In der Fachliteratur und im Internet lassen sich ziemlich viele Schaltungen finden, die berührungsempfindlich sind - von einfachen Sensorschaltern, die auf den Widerstand der menschlichen Haut reagieren (es müssen zwei Kontakte berührt werden) über die am meisten verbreiteten Anlagen mit nur einem Kabel, die sich das Prinzip des Netzbrummens zunutze machen (der Mensch wird dabei zu einer Antenne, die das Netzbrummen empfängt) bis zu professionellsten kapazitiv-induktiven Lösungen, die durch äußere Störungen nicht beeinflusst werden und dadurch richtig stabil arbeiten können.
In den letzten Wochen habe ich mit allen Typen der Berührungsalarmanlagen rumexperimentiert und bin zu dem Schluss gekommen, dass die Netzbrummen-Empfänger relativ unpraktisch sind, weil sie nur in einer sehr geringen Entfernung von dem zu überwachenden Objekt installiert und meistens nur mit Batterien betrieben werden können (ein Netzteil kommt dabei also eher nicht in Frage). Ihr weiterer Nachteil ist es auch, dass sie oft durch elektromagnetische Störungen ausgelöst werden können (kurzes Klicken mit einer Lötpistole, Einschalten des Lichtes, eines Staubsaugers usw.). Ich baute zum Beispiel eine Schaltung auf zwei Transistoren und einem kleinen Thyristor, die eine LED steuerte. Bis zu etwa 2 Metern ging es noch einigermaßen, aber bei längeren Verbindungskabeln war die Anlage sehr schwer zu handhaben (ich hätte sie etwas modifizieren müssen, wozu ich wenig Lust hatte).
In dem kostenlosen E-Book von Colin Mitchell "200 Transistor Circuits - Circuits 1-100" bin ich auf eine sehr interessante einfache kapazitiv-induktive Schaltung gestoßen, die hauptsächlich aus Transistoren und einer sehr simplen Spule gebaut wird. Das Ding steuert einen billigen Piezo-Signalumformer (Piezomembran ohne Generator) und lässt uns akustisch wissen, dass zum Beispiel ein Eindringling an unserem Türschloss herumwerkelt. Diese Anlage hat bei mir nicht sofort zufriedenstellend funktioniert, aber ich konnte ziemlich schnell der Ursache auf den Grund kommen: Der Wert des Widerstandes zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Masse war ein bisschen zu klein (bei Colin Mitchell war es ein 1 kOhm) und ich ersetzte ihn durch ein praktisches Poti von 2.2 kOhm. Nun fing das Gerät an, richtig zu arbeiten und erwies sich als besonders idiotensicher, sehr skalierbar und völlig störungsfrei (auch dann, wenn man es an ein stabilisiertes Netzteil anschließt, was die "Netzbrummer" gar nicht oder nur sehr schwer können).
Hier der modifizierte Schaltplan:
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Benötigt werden:
- drei NPN-Kleintransistoren, zum Beispiel BC547 oder ähnlichen Typs
- ein PNP-Kleintransistor, zum Beispiel BC557 oder ähnlichen Typs
- eine Schaltungsdiode 1N4148 (oder ähnlichen Typs)
- eine selbst gewickelte Spule aus 0.5-Millimeter-Kupferlackdraht (CuL): 16 Windungen auf einem formenden Stab von Ø 5 mm, den man dann entfernt; so eine Induktivität lässt sich auch aus einer isolierten Montageleitung machen
- ein 33pF-Kondensator (am besten keramisch; gekennzeichnet als 33 oder 330 bzw. 33K oder ähnlich)
- zwei 47pF-Kondensatoren (am besten keramisch; gekennzeichnet als 47 oder 470 bzw. 47K oder ähnlich)
- ein 100pF-Kondensator (am besten keramisch; gekennzeichnet als 101 bzw. 101K oder ähnlich)
- ein 10nF-Kondensator (gekennzeichnet als 103 bzw. 103K oder ähnlich)
- ein 22nF-Kondensator (gekennzeichnet als 223 oder 223K bzw. 22 nK oder ähnlich)
