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Abstandssensor mit IS471

Tags: Schaltungen, Sensoren
Stand: 6. Oktober 2006, 17:29
35 Kommentar(e)

Diese Schaltung baut auf den Infrarotsensor IS471 auf. Dieser beinhaltet schon einen Oszillator, Komparator, Demodulator, usw. (Dazu später noch mehr). Für den Praktischen Einsatz bedeutet das einfach, dass diese Schaltung extrem unempfindlich gegen Fremdlichteinfall ist, da sie ein moduliertes IR-Licht erzeugt und den Ausgang auch nur durch schaltet wenn er dieses wieder erkennt.

Die Schaltung wird dadurch auch sehr einfach. Für die Grundschaltung wird nur eine IR-LED (im Notfall geht sogar eine normale LED, allerdings strahlt diese nicht viel IR-Licht ab, so dass die Reichweite sehr darunter leidet), ein Vorwiderstand für die LED und ein Stützkondensator um die Spannungsspitzten die beim gepulsten Senden der IR-LED entstehen abzufangen. Dieses modulieren des Licht bietet noch einen weiteren Vorteil: Die benötigte Stromstärke sinkt. Der Hauptteil des Strom wird für die IR-LED benutzt. Da diese nur ca. 6 Prozent der Zeit an ist sinkt der Strom natürlich.
Genau dieser Effekt wird sich in der Vorliegenden Schaltung zunutze gemacht. Da die LED jeweils nur 8 µS alle 130 µS leuchtet, ist es möglich sie mit wesentlich höheren Strömen als sie sonst aushalten würde zu belassen. Da der IS471 nicht in der Lage ist diese hohen Ströme von bis zu 2A zu liefern, muss das Signal mit einen Transistor (wie hier geschehen) verstärkt werden. Die LED wird dabei direkt an die Spannungsquelle angeschlossen, was ohne den gepulsten Strom unweigerlich ein durchbrennen der LED zur Folge hätte.

Schaltplan des regelbaren IS471 Abstandssensor Platinenlayout Bestückungsplan des regelbaren IS471 Abstandssensor

Über den Vorwiderstand vor den Transistor lässt sich der Strom der durch die LED fließt und damit auch die Reichweite der Schaltung verändern. Das ist sinnvoll um die Reichweite abzugleichen wenn man mehrere Module nebeneinander aufbauen will. So ist es bei mir zum Beispiel so das die Module nie genau die gleiche Reichweite hatte. Außerdem kann so eine Art Priorität der einzelnen Module einstellen.
Ich habe es bei meinen Robotern so gemacht, dass die Module die nach vorne leuchten die größte Reichweite haben und die seitlichen Sensoren nur einen relativ kurzen Bereich abdecken. Wenn man das nicht möchte kann man das Poti auch genauso gut weglassen. Ich habe auch noch mal eine noch einfache Version gemacht, nur mit den wichtigsten Bauteilen.
Ich werde aber die aufwendigere Version benutzten, da sie nicht viel größer ist und da ich mal ziemliche Probleme mit einer IS471 Schaltung hatte und man durch sich durch die zusätzliche 3mm LED anzeigen lassen kann ob der Sensor ein Hindernis erkennt oder nicht. Das ist besonders am Anfang des Bauens und bei der Fehlersuche sehr hilfreich. Wenn einen die LED Anzeige LED stört kann man sie einfach ganz weglassen oder den Löt-Jumper unterbrechen.

Schaltplan des einfachen IS471 Abstandssensor Platinenlayout Bestückungsplan des einfachen IS471 Abstandssensor

Wie man sieht fehlt hier das Poti und die Anzeige LED. Dadurch wird das Ding als Platiene natürlich noch kleiner.

