Flankenkunde

Flanken dienen als Start- und Stoppbedingungen an digitalen Stoppuhren.

Was muss ich einstellen, um Laufzeiten zwischen zwei Lichtschranken oder die Dauer der Unbrechung einer Lichtschranke zu messen?

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Digitalzähler mit angeschlossenen Lichtschranken.

Geräte und Computer-Interfaces lassen sich unterschiedlich bedienen, aber ein paar Grundlagen sind weitgehend identisch. Kenntnisse darüber helfen, die verschiedenen Geräte auch ohne langes Studium der Bedienungsanleitung zu benutzen - und sie bei der Umsetzung eigener Versuchsideen zu nutzen.

Eine digitale Stoppuhr hat mindestens zwei Eingänge für Start und Stopp der Uhr. Im einfachsten Fall sind die Eingänge als Buchsen für 4-mm-Bananenstecker ausgeführt, manchmal lassen sich Lichtschranken über spezielle Buchsen und Stecker anschließen.

Zum Starten und Stoppen dienen einfache Schalter,die geöffnet und geschlossen werden. Oftmals kommen Lichtschranken als Schalter zum Einsatz. Die digitale Stoppuhr kann erkennen, ob der Schalter geöffnet oder der geschlossen ist - bzw. jeweils ob die beiden Buchsen leitend verbunden sind oder nicht.

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Öffnen oder Schließen der Schalter starten und stoppen die Uhr.

Erkenntnis: Das Öffnen oder Schließen eines Schalters dient als Signal für die Stoppuhr.

Digitale Stoppuhren kennen die Zustände LOW und HIGH

Allen Geräte gemein ist, dass Sie mit Zuständen High und Low sowie Flanken arbeiten. Ein Zustandswechsel von Low nach High oder umgekehrt wird als Flanke bezeichnet. Es gibt entsprechend ansteigende und abfallende Flanken.

Ist der Schalter geschlossen, sind also die beiden Eingangsbuchsen verbunden, so ist das Zustand LOW.
Ist der Schalter geöffnet, sind also die beiden Eingangbuchsen nicht verbunden, so ist das Zustand HOW

Schalter geschlossen = LOW
Schalter geöffnet = HIGH

Eine Zustandwechsel, also eine Flanke dient als Start oder Stoppbedingung.

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Links eine Low-High-Flanke, rechte eine High-Low-Flanke

Manche Zähler starten und stoppen bei beliebigen Flanken, in anderen ist eine feste Flanke LH oder HL als Start- oder Stoppbedingung vorgegeben. Und wieder andere lassen eine detaillierte Auswahl der Start- und Stoppbedingungen zu.

Weitere Geräte, die digitale Stoppuhren sind:

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Digitalzähler von Phywe. Hier können die Flanken, die zu Start und Stopp führen detailliert ausgewählt werden.
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Messung der Zeit beim Freien Fall. Als Stoppuhr dient das Cassy-System. Hier sind nicht alle beliebigen Flanken-Kombinationen möglich.
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Einfache Stoppuhr von 3b-scientific. Start und Stop erfolgen fest vorgegeben bei L-H-Flanken.
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Digital-Scaler-Timer von Frederiksen (Dk). Start und Stop erfolgen fest vorgegeben bei L-H-Flanken.

Lichtschranke: Ist ein freier Strahl LOW oder HIGH?

Es ist leider von Hersteller zu Hersteller ungeschiedlich, ob eine freier Strahl im Innern der Lichtschranke zu einem geschlossenen oder zu einem geöffneten Schatler fürht. Bei Lichtschranken der Firma Leybold ist bei freiem Lichtstrahl der Schalter zwischen den betreffenden Leitungen geschlossen und verursacht in der digitalen Stoppuhr den Zustand Low. Umgekehrt wird der unterbrochene Lichtstrahl als High registriert.

Andersherum bei Phywe: Die gebräuchliche Phywe-Lichtschranke 11207.20 verfügt über einen aktiven „Imp.Out“, der bei freiem Strahl auf +5 V (High) liegt und im unterbrochenen Fall auf 0 V (Low).

Die Lichtschranken von Vernier schalten ähnlich wie die von Phywe: Strahl frei = Schalter geöffnet → Zustand High, Strahl unterbrochen = Schalter geschlossen → Zustand Low.

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Leybold-Lichtschranke
Strahl frei: LOW - Strahl unterbrochen: HIGH
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Phywe-Lichtschranke 11207.20 mit Inkrementalrad
Strahl frei: HIGH - Strahl unterbrochen: LOW
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Vernier-Lichtschranke
Strahl frei: HIGH - Strahl unterbrochen: LOW

Wie kann ich die Start- und Stoppbedingung genau festlegen?

