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Getränkeautomat mit Laser und NE556

Die Schaltung wird mit der integrierten Schaltung NE556, die aus zwei NE555 Timers besteht und dem Signalinverter SN7414 realisiert. Ein der Signale wird mithilfe eines Optokopplers verwaltet. Mit drei Leuchtdioden wird der aktuelle Betriebszustand signalisiert, mit einem Relais wird das Getränke-Ventil, das in diesem Fall mit 12 VDC arbeitet, geschaltet. Ein Lasersensor überwacht das Vorhandensein eines Trinkbechers. Der Lasersensor steht hier stellvertretend für einen beliebigen Sensor, der einen Gegenstand wie z.B. Trinkbecher erfassen und seine Anwesenheit mit einem digitalen Signal melden kann.
Die Aufgabe der Schaltung ist alles andere als kompliziert. Man stellt auf einer dafür vorgesehenen Stelle einen Trinkbecher, Glas o.Ä. auf. Mit einem Knopfdruck wird die Getränkeausgabe gestartet. Nachdem der Trinkbecher gefüllt wurde, kann er entnommen werden und der Vorgang wird damit abgeschlossen.
Damit es möglichst zu keinen unerwünschten Zwischenfällen an der Getränkeausgabe kommen kann, verfügt die Schaltung über zwei Überwachungsfunktionen. Nachdem die Getränkeausgabe gestartet wurde, kann die Ausgabezeit mit dem Startknopf nicht mehr verlängert werden. Wäre das der Fall, könnte es zu einem unerwünschten Überlauf kommen. Wenn während der Ausgabe der Trinkbecher entfernt wird, wird die Ausgabe, damit das Getränk nicht in die Leere läuft, unterbrochen.

NE556

Die integrierte Schaltung NE556 besteht aus zwei Timer NE555. Beide Timer können separat verwendet werden. Ob man sich für einen Baustein NE556 oder zwei NE555 entscheidet, ist eher irrelevant.

SN7414

Der Konverter SN7414 besteht aus sechs NOT-Gattern. Soll ein HIGH-Signal in ein LOW-Signal oder umgekehrt umgewandelt werden, ist der SN7414 eine gute Wahl. Der Baustein arbeitet mit 5V.

BC337

Das Ventil, das für die Getränkeausgabe zuständig ist, wird mit einem Relais geschaltet. Das Relais wiederum wird mit dem Transistor BC337 ein- bzw. ausgeschaltet. Bei größeren Relais, die mehr Strom benötigen, ist ein Zwischenverstärker wie z.B. ein Transistor unerlässlich. Der Transistor erlaubt es zudem, Relais mit anderer Spulenspannung zu schalten. In diesem Fall könnte z.B. ein 12 VDC oder 24 VDC Relais zum Einsatz kommen.

Relais HJR-4102E-L-05V

Mit dem Relais wird das Ventil, das für 12 VDC ausgelegt ist, geschaltet. Die Schaltung selbst arbeitet mit 5 VDC. Das Relais verfügt über einen Wechsler-Kontakt und kann Lasten bis zu 3A schalten.

Lasersensor

Der Lasersensor hat in dem Experiment die Aufgabe, einen Trinkbecher zu erkennen. Diese Aufgabe könnten auch andere Sensoren übernehmen. Der Sensor hat einen Ausgang und liefert ein digitales Signal. Ein LOW-Signal an seinem Ausgang steht für Hindernis erkannt, mit dem HIGH-Signal wird das Gegenteil gemeldet. Eine Leuchtdiode visualisiert den aktuellen Zustand im Erfassungsbereich des Lasers.

