Schaltung für Fototransistor und analogen Messzeiger

[RoboTrader]

Ich möchte mit dem Board für meinen Pi, welches analoge Eingänge und einen analogen Ausgang besitzt, die „Helligkeit“ eines Fototransistors messen und diese - oder auch parallel dazu - auf dem Ausgang ein analoges Messgerät schalten.

Beide Schaltungen habe ich hier gezeichnet (diese funktionieren nicht):


Ich würde mich freuen, wenn ihr mir Tipps gebt, wie ihr Profis das schaltet. Der Fototransistor ist ganz „normal“, vom Aussehen wie eine LED, und das analoge Messgerät ist aus einem alten Kosmos-Baukasten ausgebaut, klein und mit Zeiger (dürfte über eine Spule das durch die Spannung erzeugte Magnetfeld „anzeigen“).

Dankeschön!

[RoboHolIC]

Ich sehe keinen prinzipiellen Fehler. Mein Vorschlag zur Fehlersuche (setzt voraus, dass du ein Multimeter zur Hand hast)

Ist der Phototransistor wirklich richtig herum beschaltet?
Funktioniert das Zeigerinstrument wirklich?
Lässt sich bei Helligkeitsänderungen eine veränderliche Spannung am Spannungsteiler messen?
Kannst du per Software den Zeiger des Instruments vom Pi aus zum ausschlagen bringen? Unabhängig vom analogen Messwert?
Schließe ein 5k..50kOhm-Poti als Spannungsteiler anstelle deiner Messeinrichtung an. Kannst du eine variierende Spannung am Eingangspin messen? Lässt sich diese variierende Spannung am Zeigerinstrument anzeigen?

Die Idee dahinter ist, mit den vorhandenen Mitteln Schritt für Schritt möglichst unabhängige Komponenten nacheinander zum Funktionieren zu bringen.

[RoboTrader]

Ich sehe keinen prinzipiellen Fehler. Mein Vorschlag zur Fehlersuche (setzt voraus, dass du ein Multimeter zur Hand hast)
[...]
Die Idee dahinter ist, mit den vorhandenen Mitteln Schritt für Schritt möglichst unabhängige Komponenten nacheinander zum Funktionieren zu bringen.

Ja, danke, das hilft mehr sehr.
Multimeter ist immer griffbereit.

Ist der Phototransistor wirklich richtig herum beschaltet?

Habe beide Möglichkeiten getestet, aber prinzipiell das kurze Bein Richtung GND, oder?

Funktioniert das Zeigerinstrument wirklich?

Ja.

Lässt sich bei Helligkeitsänderungen eine veränderliche Spannung am Spannungsteiler messen?

Greife ich dazu die Punkte A0 und GND ab (R) oder doch +3.3V und A0 (Fototransistor)?

Kannst du per Software den Zeiger des Instruments vom Pi aus zum ausschlagen bringen? Unabhängig vom analogen Messwert?

Stimmt, das hätte ich zuerst testen sollen. Wird morgen früh gleich gemacht.

Schließe ein 5k..50kOhm-Poti als Spannungsteiler anstelle deiner Messeinrichtung an. Kannst du eine variierende Spannung am Eingangspin messen?

Ja.

Lässt sich diese variierende Spannung am Zeigerinstrument anzeigen?

Auch das wird morgen ausprobiert. Du meinst, direkt das Zeigerinstrument parallel zum Poti - also zur Hälfte (Richtung + oder -)?
Zeigerinstrument misst doch die Spannung durch die Spule, oder?

Wie taste ich mich denn bei so etwas an die Größe des Widerstands heran? Ich will R natürlich groß genug haben, damit das Zeigerinstrument oder der Fototransistor nicht kaputt geht, allerdings soll R auch nicht zu groß sein, so dass nichts mehr zu messen ist.

Danke!

- - - Aktualisiert - - -

Für Tipps zu Elektronik-Tutorials mit Übungen zum Messen usw. an Arduino und Pi bin ich auch sehr dankbar. Habe dazu noch nichts gefunden. Nur die generellen Tutorials. Aber oft nur mit kleinsten Abstechern zu Formeln und Erläuterungen.

[RoboHolIC]

Multimeter ist immer griffbereit.

Profi !

prinzipiell das kurze Bein Richtung GND, oder?

Näää. Klemm den Phototransistor ans Multimeter in Widerstandsmessung. Bei passender Polung sinkt der Widerstandswert mit steigender Helligkeit deutlich. Die Einbaupolung soll dann so sein wie Plus und Minus am Multimeter.

Greife ich dazu die Punkte A0 und GND ab (R) oder doch +3.3V und A0 (Fototransistor)?