Warum funktioniert das Ganze eigentlich? oder eine kurze Erklärung zum dem IS471F

Die Funktionsweise des IC ist im Datenblatt nur ungefähr beschrieben. Ich möchte hier mal versuchen das so zu erklären wie ich das verstanden habe. Im Datenblatt findet man folgende Grafik:

IS471 Blockschaltbild

Zu der Schaltung:
Der Voltage Regulator (7) erzeugt einfach aus der Eingangsspannung die ja von 4.5 bis 16 Volt schwanken darf eine konstante Spannung zur Versorgung der einzelnen elektronischen Bauteile. So wie es aussieht erzeugt der Oscillator (3) dann ein Signal mit einer Frequenz von ungefähr 13khz. Dieses wird dann zum einen über eine Treiberstufe aus Transistoren (4) verstärkt und an die IR-LED ausgegeben. Zum anderen wird dieses Signal in den “Sync. Detector Circut” (5) eingespeißt. Dort vergleicht die Schaltung das von der Photodiode (1) emfangene und über die Operationsverstärker bei (2) verstärke Signal mit dem Signal von dem Oscillator (3). Der “Demodulator Ciruit” verwandlet dieses modulierte Signal aus (5) dann in ein konstantes Signal, mit welchem dann die Transitoren (4) durchschaltet werden falls ein Signal emfangen worden ist und welche dann den Ausgang auf Masse ziehen. Dort sehen wir auch den Pullup-Widerstand (8) der dafür sorgt, dass der Ausgangspegel konstant auf der Ebene der Eingangsspannung bleibt auch wenn kein Signal anliegt.

Probleme kann es mit diesem Aufbau geben wenn man zwei Module nebeneinander benutzten will bei denen der Oszillator exakt die selbe Frequenz erzeugt. Ich hatte dieses Problem zwar noch nie, aber es ist schon mal bei jemandem aus dem Roboterforum aufgetreten. Was der Hersteller dagegen tut weiß ich im Einzelnen nicht und im Datenblatt steht auch nichts dazu, aber es scheint so zu sein das in den Oszillator in der Produktion eine kleine Differenz eingebaut wird, sodass er jedes mal geringfügig unterschiedliche Frequenzen produziert. Ansonsten ist die Schaltung aber sehr unempfindlich gegen alle Arten von Störlicht. Das einzige was der IC nicht mag sind ganz schwarze Flächen, da dort teilweise so gut wie kein Licht mehr reflektiert und der Sensor nichts mehr empfangen kann. Da geht dann die Reichweite sehr stark zurück, aber das ist aber ein generelles Problem von allen Schaltungen die mit IR-Licht oder Licht allgemein arbeiten.

Kosten

Bauteil Anbieter Best.Nr. Preis [Euro]
IS471F Mircomaus Art.-Nr. 00209 3,69
5mm IR-LED Reichelt LD 274 0,28
Transistor Reichelt 2N3906 0,05
Widerstand Reichelt 1/4 Watt (und Wert) 0,033
Widerstand Reichelt 1/4 Watt 1K 0,033
Kondensator Reichelt MKS-2 330n 0,17
Poti Reichelt 75H 5,0K 0,61
3mm LED Reichelt LED 3mm 2MA gn 0,09
Stecker Reichelt Stiftl. 36G oder W 0,17 oder 0,27
Gesamt ca. 5,3

Wie man sieht liegen die Hauptkosten beim IS471. Bei der regelbaren Version kommen noch Kosten von ca. 1,4 Euro dazu. Bei der einfachen Version ist es sogar nur die Hälfe mit ca. 70 Cent.

Downloads:

is471_abstandssensor.zip [357.90 kB]

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Kommentare

# Chriss123 meinte am 21. Januar 2007, 16:55 dazu:

SSUUUUUUPPPPPEEEEEEERRRRRRRR ;-)))

# Seppi meinte am 8. Februar 2007, 16:33 dazu:

Coole Seite, aber ein bisschen schwer für den Anfang zu begreifen. Ich wäre froh wenn ein eifachere Sensorenschaltung beschrieben wäre. Solche eine einfachere Schaltung bauch ich nämlich für die Schule. Kann man mir ja vielleicht per E-Mail schicken!!! Danke

# frank meinte am 17. Februar 2007, 23:15 dazu:

hallo,

warum verwendest du als Transistor einen 2N3906 (ein PNP), der ist doch eigentlich für Negative Spannungen? Kann man stattdessen nicht auch einen 2N3904 (NPN) verwenden und die LED an den Kollektoranschluss legen?

ciao Frank

# Fabian Greif meinte am 18. Februar 2007, 17:15 dazu:

warum verwendest du als Transistor einen 2N3906 (ein PNP), der ist doch eigentlich für Negative Spannungen?