Optokoppler EL817C

Bei dem Optokoppler EL817C handelt es sich um einen 1-Kanal Optokoppler. Der Baustein verfügt über vier Pins in einem DIP-Gehäuse (SMD-Versionen sind ebenfalls erhältlich). Die Anschlüsse sind:
1 – Anode
2 – Kathode
3 – Emitter
4 – Kollektor
Der Baustein besteht aus einer infrarot-emittierenden Diode, die optisch mit einem Fototransistor gekoppelt ist. Optokoppler werden meist in Schaltungen, die eine galvanische Trennung zwischen zwei Stromkreisen erfordern, eingesetzt. Darüber hinaus können mit Optokoppler die Schwachstromkreise von Kreisen mit höherer Leistung getrennt werden. Die Optokoppler werden sehr oft in den SPS-Baugruppen verwendet.
Einige Daten:
Die Isolationsspannung zwischen Eingang und Ausgang: 5000 V.
Betriebstemperatur: -55°C bis 110°C
Leistung: 0,1 W
UCE: 35 V
Kollektorstrom: 50 mA
Vorwärtsspannung: 1,2 V.
Hersteller: Everlight

Anschluss

Spannungsregler

In der Ausführung arbeitet die Schaltung mit zwei Spannungen. Mit 12 VDC wird das Schaltventil geschaltet. Alle anderen Komponenten arbeiten mit einer Spannung von 5 VDC. Der Spannungsregler regelt die 12 VDC Eingangsspannung auf 5 VDC herunter. Bei dem Modul handelt es sich m einen Spannungsregler mit LM2596 und einer 7-Segmentanzeige.

Ventil 12V

Das Ventil ist das Glied der Schaltung, um das sich alles dreht. Die ganze Schaltung ist dazu da, zu bestimmen, wann da Ventil ein- bzw. ausgeschaltet wird und wie lange es an bleiben soll. Es ist gleichzeitig das einzige Glied der Schaltung, das mit 12 V arbeitet. Alle anderen Komponenten kommen mit 5 V aus.

Der Schaltplan

Der Schaltplan

Solange der Lasersensor keinen Trinkbecher erkennt, führt sein Ausgang ein HIGH-Signal. Das Signal führen wir zu dem Inverter SN7414 (Pin 5), wandeln in ein LOW-Signal um und führen zu den beiden RESET Eingängen des Bausteins NE556. Er besteht aus zwei unabhängig arbeitenden Timer NE555. Damit sind beide NE555 gesperrt. Sobald ein Trinkbecher vor dem Lasersensor auftaucht, schaltet sein Ausgang auf LOW, wird in ein HIGH-Signal umgewandelt (SN7414 Pins 5 und 6) und entsperrt beide NE555 Timer. Solange dies nicht geschieht, ist die Wirkung des Tasters S1 blockiert. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Emitter des Optokopllers EL817 ein HIGH-Potenzial aufweist. Jetzt, nachdem der Ausgang des Lasersensors auf LOW geschaltet hat, kann mit dem Trigger Signal der zweite NE555 gestartet werden. Dazu muss der Taster S1 betätigt werden. Das Ventil zieht an, die Getränkeausgabe läuft. Gleichzeitig, da der Ausgang des zweiten Timers NE555 (NE556, Pins 2-Reihe) jetzt HIGH-Potenzial aufweist, wird das Signal dank SN7414 auf LOW-Signal umgewandelt und auch der erste Timer (NE556, Pins 1-Reihe) getriggert. Der erste Timer fungiert in der Schaltung als einfacher Ein/Aus-Schalter oder Speicherglied, dessen Aufgabe es ist, den Einschaltvorgang festzuhalten und dafür zu sorgen, dass der Taster S1 deaktiviert bleibt. Der erste Timer bleibt auch dann an, wenn die Ausschaltverzögerungszeit des zweiten Timers abgelaufen ist und er abschaltet. Solange der erste Timer aktiv ist, bleibt der Optokoppler EL817 deaktiviert und damit auch der Taster S1. Erst wenn das volle Trinkbecher entnommen wird, der Ausgang des Lasersensors auf HIGH schaltet, wird der erste Timer zurückgesetzt und gibt damit die Funktion des Tasters S1 frei.

Die Testschaltung

Die Testschaltung

Versuchsanordnung

Kurzvideo

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