Beispiel 1: Zum Start wird eine LH- und zum Stopp eine HL-Flanke gewählt. Die Stoppuhr startet also beim nicht beim Schließen, sondern nur beim Öffnen des linken Schalters und stoppt beim Schließen des rechten Schalters.

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Bei diesen Flanken start die Stoppuhr beim Schließen des linken Schalters und stoppt, wenn der rechte Schalter erst geschlossen und dann wieder geöffnet wird.

 

Beispiel 2: Es wird die Laufzeit zwischen dem Auslösen zweier Lichtschranken gemessen. Auslösen bedeutet hier 2x eine L-H-Flanke, was bei Leybold-Lichtschranken durch eine Unterbrechung des Strahls bewirkt wird. Wäre eine Phywe-Lichtschranke angeschlossen, startete und stoppte der Zähler jeweils bei Frage des Strahls.

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Zählgerät mit 2 angeschlossenen Lichtschranken.

Übungen

(Ü1) Stellen Sie Messung im Bild oberhalb nach.
Bringen Sie dazu das Zählgerät erst in den passenden Grundzustand, wie er auf dem nachfolgenen Foto darstellt ist. Es hilft insbesondere die Taste "Mode".

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Grundzustand

Schließen Sie nun die Lichtschranken an und wählen Sie die passenden Flanken. Betätigen Sie dann "Run"

Tipp (click here)

(Ü2) Probieren Sie weitere Flankeneinstellungen aus.

(Ü3) Nehmen Sie nun nur eine Lichtschranke und messen sie die Dunkelzeit einer Lichtschranke. Das ist die Zeit, während der der Strahl von einem Objekt unterbrochen wird.

Lösung (click here)

(Ü4) Nehmen Sie die folgende Einstellung vor und betätigen Sie die Run-Taste. Unterbrechen Sie dann zunächst die linke, dann die rechte Lichtschranke. Geben Sie an, welche Größen gemessen werden. Tipp: Nutzen Sie die Results-Taste.

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Lösung (click here)

(Ü5) Nutzen Sie nun anstelle eines Komplettgeräts ein Computerinterface und den Rechner, um wie in Aufgabe 1 die Laufzeit zwischen dem Unterbrechen von 2 Lichtschranken zu ermitteln. Verwenden Sie die Software Cassy-Lab-2.

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(Ü6) Variiren Sie den Aufbau so, dass Sie die Fallzeit einer Kugel auf einer Fallstrecke von 1 m messen können.

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Spezial 1: mechanische Schalter prellen

Mechanische Schalter öffenen und schließen nicht ganz sauber, sondern mit Überschlägen und/oder mehreren Kontakten in der Schaltphase. Man sagt, sie prellen. In kurzer Abfolge treten LH- und HL-Flanken auf.

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prellender mechanischer Schalter

Oftmals ist das kurze Prellverhalten nicht bedeutsam. Falls doch, muss der Schalter entprellt werden. Dafür gibt es keine mechanisch, sondern nur eine elektrische bzw. elektronische Lösung. Manchmal reicht ein parallel geschalteter Kondensator (z.B. 0,1 uF). Für ein echtes Entprellen ist eine elektronische Schaltung erforderlich.

Spezial 2: Wie unterscheidet eine Stoppuhr den geöffneten vom geschlossenen Schalter?

Um die Frage zu beantworten ist ein Blick ins Innere erforderlich.

 

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innere Schaltung der Stoppuhr

Der Einfachheit halber erfolgt die Detailbetrachtung am Starteingang.

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Stoppuhr

Die obere der beiden Start-Buchsen ist über einen Widerstand von 10kΩ oder mehr mit einer Spannungsquelle von in der Regel 5V verbunden. Diesen Widerstand nennt man pull-up-Widerstand, denn er sorgt dafür, dass die Buchse auf einem Potential von 5 V liegt. Die Stoppuhr registriert diesen Zustand der oberen Buchse als High (H)

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Zustände High (links) und Low (rechts)

Wird nun ein geöffneter Schalter angeschlossen, so bleibt der Zustand High erhalten. Beim Schließen allerdings wird die obere Buchse über den Schalter direkt mit der unteren Buchse verbunden. Das Potential am Start-Sensor sinkt damit auf 0V, da die Spannung komplett über dem hochohmigen Widerstand abfällt. Diesen Zustand nennt man Low (L).