Genau, er wird ja hier auch mit -5V betrieben. Alles eine Frage des Bezugspotentials ;-)

Kann man stattdessen nicht auch einen 2N3904 (NPN) verwenden und die LED an den Kollektoranschluss legen?

Ja, natürlich kann man die Emitterschaltung auch mit einen npn-Transistor aufbauen.

# Dirk Uffmann meinte am 19. April 2007, 16:31 dazu:

Quote (von Fabian): “Ja, natürlich kann man die Emitterschaltung auch mit einen npn-Transistor aufbauen.”

Sorry, aber da muß ich widersprechen. In dieser Schaltung mit dem IS471F geht nur die dargestellte Schaltung mit dem pnp-Transistor, da die LED dann leuchten soll, wenn der Ausgang GL_out auf Masse gezogen wird. Ansonsten funktioniert die Synchronisation des IS471F nicht.

# Frank Ambiel meinte am 10. Juli 2007, 13:05 dazu:

Hallo, welchen Messbereich und welche Genauigkeit hat die Schaltung?

# Fabian Greif meinte am 10. Juli 2007, 15:36 dazu:

Der Messbereich liegt irgendwo zwischen 1cm bis 1m je nach Reflektionseigenschaften des Hindernisses und Wahl des Vorwiderstandes für T1.

Genauigkeit kommt darauf an, zum Abstand Messen ist diese Schaltung aber denkbar ungeeignet. Viel eher um zu erkennen das dort irgendetwas ist.
Sobald die genauen Oberflächeneigenenschaften des Hindernisses bekannt sind (und diese sich auch nicht ändern) kann man sogar relativ gut den Schaltpunkt bestimmen.

# Jonas meinte am 31. Oktober 2007, 15:35 dazu:

hallo
gibt es auch einen ic der das gleiche macht wie der IS471F nur mit einer externen Photodiode?

# Sascha meinte am 7. November 2007, 09:42 dazu:

ja hallo ich habe mir deine schaltung für die schule ausgesucht und wollte jetzt eigentlich auch wissen wofür man den abstandssensor noch gebrauchen könnte (abgesehen bei robotern). Außerdem muss ich zugeben das ich noch nicht ganz genau verstehe welches bauteil wie und warum es so funktioniert vielleicht könntest du mir ja da helfen

# bernd meinte am 30. November 2007, 17:02 dazu:

habe ein Problem. Habe die schlatung aufgebaut und messe jetzt am ausgang aber nur 2V statt 5V. Kan mir einer helfen ??

# Herbert meinte am 22. Mai 2008, 13:57 dazu:

Hallo Fabian, ist die IS471-Platine (regelbare) eigentlich käuflich zu erwerben (ca. 10 Stück)? Viele Grüße Herbert

# Florian meinte am 24. Mai 2008, 08:48 dazu:

Hallo ich will diese Schaltung ebenfalls bauen und wollte nun mal wissen wie sie genau fukntioniert und was alles passiert und so. Bräuchte dringend Rückmeldung.

Gruß Flo

# Fabian Greif meinte am 26. Mai 2008, 12:43 dazu:

@Herbert
Nein, soweit es mir bekannt ist nicht.

@Florian
Was möchtest du den genau wissen? Eine grobe Beschreibung der Funktion findest du ja schon oben.

# klaus meinte am 4. Juni 2008, 18:01 dazu:

hallo, echt super, mir ist nur nicht klar, mit welchem bauteil hier das rückkehrende licht aufgefangen wird, bzw wie es dedektiert wird. könnte dazu noch jemand was schreiben?

