflektierendes Bauteil und wird zum Sensor zurückgeworfen. Typische Einsatzbereiche für Reflexions-Lichtschranken sind denn auch Eingangskontrollen beispielsweise an Aufzugstüren. Der Reflektor befindet sich am beweglichen Teil der Tür, die erst dann schließt, wenn nach einiger Zeit kein Objekt den Lichtstrahl unterbricht.

Reflexions-Lichtschranken arbeiten nur dann einwandfrei, wenn Lichtquelle und Reflektor genau aufeinander abgestimmt sind und der reflektierte Strahl den Sensor immer erreichen kann. Als Reflexionsmedium wird dazu häufig ein so genannter Retroreflektor verwendet. Dieser reflektiert Lichtstrahlen unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung überwiegend in die Richtung, aus der sie gekommen sind. Bekanntestes Beispiel sind die mit solchen Reflektoren versehenen Leitpfosten an Autobahnen.

Lässt sich die Reflexion trotz Retroreflektor nicht herstellen, bieten sich Lichtschranken mit Sensoren an, die auf diffuses, also ungerichtetes Licht reagieren.


Reflexions-Lichttaster

Bei einem Reflexions-Lichttaster wird die ausgesandte Strahlung direkt vom Objekt reflektiert. Das Objekt wird also nur erkannt, wenn der Sensor die Reflexionsquelle „sieht“. Wie bei Reflexions-Lichtschranken befinden sich Sender und Empfänger des Lichttasters im gleichen Gehäuse. Der Sender produziert auch hier einen Strahl, allerdings diffus in einem breiten Winkel, dem so genannten Sichtfeld. Sobald das Objekt in diesen Bereich gerät, lenkt es einen Teil des Strahls zurück zum Empfänger. Die Detektion erfolgt, wenn genügend Licht auf den Empfänger fällt.



Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren
Verfahren Vorteile Nachteile
Einweg
  • Hohe Genauigkeit

  • Große Reichweite bei getrennten Komponenten

  • Sehr zuverlässig

  • Fest verbundene Komponenten besitzen nur einen kurzen Lichtweg

Reflexion
  • Nur geringfügig ungenauer als Einweg

  • Sehr zuverlässig

  • Erfordert die getrennte Montage von Lichtquelle und Empfänger

  • Kleinerer Erfassungsbereich als bei Einweg

Taster
  • Nur ein Montageort

  • Kostengünstiger als Einweg und Reflexion

  • Weniger genau als Einweg und Reflexion

  • Höherer Zeitaufwand bei der Montage



FAQ – häufig gestellte Fragen

Gibt es Lichtschranken, die direkt auf die Platine gelötet werden können?

Die weitaus meisten Bauteile verfügen über Durchsteckverbinder (THT = Through Hole Technology) oder Kabel mit offenem Ende. Es existieren allerdings Reflexions-Lichtschranken in sehr kleiner Bauform, die für die Oberflächenmontage (SMD = Surface-mounted Device) geeignet sind.

Wie lässt sich die Detektion beim Lichttaster verbessern?

Die kostengünstigste Lösung, die sich speziell beim Lichttaster bewährt, ist der Betrieb mit einem Signal-Aufbereitungs-Chip. Dieser integrierte Schaltkreis wird direkt an einen Microcontroller (MCU) angeschlossen, er sorgt beispielsweise für Immunität des Lichttasters gegen künstliches und Sonnenlicht und steuert die Pulsbreite der Leuchtdiode.

Was steckt hinter der Funktion Hintergrundausblendung bei einer Lichttaster?

Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung basieren in der Regel auf einem Sender mit Laserdiode und mehreren Reflektoren. Die Diode schickt einen Laserstrahl auf sich vorbei bewegende Objekte, beispielsweise zum Zählen von Gegenständen auf einem Laufband. Für die Auswertung wird nicht die reflektierte Energie des Laserstrahls, sondern die Energiedifferenz zu wenigstens zwei Reflektoren genutzt. Wenn auf einem Objekt für den Vordergrund mehr Energie detektiert wird als auf einem Reflektor für den Hintergrund, gilt das vom Laserstrahl getroffene Objekt als "erkannt".


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