Das ist eigentlich egal. Ersteres entspricht halt dem, was der ADC im Controller sieht. Du kannst die Empfindlichkeit deiner Licht-Mimik durch die Wahl des Festwiderstandes beeinflussen. Größerer Arbeitswiderstand gibt größeres Signal.

direkt das Zeigerinstrument parallel zum Poti - also zur Hälfte (Richtung + oder -)?

Oje, da hab ich Verwirrung gestiftet. Ideal wäre es, das analoge Signal direkt am Controllerpin (hinter allen Leitungs- und Kontaktfehlern) direkt am Controller nachzuweisen. An SMD-Chips ist das aber eine heikle Empfehlung - lass es lieber und beschränke dich auf den Nachweis der Potifunktion am GPIO-Pin.

Wie taste ich mich denn bei so etwas an die Größe des Widerstands heran? Ich will R natürlich groß genug haben, damit das Zeigerinstrument oder der Fototransistor nicht kaputt geht, allerdings soll R auch nicht zu groß sein, so dass nichts mehr zu messen ist.

Wenn das Zeigerinstrument so ein Groschenartikel wie aus einem alten Cassettendeck, Tuner etc ist, dann braucht das weit weniger als 1mA. Fang mal mit Vorwiderstand 100kOhm bei 5V oder 3,3V an. Dann sollte sich was bewegen, vielleicht sogar klappern.Kaputt geht so schnell nichts. Je nach Erfolg dann um Faktor 5 oder 10 kleiner machen, bis man an den Vollausschlag rankommt.
Der Arbeitswiderstand für den Phototransistor sollte für Experimente erstmal nicht kleiner als 1KOhm sein, es sei denn man weiß was man macht. Größer darf er immer sein.

Gruß
Christian.

[White_Fox]

Greife ich dazu die Punkte A0 und GND ab (R) oder doch +3.3V und A0 (Fototransistor)?

Das ist eigentlich egal, du erhältst dann nur "das andere" Ergebnis. Wichtig ist, das du erst mal eine Veränderung siehst.

Auch das wird morgen ausprobiert. Du meinst, direkt das Zeigerinstrument parallel zum Poti - also zur Hälfte (Richtung + oder -)?

Ein Poti hat drei Anschlüsse (gewöhne dir am Besten plus und minus ab, das paßt nicht überall, ein Poti hat solche Bezeichnungen nicht), wobei der erste und der dritte die 'äußeren' Anschlüsse sind. An Anschluß zwei sitzt in der Regel der Schleifer, der einen Kontakt von einer Kohlebahn (oder eines anderen Materials) abgreift. Abhängig von der Stellung bewegt sich die Spannung am Schleifer irgendwo zwischen der, die an den äußeren Anschlüssen anliegt.

Zeigerinstrument misst doch die Spannung durch die Spule, oder?

Es gibt da verschiedene Verfahren, aber die meisten messen mit Hilfe einer Spule, ja. Bei Drehspulgeräten z.B. hängt der Zeiger an einer drehbar gelagerten Spule in einem konstanten Magnetfeld, eine Feder hält die Zeigerspule an der 0V-Position. Wenn bei der Messung ein (geringer!) Strom durch die Spule fließt stößt diese sich vom Magnetfeld ab und bewegt sich entgegen der Kraftrichtung der Feder. Wenn sich ein Gleichgewicht zwischen Magnet- und Federkraft einstellt, bleibt der Zeiger stehen.

Was mit da gerade einfällt: Drehspulmeßgeräte haben oft einen relativ geringen Meßwiderstand. Das ist ungünstig. Ich würde dir raten, dir ein vernünftiges zu kaufen. (Soviel kosten die Teile nicht, ein billiges vom Baumarkt reicht, es muß keins von Fluke oder Agilent sein.)

Wie taste ich mich denn bei so etwas an die Größe des Widerstands heran? Ich will R natürlich groß genug haben, damit das Zeigerinstrument oder der Fototransistor nicht kaputt geht, allerdings soll R auch nicht zu groß sein, so dass nichts mehr zu messen ist.

So eine richtige Regel gibt es in diesem Fall nicht. Manche nehmen aus Gewohnheit 10kΩ, andere nehmen was gerade zur Hand ist. Der von dir gewählte Wert ist völlig in Ordnung. Der Widerstandswert ist, wie so Vieles, ein Kompromiß aus allen Umständen von denen jeder für sich genommen dir nur in die Suppe spuckt. Machst du den Widerstand immer kleiner, wird der Strom immer größer der fließt, wenn der Transistor durchschaltet. Machst du ihn immer größer ist es irgendwann egal ob der Transistor schaltet oder nicht und Störungen, die sonst über den Widerstand abgeleitet werden würden, würden sich bemerkbar machen (wenn der AO z.B. einen anderen Transistor steuert).

