Tja - was soll ich dazu sagen? Eigentlich nur zwei kurze Worte:

Zur Vorgeschichte: zunächst ging es uns hauptsächlich um eine Software zur Streckenplanung. Dabei sind wir beim Slotman⁽¹⁾ hängengeblieben. Diese Software, die nebenbei auch noch eine gigantische Zeitmessung für Training, Qualifying und Rennen beinhaltet, konnte über Gameport oder parallele Schnittstelle die Impulse einer Lichtschranke verarbeiten. Die zugehörige Schaltung und weitere Infos gab's bei Badenslot⁽²⁾. (Mittlerweile wurde SlotMan weiterentwickelt und unterstützt leider keine externen Lichtschranken mehr. Die Version, die noch funktioniert, ist die v6.08

Noch ein paar Worte vorab: man kann es einfach oder kompliziert haben – je nach Geschmack. In der einfachen Variante lötet man alle Bauteile nach dem Schaltplan auf die Platine. Wenn die Lichtschranke dann fertig ist, merkt man schnell, dass nicht immer alles nach Plan läuft: die LDRs schalten nicht immer, wenn ein Auto durchfährt. Besonders schwierig wird es, wenn die Autos kurz und schnell sind. Die LEDs sind nicht alle gleich hell. Wenn Spur eins ausgelöst wird, schaltet auch Spur vier(?), nur um einige Beispiele zu nennen.

Deshalb sind wir nochmals in uns gegangen und haben eine neue, verbesserte Lichtschranke gebaut.

Teil 1 – die Theorie

Am Anfang steht das Blockschaltbild. Die Symbole weichen teilweise von den in der Elektronik gebräuchlichen zu Gunsten der Verständlichkeit ab.

Im Bild ist oben Plus, unten Masse. Der Festspannungsregler liefert 5 Volt, Diode und Elko dienen als Verpolungsschutz und zum Glätten, falls das Netzteil keinen sauberen Gleichstrom liefert. Denn pulsierender Gleichstrom ist nicht gut.

Als nächstes kommen die LEDs mit vorgeschaltetem Widerstand. Der Widerstandswert hängt von den verwendeten LEDs ab. Wir haben AlInGaP-LEDs vom Conrad verwendet – die hellsten, die es momentan gibt. Sie arbeiten mit 2V 50mA, daraus ergibt sich ein Widerstandswert von 20 Ohm.

Neben den LEDs befinden sich die vier Mal identisch aufgebauten LDR-Schaltungen: der LDR und der Spindeltrimmer werden bei eingeschalteter LED aufeinander abgeglichen. Wird nun der Lichtstrahl unterbrochen, wird durch die Vergleichsschaltung (symbolisiertes Dreieck) für diese Zeit ein Impuls ausgegeben, der aus den unterschiedlichen Spannungen der LDR- und Spindeltrimmerstrecke resultiert. Dieser Impuls geht dann auf die parallele Schnittstelle auf den angegebenen Pin.

Die erwähnte Vergleichsschaltung ist real so nicht vorhanden – vielmehr steckt sie in einem IC, der gleich alle vier Spuren auf einmal erledigt. Das Blockschaltbild des IC LM324 sieht wie folgt aus:

Zu den 12 Anschlüssen gesellen sich noch ein Plus- und ein Masse-Anschluss für den IC selbst. Der IC sollte tunlichst auf einen Sockel montiert sein, dann kann man in aller Ruhe den Sockel reinlöten und zum Schluss den IC stecken.

Beispielhaft ist unten ein ganz einfaches Layout auf einer Streifenplatine dargestellt. An den Stellen, wo auf einem Streifen mehrere unterschiedliche Signale verarbeitet werden, müssen die Streifen getrennt werden (z.B. unter dem IC-Sockel). Die Anbindung erfolgt über einen 8-fach Platinenstecker.

