Arduino Module KnowHow: Sensoren mit LM393 Komparator

Sensoren mit einem LM393 Komparator IC

Es gibt eine Vielzahl von Sensoren die relativ ähnlich aussehen. Die meisten, lassen sie sich zwei Baureihen zuordnen. Einer blauen und einer roten. Allen gemeinsam ist, dass sie als Kernbauteil einen LM393 Komparator IC verwenden. Dieser Komparator vergleicht fortlaufend zwei Eingangssignale miteinander. Je nach dem welches Eingangssignal eine höhere Spannung hat, wird auf den Ausgang VCC oder GND geschaltet. Und dies mit einer sehr steilen (digitalen) Flanke.

Die Auswertung eines analogen Sensorsignals könnte natürlich auch mittels analogRead()- Befehl direkt mit dem Mikrocontroller gemacht werden. Mit den LM393 Schaltungen geht dies aber außerhalb und ohne den µC (zeitlich) zu belasten.

Der Komparator hat zwei sehr hochohmige Eingänge über die ideal kein Strom fließt. Liegt am IN(-) Eingang eine höhere Spannung als am IN(+) Eingang (U1>U2) an, schaltet der Komparator (= Vergleicher) mit einem integrierten Transistor den Ausgang (OUT) auf GND durch. Dies Verbindung ist niederohmig und der Ausgang kann mit einem Strom von 16mA belastet werden (Bsp. LED schalten).
Liegt im Gegensatz am IN(+) Eingang eine Höhere Spannung an (U2>U1)wird der integrierte Transistor geöffnet (open Collector). Wie in der Abbildung dargestellt schaltet der Komparator genau beim Erreichen der Schwellenspannung digital ein bzw. aus.

Das Grundprinzip der hier vorgestellten Sensoren funktioniert nun so, dass auf dem IN(-) Eingang eine Referenzspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers oder Potentiometers vorgegeben wird. Ein analoges Sensorsignal welches ausgewertet werden soll wird am IN(+) Eingang des LM393 angeschlossen. Ist die Spannung am Referenzeingang höher als die Sensorspannung liegt am Ausgang dauerhaft LOW an. Erhöht sich nun die Sensorspannung am IN(+) Eingang wird, sobald die Referenzspannung überschritten wird, der Ausgang des Komparators geöffnet.
Damit auch hier ein definierter Pegel am Ausgang anliegt ist ein 10kOhm Pullup-Widerstand in die Schaltung integriert. Am Ausgang liegt also jetzt ein konstantes HIGH an.

Schaltung und Programmcode

Der ArduinoSketch überprüft mit digital.Read(Pin) den digitalen Ausgang der Module. Wenn zusätzlich das anloge Rohsignal des Sensors ausgelesen werden soll (wenn dies zusätzlich als Modulpin anliegt) wird analog.Read(Pin) verwendet.


#define OUT 2

void setup() {
   pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); 
   pinMode(OUT, INPUT);
}
	
void loop() {
// Lesen des Zustandes des Sensors.
   bool val = digitalRead(OUT); 

   if (val == HIGH){ 
      // Wenn dieser AN ist dann soll die StatusLed leuchten
      digitalWrite (LED_BUILTIN, HIGH);
   } else { 
      // Wenn dieser AUS ist dann soll die StatusLed NICHT leuchten
      digitalWrite (LED_BUILTIN, LOW);
   }
}

Blaue Sensorbaureihe

Die Eingangssignale sind vielfältig und meist analog. Fotowiderstand, NTC-Widerstand, IR Sensor, Vibrationssensor, Reedkontakt, Flammenwächter, Hall-Sensor, ...

Der PullUp Widerstand R4 un die beiden Spannungsteiler R3 und das Poti haben wir bereits weiter oben kennengelernt. Bei den blauen Modulen sind zusätzlich zwei LED's mit entsprechenden Vorwiderständen montiert. R5 und R6. Die eine LED leuchtet sobald am Modul einen Versorgungsspannung anliegt, die andere LED leuchtet wenn am Ausgang GND durchgeschaltet wird. Im Modul sind auch zwei Kondensatoren eingebaut. Der C1 glättet die Versorgungsspannung ist so im Datenblatt empfohlen. Der C2 mach den Sensoreingang unempfindlicher gegen kurzzeitige Änderungen.