- ein 220-kOhm-Widerstand, Farbcode: rot - rot - gelb
- ein 47-kOhm-Widerstand, Farbcode: gelb - violett - orange
- ein 22-kOhm-Widerstand, Farbcode: rot - rot - orange
- ein 10-kOhm-Widerstand, Farbcode: braun - schwarz - orange
- ein 2.2-kOhm-Widerstand, Farbcode: rot - rot - rot
- ein 100-Ohm-Widerstand, Farbcode: braun - schwarz - braun
- ein 2.2-kOhm-Poti, gekennzeichnet als 2.2 K, 2k2, 222 oder ähnlich
- ein Piezo-Signalumformer, ohne integrierten Generator (nur die Membran); es kann ein Umformer mit Plastikgehäuse sein, wie der, der auf dem Foto zu sehen ist, oder auch eine "blanke" Membran (ähnlich so einer, die man in alten guten "spielenden" digitalen Armbanduhren finden kann)
- zwei 1.5-Volt-Batterien, zum Beispiel AA oder AAA; die beiden Batterien werden in Serie geschaltet (der Pluspol der ersten Batterie an den Pluspol unserer Schaltung, der Minuspol der ersten Batterie an den Pluspol der zweiten, der Minuspol der zweiten Batterie an den Minuspol unserer Schaltung)
- ein Schalter (nicht obligatorisch, aber empfohlen)
- Lötzinn, Lötpistole/Lötkolben, Zange, Messer, Montageleitung, Batteriehalter (nicht obligatorisch)
- eine Lochrasterplatine oder etwas Ähnliches (es geht zur Not auch ohne Platine, wenn man die Elemente direkt verlötet oder eine Klemmleiste benutzt)
- Anschlussdraht für den Sensor (je dünner, desto besser - besonders dann, wenn weit entfernte oder größere Metallelemente zu überwachen sind; ein Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 0.1 bis 0.2 kann da sehr gute Dienste leisten)
Funktionsprinzip:
Der Schwingkreis (bestehend aus der Spule, den Kondensatoren und dem ersten Transistor) ist das Herzstück der Anlage. Berührt man den Punkt zwischen den Kondensatoren, ertönt ein Alarmsignal, das so lange summt/piepst, bis wir den Finger wegnehmen. Der menschliche Körper besitzt auch seine eigene Kapazität. Durch das Berühren des Sensors wird die Kapazität/Induktivität der Schwingkreises verändert. Im Idealfall wird die Schwingung gänzlich unterbrochen, was über die Diode und den zweiten Transistor den kleinen akustischen Generator/Verstärker aktiviert, der die Membran "antreibt" (die beiden Transistoren ganz rechts). Mit dem 2.2-kOhm-Poti wird der Arbeitspunkt des Gerätes eingestellt: Man schließt den zu überwachenden Metallgegenstand an das Verbindungskabel an und stellt das Poti so ein, das das Piepsen des Umformers "soeben aufgehört hat". Anschließend testet man diese Einstellung, indem man das oben genannte Metallobjekt berührt. Ertönt der Ton wieder, ist alles in Ordnung. Sollte es beim ersten Mal nicht funktionieren, dann muss die Prozedur wiederholt oder die Länge/Dicke des Kabels modifiziert werden. Ist die Verbindungsleitung zwischen dem Gerät und dem überwachten Metallobjekt sehr kurz und wir sind auch bereit, an den Einstellungen des Potis etwas geduldiger zu feilen, kriegen wir einen Daueralarm (der Ton hört nicht auf, auch wenn wir den Metallgegenstand nicht mehr berühren). Bei richtiger Einstellung des Arbeitspunktes ist sogar berührungslose Detektion des menschlichen Körpers möglich. Die Anlage ist für 3 Volt ausgelegt, kann allerdings auch nur mit einer AA-Batterie (1.5 V) betrieben werden (allerdings mit einer sehr reduzierten Lautstärke). Der 2.2-kOhm-Widerstand zwischen den Anschlüssen des Piezo-Umformers ist unter anderem für die Höhe der Betriebsspannung verantwortlich. Legt man eine Spannung von etwa 4 Volt an, ist im Umformer kein Ton mehr zu hören.