Teil 2 – die Praxis

Die Platine

Abweichend vom ersten Blockschaltbild haben wir folgende Verbesserungen eingeführt:

• Die LEDs haben eine ziemliche Serienstreuung, bei zwei hintereinander geschalteten ist immer die eine heller als die andere. Deshalb werden alle LEDs einzeln angesteuert und statt der Widerstände Potis zum Justieren verwendet. Das Ergebnis spricht für sich: superhell und natürlich alle gleich – sehr zu empfehlen!
• Die Spindeltrimmer haben wir alle nebeneinander nach oben gelegt – so können sie einfach nachträglich justiert werden. Das Beste: damit man beim Nachjustieren nicht immer blind am Spindeltrimmer drehen muss, sitzen neben jedem Spindeltrimmer zwei zusätzliche Pins. Am einen Pin kann man die LDR-Strecke und am anderen die Spindeltrimmer-Strecke messen. Dadurch wird die Justierung zum Kinderspiel: die LDR-Strecke messen, dann das Messgerät an die Spindeltrimmer-Strecke stecken und die gleiche Spannung einstellen. Seltsamerweise haben wir bei uns beobachtet, dass die zwei Strecken zur korrekten Funktion nicht die selbe Spannung haben dürfen; die Spindeltrimmer-Strecke benötigt ca. 0,4 V mehr. Ob das normal ist, weiß so recht keiner – vielleicht liegt's am IC.

Es ist jedem freigestellt, wie er seine Platine plant, bestückt und verkabelt, wir haben uns in der zweiten Version für eine zweigeteilte Lösung entschieden:
Die untere Trägerplatine enthält einen Kippschalter zum Ein- und Ausschalten, die Stromversorgung mit Diode, Kondensator und Festspannungsregler und die Anbindung der LEDs und LDRs.

Über einen Slot wird senkrecht von oben die zweite Platine eingesteckt. Auf dieser findet die Signalverarbeitung statt: die Potis zur LED-Justage, der IC und die Spindeltrimmer.

oben: die vier Spindeltrimmer mit ihren "Mess-Pins" ganz oben, weiter unten die drei Potis zum Justieren der LEDs. Wir hatten nur noch drei Potis übrig, deshalb wurde die hellste LED auf konventionelle Art eingebaut. Eigentlich hätte die Platine sinnvollerweise auch eine Streifenplatine sein sollen.

unten: das Ganze dann im eingebauten Zustand.

Die LDRs in der Schiene

Mangels näherer Kenntnis haben wir uns beim Conrad die LDRs A9060 zugelegt. Sie sind klein und vor allem flach, so dass sie gut unter die Schiene passen. Man bekommt sie genau zwischen Kontaktschiene und Slot; dort ist die "Dunkelheit" beim Drüberfahren am größten. Ein 4mm-Bohrer passt genau zwischen Slot und Kontaktschiene. Danach wird die Bohrung noch passend gefeilt.

Ganz wichtig: wenn ein Auto drüberfährt, gibt es ziemliche Induktionen auf die Kabel, was dazu führt, dass ab und zu eine Spur zufällig auslöst. Bei Autos, die viel funken, kann das auch bei einer beliebigen Stelle der Strecke passieren. Deshalb auf jeden Fall geschirmte Kabel verwenden! Am Besten verwendet man den Schirm als Masse. Um so wenig Kabel wie möglich zu verlegen, wurde die Masse – wie bei den LEDs auch – für alle vier Spuren zusammengefasst.

Das Gebäude

Für das Gehäuse kann natürlich jeder nehmen, was er will – wir haben uns für ein schmuckes Teil in gebürstetem Aluminium entschieden. Auf einer Seite der Bahn steht ein Turm, der die Elektronik beinhaltet, über eine Brücke mit den LEDs geht es zur anderen Seite, wo im 45-Grad-Winkel Aluprofile bis zum Boden reichen.

Ein weiterer wichtiger Punkt war uns die Anbindung an Strom und PC: die Kabel sollten am Gehäuse steckbar sein und die Stecker selbst nicht größer als ein 10er Holzbohrer. Das vereinfacht die Platzierung enorm: ein 10er Loch in die Platte, die Stecker von unten durchgefädelt und fertig. Weiterhin ist der Abstand Bahn – PC auch nicht immer gering. Deshalb fiel die Wahl auf eine Lösung per LAN-Kabel. PC-seitig ein Adapter LAN – SUB-D und einfach eine LAN-Buchse von einer alten Netzwerkkarte im Lichtschranken-Gehäuse verbaut. Das Kabel ist ein Standardteil und funktioniert locker bis 20m Länge.

Das Gehäuse besitzt Innennuten, in die sowohl die Träger- als auch die zweite Platine genau hineingeschoben werden kann. Damit hat sich das Problem der Platinenbefestigung gar nicht gestellt.

