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Praktische Elektronik Licht per Handschlag Dipl.-Ing. KLAUS SCHLENZIG Irgendwie erschienen die Möglichkeiten des Projektes aus FA 3/95 noch nicht voll ausgereizt. Einige Zentimeter Übertragungsstrecke für eine selektive Tonsteuerung genügen zwar der geschilderten Anwendung (und mehr wäre da auch gar nicht sinnvoll gewesen). Aber es müßte doch eigentlich aus dieser Piezo-Geschichte für andere Zwecke noch mehr herauszuholen sein ... Im folgenden eine Anregung für die fensterlose Kammer oder den dunklen Keller: Licht ein und aus per Schall, eine klassisches Prinzip – neu angedacht. Und es funktioniert, was die meisten Leser freuen wird, auch im wenig gefährlichen Niederspannungsbereich. ■ Anleihe beim Dampf-Radio Als die Rundfunktechnik noch in ihren Kinderschuhen steckte, lernte man auch, das in Schwingungserzeugern verwendete Prinzip der (positiven) Rückkopplung gefühlvoller und damit für die Verbesserung der Empfänger einzusetzen: In einem Generator wird gerade so viel Energie in das System zurückgeführt, daß dessen Verluste gedeckt werden. Damit bleibt die durch die Daten der resonanzfähigen Komponenten bestimmte Schwingung stabil. Dosiert man diese Rückführung etwas geringer, kommt es zwar nicht zum Schwingen, aber die Komponenten werden scheinbar wesentlich verlustärmer, das heißt entdämpft. Das führt zu einer Anhebung der Schwingkreisgüte. Die Signale ferner, schwacher Sender lassen sich damit leichter aus dem Gemisch aller anderen herausfiltern und weiterverarbeiten – solange man eben unterhalb des Schwingeinsatzes bleibt. Dieses Prinzip des rückgekoppelten Audions ließ sich selbstverständlich auch in der Halbleitertechnik anwenden. Warum sollte man es in Verbindung mit einem Piezoresonator nicht ebenfalls nutzen können? ■ Personalunion Und so kam der dreipolige Piezoresonator aus dem Billigtelefon zu einer weiteren Aufgabe. Die Testschaltung nach Bild 1 sieht im Bereich von VT1 fast genauso aus 398 • FA 4/95 4,7k 8,2k wie jene, mit der (vgl. FA 3/95) das Rufsignal in diesen Telefonen erzeugt wird. Neu ist das Potentiometer, zur Begrenzung des Stellbereichs eingebunden in eine Widerstandskombination im Kollektorzweig des Transistors VT1. Außer diesem Generatorteil enthält das Bild noch zwei weitere Stufen – eine verstärkende Trennstufe (VT2) und einen optischen Schwingungsindikator (VT3). Dessen LED leuchtet, wenn der Generator schwingt. Das hört man außerdem. Doch diese LED hat noch eine weitere Aufgabe: Dreht man den Potentiometerschleifer langsam in Richtung Plus, verlischt die LED irgendwann. Durch mehrmaliges „Anfahren“ des Einsatzpunktes der Schwingung kann man die für den jeweiligen Fall optimale Stellung ermitteln – mehr oder weniger kurz vor dem Schwingeinsatz. Beim Einstellen empfiehlt es sich, keine unnötigen Geräusche zu erzeugen. Danach kann man mit den unterschiedlichsten Schallquellen testen, was so geschieht. Entsprechend der alten Audion-Erfahrung mit Schaltimpulsen und Gewitterstörungen wird man feststellen: Nicht nur ein Pfiff mit Resonanzfrequenz wird gemeldet oder das Signal eines anderen Piezogenerators gleicher Frequenz (wie dem aus Heft 3/95). Auch Händeklatschen, Klopfen (je nach Material), Zischen oder Telefonläuten werden verstärkt – je nachdem, ob ihr Schallspektrum genügend Energieanteile der Resonanzfrequenz enthält. 