Aber wie gesagt, der von dir gewählte Wert ist völlig in Ordnung. An dem liegt es sicher nicht daß du nichts messen kannst.

Ansonsten lies dich hier mal ein: www.dieelektronikerseite.de

[i_make_it]

Bei der Eingangsschaltung sollte noch ein Strombegrenzungswiderstand rein, damit auch bei niederohmigen Fototransistor der Strom der durch den Analogeingang fließt, kleiner bleibt wie der Maximalstrom den der Analogeingang aushält ohne Schaden zu nehmen.
Danach und nach dem Maximalwiderstand des Fototransistor richtet sich dann der Wert des Wiederstands im Spannungsteiler (aktuell 4,7k).

Wenn die Skala der Anzeige logarithmisch ist, dürfte es ein Dreheiseninstrument sein.
Ist die Skala linear, dann vermutlich ein Drehspulinstrument.

Bei der Anzeigeschaltung dürfte vermutlich auch ein Vorwiderstand fehlen (Abhängig vom Aufbau der internen Schaltung des Analogausgangs).
https://de.wikipedia.org/wiki/Drehsp...annungsmessung
https://de.wikipedia.org/wiki/Drehei...annungsmessung

[RoboTrader]

Vielen, vielen Dank!

Es läuft beides.
Dennoch, falls künftig jemand auch an diesen Schaltungen hängt:

• Logarithmische Skala, daher wohl Dreheiseninstrument (*DEI)
• Widerstandsmessung am Messgerät: Fototransistor funktioniert bestens und das kurze Bein muss an den Pluspol (umgekehrt zu LEDs!)
• Schaltung für DEI um Vorwiderstand erweitert und vor dem Anschließen Poti auf 0 gesetzt
• Langsam hochgedreht und bei Teilung 1:3 das Maximum erreicht (finale Schaltungen s. unten)
• Fototransistor auch um Vorwiderstand erweitert und richtig gepolt angeschlossen - auch erfolgreich
• RoboTrader glücklich und dankbar

Hier die Schaltungen:

[HaWe]

hallo,
ich verstehe nicht recht, wieso 2 Widerstände gebraucht werden - übicherweise werden immer der Phototransistor und der Emitterwiderstand in Serie geschaltet und der analog-Wert wie bei einem Poti oder einem normalen Spannungsteiler in der Mitte abgegriffen, direkt am Emitter:
https://www.rahner-edu.de/robotik/bo...ototransistor/

https://www.rahner-edu.de/s/cc_images/cache_4296998.jpg

Da direkt die Spannung gemessen wird gegen Vdd (bei dir 3.3V, nicht 5V), ist IMO keine "Strombegrenzung" nötig:
genauso gut könnte man an A0 auch direkt 3.3V von der Bordspannung oder direkt GND (oder irgend was dazwischen) anlegen, wie man es üblicherweise bei Arduinos zur Spannungsmessung macht. Den Emitterwiderstand allerdings kannst du sicher im Bereich 470-10k Ohm für deine Messzwecke anpassen, für 3.3V Vdd und je nach Phototransistor und Licht.

[RoboHolIC]

Hi, RoboTrader.

Super, dass du unsere Tipps so erfolgreich verwerten konntest.

Obwohl es ja nun funktioniert, dennoch zwei Anmerkungen:
a) So, wie du den 470 Ohm-Angst-Sicherheits-Widerstand plaziert hast, wirkt er in der Tat als Strombegrenzer, falls der Analogeingang irrtümlich mal als Ausgang mit L-Pegel gesetzt wird. Er wirkt sich aber auch tendenziell negativ auf die Sensitivität aus, weil er den Spannungshub reduziert. Wenn du die 470 Ohm stattdessen in die Leitung zwischen Teilerpunkt (Abgriff) und Analogeingang setzt, hat er außer den Anschaffungskosten nur Vorteile: Er begrenzt den Strom, der im Fehlerfall durch den A0-Pin fließen kann, aber er stört im Normalbetrieb nicht, weil dort eh praktisch kein Strom fließt. Das hat HaWe ja schon in anderen Worten geschrieben.
b) Das Instrument braucht keinen Parallelwiderstand sondern nur den Reihenwiderstand zur Anpassung an die maximale Messspannung.

[HaWe]

...nur Vorteile: Er begrenzt den Strom, der im Fehlerfall durch den A0-Pin fließen kann, aber er stört im Normalbetrieb nicht, weil dort eh praktisch kein Strom fließt.

wie wäre so ein "Fehlerfall" denn überhaupt denkbar? Bei dem ADC des Raspi-Shields handelt es sich ja um einen PCF8591, wenn ich mich nicht irre...