# Fabian Greif meinte am 4. Juni 2008, 20:26 dazu:

Der IS471 hat eine integrierte Photodiode mit der er das Signal empfängt. Siehe Punkt 1 aus “Warum funktioniert das Ganze eigentlich?”.

# merlin meinte am 9. Juli 2008, 15:12 dazu:

Hi Florian, es scheint viele Probleme mit dem IS471 zu geben. Gerade auch den passenden Transistor zu finden (Ohne Transistor scheint der IC bei mir garnicht zu funktionieren?). Er darf keine große Kapazität haben, muss sehr schnell und sauber schalten? Im Datenblatt vom 2N3096 Steht das der für max. 200mA ausgelegt ist. Aber fließt durch die Diode nicht viel mehr? Welchen Vorwiderstand hast du gewählt? Ich würd gerne exakt deine Konfiguration nachbauen, damit ich mir sicher sein kann das sie auch funktioniert.
Für deine Hilfe wär ich sehr dankbar! ^^
gruß merlin

# merlin meinte am 10. Juli 2008, 08:45 dazu:

äh, nich Florian? FABIAN meint ich natürlich! * rotwerd * sry

# nils meinte am 15. Mai 2009, 10:10 dazu:

Moin! Erstmal vielen Dank für die Schaltung. Leider haben wir ein Problem mit R4. Was soll der Widerstandswert “5R” bedeuten? Auf Roboternetz haben wir eine ähnliche Schaltung gefunden, wo an dieser Stelle gar kein Widerstand war. Was habt ihr da eingebaut?

# Ralf meinte am 14. Juli 2009, 11:52 dazu:

5R bedeutet 5 Ohm. Der Widerstand wird bei korrektem Funktionieren der Schaltung nicht benötigt. Falls jedoch aus welchem Grund auch immer das ganze mal bei eingeschalteter LED stehen bleibt, raucht durch den R4 nicht gleich alles ab, weil der den Strom noch ein wenig im Zügel hält.

# Gunnar meinte am 28. September 2009, 16:13 dazu:

Hallo Fabian,vielen Dank für die ausführliche Dokumentation. Das erweitert den Einsatzbereich der IS471 ungemein. Auch ich bin, wie merlin, über den maximalen Kollektorstrom des Transistors gestolpert. Ist es möglich, dass die Transistoren diese Belastung nur durch den Impulsbetrieb aushalten? Hast Du zur Haltbarkeit der Transistoren Erfahrungswerte oder sogar Messwerte zum tatsächlichen Stromfluß? Wenn ich den relativ hochohmigen Basisanschluss vernachlässige, komme ich an der LD274 auf etwa 700 mA. Für die Diode ist das ja laut Datenblatt bei kurzen Impulsen wie hier kein Problem. Der Transistor macht mir jedoch Sorgen. Vielleicht kannst Du etwas Licht in dieses Dunkel bringen.

# Sebastian meinte am 23. November 2009, 14:30 dazu:

Nur mal als Tip an die, die noch nach Transistoren suchen: Ich habe eine ähnliche Schaltung mit dem IS471F und einem Transistor BC327-25 im Einsatz. Dieser ist leicht beschaffbar und ist für 800mA Dauerstrom, 1A Impuls ausgelegt. Der Basisvorwiderstand muß gegebenenfalls geringfügig verkleinert werden.

# Jörn meinte am 1. September 2010, 15:49 dazu:

Nette Schaltung ! Ich habe die Schaltung ohne Poti aufgebaut und sie funktioniert soweit.

Die Entfernung beträgt circa 8cm. Müßste die Schaltung nicht in der Lage sein viel größere Distanzen zu detektieren ?

Warum wird der Transistor in Reverse-Schaltung betrieben ? ( bin nicht der e-Experte :-( )

gruß JST

# Fabian Greif meinte am 2. September 2010, 00:48 dazu:

Die Entfernung beträgt circa 8cm. Müßste die Schaltung nicht in der Lage sein viel größere Distanzen zu detektieren?

Das kommt sehr stark auf das Hindernis an. Reflektoren kann man aus sehr großer Entfernung erkennen, matt schwarze Flächen fast überhaupt nicht.