1k 1k 330 680k 4,7k 680k 4,7k VT1 10μ VT2 47μ VT3 BC238 BC238 BC338 1N4148 1N4148 +9V – Hier liegen sowohl die Chancen wie die Risiken des Prinzips, die für jeden Einsatzfall abzuwägen sind. Für einiges davon gibt es Gegenmaßnahmen. Kurze Impulse aus unerwünschten Quellen lassen sich beispielsweise durch Verzögern ausblenden. Für die Ansteuerung braucht man nicht unbedingt einen Piezogenerator, wenn das auch bei erster Betrachtung die am nächsten liegende Möglichkeit darstellt. ■ Generator aus dem Fundus Bild 2 entspricht im wesentlichen der Schaltung aus Heft 3/95 in der „Power“-Version. Knopfzellen scheiden daher aus, der Strom von reichlich einem Milliampere wird über eine längere Nutzungsdauer besser von zwei Mignon-Akkus aufgebracht. Damit nähert man sich im Volumen der in Heft 3/95 ebenfalls erwähnten 9-V-Version, die sich für den neuen Zweck gleichermaßen einsetzen läßt. Der Vorteil des Generators nach Bild 2, die Einstellbarkeit auf die Resonanzfrequenz des Empfängers, erweist sich für den vorliegenden Zweck allerdings als nur begrenzt wirksam. Das bezieht sich auf die zeitlich örtliche Stabilität. Die Resonanzfrequenzen der Piezoschwinger werden nämlich durch die Umgebungsbedingungen beeinflußt. Dazu gehören die Art der Lagerung und die akustische Ankopplung an die Umgebung. Schließlich muß man sie ja irgendwie in einem Gehäuse unterbringen. Auf jeden Fall (sender- wie empfängerseitig) gilt: Eine weiche Lagerung und Fixierung auf Schaumstoff bringt die wenigsten Probleme. Und für den Schallaustritt erwies sich, neben der kleinen Gehäusebohrung wie in der 9-V-Version nach FA 3/94, noch eine Art „Brunnenring-Variante“ mit zwei leeren Tesafilmrollen als zufriedenstellende Möglichkeit. Bei einer Schallwellenlänge im freien Raum von nur etwa 9 cm kommen jedoch beidseits weitere umgebungsbedingte Effekte hinzu, die man mit Hilfe eines Oszilloskops recht gut untersuchen kann. Diese Effekte machen den Einsatz des Generators nicht ganz problemlos, denn die am Empfänger ankommende Energie ist R1 15k f R3 47k R5 1k 1 (3) C1 R2 82k R4 82k C2 2 B1 1,5k 1,5k BC238 BC238 S1 2,5V R6 10k Bild 2: Signalgeber mit fremderregter Piezokapsel C3 100μ S2 S1 Aus Ein Bild 1: Rückgekoppelter Schallempfänger mit Indikatorstufe Bild 3: Option „Aus-Taster mit kurzer Wirkzeit“ zu Bild 2
2 3 1 B1 R2 R3 4,7k 8,2k B2 R1 R4 1k R5 R6 680k 4,7k C1 10μ 680k BC238 VT1 VD1 1N4148 R7 680 rot (beliebig) BC238 VT2 * Ansprechzeit / Empfindlichkeit (22 μ, kurz … 220 μ, lang, weniger empfindlich) durchaus nicht nur eine Funktion der Entfernung. Reflexionen können sich – lageabhängig – bis zum Auslöschen auswirken. Da außerdem auch die Resonanzfrequenz des Empfängers nicht frei von Einflüssen der Umgebung ist, bringt der Einsatz des Piezogenerators als Geber Optimierungsprobleme. Das heißt, der Empfänger sollte, wird eine große Reichweite gewünscht, auch auf möglichst hohe Empfindlichkeit eingestellt sein. Dadurch spricht er allerdings auch stärker auf Fremdgeräusche an und kippt bisweilen in die Selbsterregung. Das passiert besonders dann, wenn sich in Abständen vom n-fachen der halben Wellenlänge eine schallhart reflektierende Fläche befindet. Umgekehrt kann man eine solche Anordnung auch für hohe Empfindlichkeit ausnutzen, etwa bei Dekkenmontage, wenn die Piezoscheibe auf die etwa 4,5 cm entfernte Zimmerdecke gerichtet wird. ■ Umgedrehter Spieß Pfeifen, Zischen, Händeklatschen – all das sind brauchbare Alternativen zum Nulltarif zum elektronischen Generator. Eine kleine Pfeife oder eine dazu benutzte Schreiberkappe brauchen keine Batterie. Wozu der Generator unter definierten Versuchsbedingungen jedoch recht nützlich war: den erreichbaren Unterschied zwischen rein passiver Aufnahme und Rück- R10 680 VD5 K+ K1 C6 B3 BAT41, grün SY345 o.