Fotowiderstand

Der Fotowiderstand bildet mit einem 5KΩ Widerstand einen Spannungsteiler. Wird der Sensor einer Lichtquelle ausgesetzt verringert sich sein Widerstand und damit auch das Spannungspotential am IN(+) Eingang. Das nun größere IN(-) Potential führt dazu, dass an den Ausgang GND durchgeschaltet wird.

Flammenwächter

Der Sensor des Flammenwächters ist ein IR-Fototransistor. Sobald der Fototransistor Infrarotlicht (Wärmestrahlung) detektiert wird seine Basis leitfähig. Dadurch wird die Kollektor-Emitter Verbindung durchgeschaltet und er IN(+) Eingang wird mit GND verbunden. Da nun die Referenzspannung an IN(-) größer ist wird an dem Ausgang GND ausgegeben.

Vibrationssensor

Der Vibrationssensor funktioniert über einen federgelagerten Kontakt welcher bei einer ausreichend großen Auslenkung (Vibration) den Schalter schließt. Darauf wird wieder In(+) auf GND gelegt und der nun höhere IN(-) Eingang schaltet GND auf den Ausgang.

Reedkontakt

Der Reedkontakt ist wieder ein Schalter welcher den IN(+) Eingang mit GND verbindet. Damit liegt am IN(-) Eingang eine höhere Spannung an und der Ausgang wechselt auf GND.
Die Reedkontakte werden von einem Magneten geschalten. Allerdings werden diese nicht direkt von dem Magneten angezogen. Es ist eher so, dass sich die Kontakte im Magnetfeld ausrichten und sich dadurch berühren. Es ist daher wichtig wie der Magnet an den Reedkontakt gehalten wird.

IR Abstandssensor

Der Abstandssensor funktioniert ähnlich wie der Flammenwächter. Zusätzlich zum IR Fototransistor ist bei diesem Modul noch eine IR LED eingebaut. Zum begrenzen der Diodenspannung ist ein zusätzlicher Widerstand integriert. Die LED sendet dauerhaft eine Infrarotstrahlung. Wird diese von einem Objekt in etwa 1 bis 10 cm Entfernung reflektiert wird dies vom IR Fototransistor detektiert und der Modulausgang auf GND gelegt.

Rote Sensorbaureihe

Die Schaltung der roten Module ist etwas anders aufgebaut als die Schaltung der blauen Module. Der Hauptunterschied ist, dass die angeschlossenen Sensoren nicht wie bei den blauen an IN(+) sondern an IN(-) angeschlossen sind. Dadurch wird bei einem abfallenden Sensorsignal nicht GND, sondern VCC (also HIGH) an den Ausgang gelegt. Da der Komparator im ausgelösten Zustand +5V durchschaltet wird die Signal LED an R4 an den zweiten Komparator angeschlossen. Die +5V OUT Spannung vom ersten Komparator wird an den IN-() Eingang des zweiten Komparators gelegt. Dadurch schaltet dieser GND auf seinen Ausgang und die Signal LED leuchtet.

Ein weiterer Unterschied der roten Module ist, dass diese den analogen Sensoreingang an einen Anschlusspin des Moduls herausführen.

NTC Temperatursensor

Der NTC Sensor leitet bei höheren Temperaturen den Strom besser als bei tiefen Temperaturen. Durch die höhere Leitfähigkeit des NTC wird die Spannung am IN(-) reduziert. Die Referenzspannung an IN(+) wird dadurch höher wodurch sich der Ausgang auf +5V ändert.

Hall Sensor

Beim Hall Sensor wird durch den Einfluss eines Magnetfeldes der Signalausgang auf GND geschaltet. Dadurch wird auch der IN(-) Eingang des Komparators auf GND gelegt. Als Folge ist das Potential am IN(+) höher und am Modulausgang wird +5V ausgegeben.