Warum wird der Transistor in Reverse-Schaltung betrieben?

Das ist keine Reverse Schaltung, das ist einfach ein PNP-Transistor in der Standard-Beschaltung.

Grüße Fabian

# wawa meinte am 9. Januar 2011, 19:27 dazu:

Hallo Fabian Sei bitte so nett und mach den Fehler raus. Pin 3 und 4 bitte im Blockschaltbild vertauschen. gruss Wawa

# Fabian Greif meinte am 9. Januar 2011, 20:11 dazu:

Hallo wawa,

das war zwar kein wirklicher Fehler, da die weitere Beschriftung übereinstimmte. Aber du hast recht, die Nummerierung an dieser Stelle sollte die gleiche wie an allen anderen Stellen sein. Ist korrigiert.

Grüße Fabian

# Stephan meinte am 23. Februar 2011, 12:42 dazu:

Hallo Fabian Ich habe die Schaltung 4 mal an meinen Robi verbaut und beim einstellen des Potis ist mir aufgefallen das die Melde LED manchmal sehr schnell blinkt. Durch abdecken der einzelnen IR LEDs habe ich herausgefunden das die Empfänger auch auf die anderen IR LEDs reagieren der Ausgang pulsiert dann. Woran könnte das liegen oder habe ich einfach nur 4 “is471” mit fast dem gleichen Oszillator?

Gruß Stephan

# Fabian Greif meinte am 23. Februar 2011, 16:33 dazu:

Ja, das scheint der Fall zu sein. Da wirst du nicht viel mehr tun können als die Sensoren gegeneinander abzuschirmen.

Grüße Fabian

# Philipp meinte am 22. Juni 2011, 22:32 dazu:

Hi, bin heute auch über deine Schaltung auf der Suche nach einer Lichtschranke gestolpert. Denkst du es wäre möglich mit dieser Schaltung einen Abstand von ca 50cm zu Überwachen? Stellt es ein Problem dar, wenn der Teil mit Transistor & IR-Diode dann über ein ca. 70 cm langes Kabel mit der restlichen Platine verbunden wäre?

Danke schonmal. Gruß Philipp

# Jochen meinte am 1. Februar 2012, 17:50 dazu:

Hallo, Tip und oder Frage, auf der Fotodiode des IS 471 ist eine Buchstaben-/Zahlenkombination eingraviert. Hat die eventuell was mit den Oszillatorfrequenzen zu tun? Ich habe hier 4 IS 471 mit unterschiedlichen Nummern und die behindern sich nicht. Vielleicht kann ja mal @Stephan wenn er das noch liest schauen ob da die gleichen Nummern auf seinen IS 471 stehen.

Gruß

Jochen

# usp14 meinte am 4. Oktober 2012, 09:42 dazu:

Kann ich den Schaltplan auch als normalen Abstandsensor verwenden , der mit einem PIC versorgt wird und ich brauche ihn nicht zu einem roboter

# Fabian Greif meinte am 4. Oktober 2012, 19:40 dazu:

Kann ich den Schaltplan auch als normalen Abstandsensor verwenden , der mit einem PIC versorgt wird und ich brauche ihn nicht zu einem roboter

Natürlich.
Auf dem Sensor steht ja nicht: “Darf nur für Roboter verwendet werden”.

# usp14 meinte am 15. Oktober 2012, 17:17 dazu:

ich hab noch eine frage wie viel spannung können wir maximal daraus bekommen ?

# Matthias meinte am 16. Oktober 2012, 03:14 dazu:

Hi, könntest du mir bitte sagen was SJ1 im Schaltplan darstellt.

LG

Matthias

# Tobi meinte am 18. Januar 2014, 09:00 dazu:

Hi, bin noch ziemlich neu in hinsicht Elektronik und häng an den widerständen kann mir jemand sagen welche (genau) ich für die schaltung brauch?

# Bernd Rössger meinte am 23. Februar 2014, 13:50 dazu:

Kann man die Platine bei Ihnen beziehen?