ä. (beliebig) VD4 K 10n R12 VT6 C2 VD3 R8 1N4148 47k 2,2μ (…4,7μ) R13 15k 22μ C3 10n 1N4148 VD2 1N4148 680k VT3 C4 R9 C5 22μ* 47k 1k BC238 R11 VT4 4,7k S1 BC338 C8 BC238 VD7 VT5 C7 1N4148 VT5 10n R14 1k Bild 4: Akustischer Ein/Aus-Schalter mit rückgekoppelter Piezokapsel als Schallempfänger Bild 5: Leiterplatte zur Kernschaltung von Bild 4 0 kopplung zu ermitteln. Das Ergebnis war beeindruckend. Erschienen unter bestimmten Meßbedingungen am Kollektor von VT1 ohne Rückkopplung z. B. 150 mV, waren es bei günstiger Einstellung mehr als 3 V (Spitze– Spitze). Da die restliche Schaltung bereits mit wesentlich kleineren Spannungen die gewünschten Funktionen auslöst, kommt man mit recht kleinen Eingangssignalen aus. Das wiederum bestimmt das Risiko für unerwünschtes Ansprechen auf Störsignale, das man je nach Einsatzzweck abschätzen muß. ■ Der Zweck und seine Mittel Das eben angesprochene „Risiko“ ist mehr funktioneller Art. In der Schaltung kann es beispielsweise schon dadurch begrenzt werden, daß „Aus“ vor „Ein“ geht. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit für unerwünschtes Einschalten sollte geringer sein als die für vorzeitiges Ausschalten der nur zeitweise benötigten Beleuchtung. Das wesentlichere Risiko des Einsatzes, das man jedoch durch Vorentscheid ganz ausschließen kann, liegt in der Betriebsspannung. Der Amateur sollte grundsätzlich nur im Niederspannungsbereich arbeiten. Es gibt wunderschöne 12-V-Halogenlampen und ebenso 12-V-Relais mit im Strom entsprechend hoch belastbaren Kontakten. Kleinere Orientierungsleuchten schließlich + – R11 C10 E VD8 E R14 E VT3 VT4 B B VT7 B C8 C C B VT6 R13 C E C VD7 C5 B3 K S1 C6 VD6 E C7 C3 E R10 K+ VT5 VD5 B VT2 B C4 C R12 VD4 C R3 R2 C9 1 VD1 E VT1 B C1 C + R5 R7 B2 R1 C2 + VD2 0 R4 Brücke 23 R6 R8 R9 VD3 Bild 6: Bestückungsplan zu Bild 5 Praktische Elektronik C9 47n VD8 1N4148 C10 470μ +9V kann man oft bereits aus dem 9-V-Netzteil der Schaltung speisen. Diese wird darum neutral für sich auf einer kleinen Leiterplatte montiert, die man ggf. um die Fläche für das gerade vorhandene Relais erweitern kann – vielleicht auch um eine Gleichrichter-Kondensator-Schaltung, wenn der Lampentransformator auch die Schaltung speisen soll. Eine gewisse Netzimpulsempfindlichkeit (vorwiegend für das Abschalten) ist bei solchen impulsgesteuerten Schaltungen ohnehin kaum zu vermeiden. ■ Die Lösung im ganzen Bild 3 zeigt die Schaltung, die noch auf 2 m Distanz auf Zischen oder Klatschen hin eine Niederspannungsbeleuchtung ein- und ausschaltet. Die Weichenstellung für Ein und Aus liegt am Kollektor von VT2. Die leicht verzögernde Gleichrichterschaltung steuert VT3 und VT4 an, so daß das Relais anzieht. Während das Signal bereits im Abklingen ist (Verlöschen der grünen LED), schaltet sich die Selbsthaltung mit VT5 und VT6 ein. Ein neuer (kurzer!) Signalimpuls gelangt als Schwingung der Resonanzfrequenz über den praktisch unverzögerten Kanal von VT2 nach VT7 und schaltet dort die Selbsthaltung ab. Ein zu langes Signal bewirkt sofortiges Wiedereinschalten. Wird bereits bei noch nicht ganz verloschener grüner LED neu signalisiert, kann das Relais schnarren. Das wird durch die C-Kopplung zwischen VT4 und VT7 weitgehend unterdrückt. Für Leute mit Niesreiz empfiehlt sich nach Einschalten, den „optionalen“ S1 zu schließen. Das verhindert automatisches Ausschalten. S1 wird erst bei Verlassen des Raumes wieder geöffnet. Bestimmt geht das Licht beim nächsten Niesen aus. Bild 5 zeigt einen Leiterplattenvorschlag für die Schaltung bis zum Relaisausgang und Bild 6 den zugehörigen Bestückungsplan. Wird der Generator nach Bild 2 verwendet, empfiehlt sich zur Generierung genügend kurzer Ausschaltsignale der Aus-Tastenzusatz nach Bild 3. – FA 4/95 • 399
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