Wie man das Zeug nutzen kann:
- als Alarmanlage, die kleinere Metallgegenstände überwacht (Klinken, Vorhängeschlösser, kleinere Fenstergitter usw.); je und dicker das Verbindungskabel, desto schwieriger die präzise Einstellung des Arbeitspunktes, darum empfiehlt es sich, immer möglichst dünne Kupferdrähte einzusetzen (zum Beispiel aus einem defekten Trafo oder aus einer alten Relaisspule), ein Durchmesser von 0.1 bis 0.2 mm wäre optimal; dünnere Drähte haben eine viel kleinere Eigenkapazität und man kann sie über weitere Entfernungen legen; man kann auch den Sensor an einen anderen Punkt der Schaltung verschieben (Anode oder Kathode der Diode; wenn es die Kathode sein sollte, erreicht man einen interessanten akustischen Effekt, weil der Ton nun durch das überall schwingende Netzbrummen moduliert werden kann, was vielen Menschen sogar gefallen kann)
- eine Art "Zaubertrick" für Kinder, mit dem sie unterhalten oder zur Elektronik anregen kann (der Sensor unter dem Tisch oder mit einer Zeitung zugedeckt - wir winken mit der Hand und das Piepsen ertönt)
- eine besondere Türklingel (an der Tür könnte man ein Maskottchen anbringen und es durch eine Information ergänzen, dass dаs Bäuchlein dieses Bären sanft zu streicheln ist)
- eine Kapazitätsharfe, die durch Berührung oder auch berührungslos durch streichelnde Gesten zu spielen ist
- ein Geschicklichkeitsspiel (ein Metallring, durch den ein irrgartenförmig gebogener blanker Draht geführt wird; das Ziel des Spieles ist es, den Ring so durch das Labyrinth zu führen, dass der Draht nicht berührt wird - eine gute Übung für Uhrmacher, Präzisionsmechaniker oder Elektroniker, die viel mit SMD-Komponenten zu tun haben)
- als berührungsloser Menschendetektor (mit dem Sensor unter dem Teppich, der Fußmatte, im Tür- oder Fensterrahmen); wie wir das arrangieren, hängt nur von unserem Einfallsreichtum ab (blanke Drähte, Alufolie oder ähnliches Zeug); mit ähnlichen Lösungen lassen sich sogar Fahrzeuge entdecken, die auf unser Grundstück / in die Garage fahren (es ist ist eine kleine Herausforderung, aber durchaus machbar)
- als Berührungsalarm für größere "Metallklumpen" wie Fahr- oder Motorräder (unter Umständen mit den nötigen Änderungen im R/L/C-Bereich)
- Katzen oder Hundedetektor - besonders im angelsächsischen Raum sind kleine "Tierschleusen" populär (so ein kleines Türchen in der normalen Tür), die sich mit unserem Gerät sehr einfach kombinieren lassen
- als einfacher Metalldetektor (metallene Dinge haben ebenfalls ihre elektrische Kapazität, von der Eigeninduktivität ganz zu schweigen); meine Bastelei entdeckt problemlos eine wenige Zentimeter entfernte Schieblehre (über eine improvisierte um vier Finger der Hand gewickelte offene Spule aus Montageleitung, die ich an verschiedenen Punkten der Schaltung erfolgreich testete, unter anderem ... am Pluspol der Batterie); Empfindlichkeit und Reichweite so eines Detektors lassen sich auch erheblich steigern, wenn man eine mehr professionelle geschlossene Spule wickelt (ab besten abgeschirmt und über ein abgeschirmtes Anschlusskabel gekoppelt); allen interessierten Hobby-Elektronikern empfehle ich, etwas in der Fachliteratur zu stöbern, in der solche Schaltungen beschrieben wurden, weil das darin enthaltene Wissen direkt auf unsere Bastelei übertragbar ist, wodurch keine völlig neue Anlage gebaut werden müsste
Schlussbemerkungen:
Meine Alarmanlage baute ich ganz ohne Platine (alle Komponenten einfach direkt miteinander verlötet). Ich benutzte dabei drei NPN-Transistoren vom Typ C9014 (ihre Parameter ähneln denen von BC547, nur die Pinbelegung ist etwas anders) und einen PNP-Transistor vom Typ BC309. Die restlichen Komponenten stimmen mit denen des Schaltplanes exakt überein. Den Signalumformer entnahm ich einem durch einen Blitzeinschlag lahmgelegten polnischen Wandtelefon der Marke "Cyfral". Die Bastelei wird mit zwei etwas leer gezogenen AAA-Batterien (eine Gesamtspannung von etwa 2.5 V) betrieben. Die Spule zauberte ich aus einer gewöhnlichen isolierten 0.5-Milimeter-Telefonleitung, die ich um den Schaft eines 5 mm dicken Präzisionsschraubenziehers wickelte. Meine Konstruktion entdeckt problemlos Berührung an über 10 Meter entfernten Türklinken (bei solchen Entfernungen ist ein sehr dünner Kupferlackdraht einzusetzen - dünne Leitungen haben zwar einen merklich größeren Widerstand, aber auch eine geringere Eigenkapazität, was sich auf das Funktionieren der Anlage sehr positiv auswirkt). Außerdem testete ich das Ding an einem 5 Meter entfernen Fahrrad (der Alarm konnte dabei auch berührungslos ausgelöst werden), entdeckte auf dem Teppich herumlaufende Leute (über eine unter dem Teppich platzierte Alufolie) und baute einen einfachen Metalldetektor. Die Schaltung eignet sich also nicht nur für "seriöse" Überwachungsanlagen, sondern auch als gutes Spielzeug oder als Anregung zu weiteren Experimenten.
Meine Alarmanlage hängt nun an der Tür meines Arbeitszimmers. Etwa 2.5 Meter Kabel verbinden sie mit der Klinke. Da diese Länge etwas zu groß ist, habe ich den überschüssigen Draht mittels eines Essstäbchens in kunstvolle "Locken" gewickelt und mit Tesafilm befestigt, was mir auch bei der Kalibrierung des Gerätes half (induktive Ergänzung). Nun ist die Verbindung nur etwa 50 cm lang. Das Gerät habe ich in eine kleine Geschenktüte gesteckt, die an einem kleinen Türhaken hängt. Jetzt werde ich akustisch informiert, wenn jemand die Klinke berührt (oder berühren will, weil das Ding auch aus wenigen Zentimetern die Nähe des menschlichen Körpers entdeckt).
Mein Gerät an der Tür hat noch eine phänomenale Eigenschaft: Der piepsende Ton wird auch auf UKW gesendet. Ich kann ihn im ganzen (ziemlich großen) Haus mit allen Radios empfangen (etwa auf 106 - 108 MHz, was von der Einstellung des Potis abhängt). Dies ist bei Personen, die in Mehrfamilienhäusern wohnen, zu berücksichtigen, weil der UKW-Empfang bei Nachbarn eventuell gestört werden kann.
Weitere Tipps:
1. Die besten Resultate erzielt man, wenn man die beiden Kapazitäten (33 pF und 100 pF), zwischen denen der Sensor hängt, durch praktischere Trimmer- oder Drehkondensatoren ersetzt (solche Lösungen findet man oft in der Fachliteratur).
2. Der richtige Arbeitspunkt kann nicht nur mit dem Poti gefunden werden, weil man da auch mit der Länge/Dicke des Anschlussdrahtes experimentieren kann. Die meisten Tests machte ich mit einer 0.5-Millimeter-Leitung (4 bis 5 Meter lang). Sollte die Anlage umgekehrt funktionieren (das heißt wenn bei der Berührung der Klinke der Alarm verstummt), dann ist die Länge des Anschlusskabels zu erhöhen.
4. Der Nennwert des Potis ist nicht kritisch (von 220 Ohm bis zu einigen kOhm) und hängt von der Länge/Dicke des Anschlussdrahtes ab, an dem unser zu überwachendes Metallobjekt hängt. Sollte man kein Poti zur Verfügung haben, dann kann auch ein gewöhnlicher Widerstand gebraucht werden (1 bis 1.2 kOhm).
5. An dem Punkt, von dem unsere Sensorleitung kommt, kann auch ein kleines zusätzliches "kapazitives Gegengewicht" angebracht werden (zum Beispiel ein Stück Blech), dank dem das "Zähmen" der Anlage viel einfacher wird. Dies kann man auch durch ein robusteres größeres Poti mit einem ordentlichen massiveren Metallgehäuse erreichen.
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