Die Reihenfolge

2-Komponentenkleber eignet sich für alle hier beschriebenen Arbeiten hervorragend. Am besten einer, der in ca. 2-3 Minuten anzieht – das erhöht das Arbeitstempo und erleichtert die Fixierung. Als Unterlage eine transparente Plastikhülle legen, von dort geht der Kleber immer gut ab.

Für die meisten nachfolgenden Punkte gibt es auf der Folgeseite Bilder zu sehen. Beim Aufbau der Lichtschranke sollte auf die Reihenfolge geachtet werden:

1. An die LEDs und LDRs Kabel dranlöten. Schrumpfschlauch oder ähnliches zur Isolierung nicht vergessen.
2. Zuerst die Oberseite machen: Gebäude und Schienen nebeneinander legen, wie sie später sein sollen. Die Brücke auf die Schienen legen und die Position für die LEDs anzeichnen. Sie liegt zwischen dem Slot und einer Kontaktschiene.
3. Die Löcher für die LEDs bohren.
4. Als nächstes die Stützen machen und zusammenkleben. Noch nicht an die Brücke kleben – kommt später. Die Stützen braucht man für die exakte Höhenbestimmung am Gehäuse. Nicht vergessen: das größte Fahrzeug muss natürlich drunter durchpassen!
5. Brücke mit Stütze an das Gehäuse halten und die Position der Brücke anzeichnen. Dort ein Loch bohren, durch das alle LEDs bzw. die Stecker passen.
6. Bei Bedarf (anzuraten!) ein weiteres Loch genau unterhalb bohren für den Zusatzwinkel. Grundsätzlich gilt immer: die Klebestellen mit einer Feile tief zerkratzen, dann hält der Kleber zehn Mal so gut.
7. Brücke mit Winkel verkleben und verschrauben.
8. LEDs durchfädeln und in die Brücke einkleben. Dabei die LEDs einschalten, auf den drunterliegenden Schienen ausrichten und bei Bedarf fixieren, bis der Kleber zieht.
9. Jetzt die Unterseite machen: die Position der LDRs anzeichnen (Licht einschalten) und die vier Bohrungen in der Schiene vornehmen. Die Bohrungen mit einer kleinen Feile längen. Hierzu mit dem LDR probieren.
10. Die Bohrungen von oben mit Tesafilmstreifen zumachen, die Schienen rumdrehen und die LDRs senkrecht einsetzen. Kleber reinlaufen lassen. Der Kleber verteilt sich wunderbar im Loch und fließt sogar unter den LDR. Das ist ziemlich praktisch, weil er ihn dadurch noch schützt.
11. Die Schienen zusammenkleben und auf der Unterseite Platz für die LDR-Kabel schaffen. Die LDRs umlegen und festkleben (fixieren, damit die Schiene später plan aufliegt!).
12. LDR-Kabel von unten in das Gehäuse einfädeln.
13. Jetzt wird alles zusammengeklebt: auf der einen Seite die Schiene an das Gehäuse und auf der anderen die Stütze an Brücke und Schiene kleben.
14. Zu guter Letzt noch die Abdeckung der Brücke machen und fertig!

Noch ein Wort zum Strom: es heisst, dass man die Schaltung in der 3V-Stellung eines Steckernetzteiles betreiben kann. Das heißt jedoch nicht, dass man aus 3V Eingangs- 5V Ausgangs-Spannung machen kann. Vielmehr liefern Steckernetzteile im Leerlauf bzw. bei schwacher Last deutlich mehr Spannung. Dann liegt ein 3V-Teil mal schnell bei 6Volt. Am Allerbesten einfach verschiedene Eingangsspannungen zu probieren (Steckernetzteile gibt es ja umschaltbar) und dann die Spannung auf der Platine messen – sie soll gerade so 5V erreichen. Mehr ist unsinnig, das wird am Festspannungsregler in Wärme verbraten.

Ebenfalls eine saubere Lösung gibt's auf Dirk's Homepage zu sehen:
http://home.arcor.de/dirk-fun/data03_06.htm

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Quellen:
⁽¹⁾Slotman (neue Version)
⁽¹⁾Slotman (alte Version)
⁽²⁾Badenslot