Ultraschall-Leuchtfeuer für akustische Fuchsjagd
von Marc Rößler
Nachdem ich für einen biologiebegeisterten Freund Ihren
Fledermausdetektor nachgebaut hatte, kam mir kürzlich eine Idee: Da
fehlt ja eigentlich nur noch ein Ultraschall-Fuchsjagdsender! So wären
Fuchsjagden zum Einstieg auch ohne Amateurfunklizenz möglich. Bei
nächtlicher bzw abendlicher Suche kann man nebenbei auch noch
Fledermäuse beobachten. Der Sender sollte sich daher möglichst erst bei
Dunkelheit aktivieren, so dass man ihn schon längere Zeit vorher
tagsüber verstecken kann, ohne sich Gedanken um die Batterien zu machen.
Ich hatte noch einige 40-kHz-Ultraschallkapseln in der Bastelkiste, die es aktuell für nur 34 Cent bei Pollin gibt: https://www.pollin.de/p/ultraschall-receiver-efr-rcb40k54-40-khz-390048.
Sie sind zwar als Empfänger bestimmt, funktionieren aber auch als
Sender problemlos. Sie haben sich als Empfänger bereits bei meinem
Nachbau des Fledermausdetektors bewährt.
Zur Abwechslung sollte es dieses mal ein Projekt ohne Mikrocontroller
werden. Daher habe ich diesmal einen CD4093 (ein 4-fach NAND-Gatter mit
Schmitt-Trigger-Eingängen) verwendet. Eins der Gatter bildet einen 40
kHz-Oszillator. Der wiederum wird durch einen zweiten Oszillator mit
ca. 4 Hz getaktet. Zum einen ist so das Signal auch bei Anwesenheit von
eventuellen Störsignalen leicht zu finden. Zum anderen verringert es
die Zeit, in der der 40kHz-Oszillator aktiv ist, das spart hoffentlich
etwas Energie. Eins der zwei verbleibenden Gatter dient als Treiber für
den Ultraschallwandler. Das andere arbeitet als Logik-Inverter, so dass
der Sender bei abgeschaltetem 4-Hz-Oszillator stumm bleibt, und nicht
ungetaktet vor sich hin pfeift.
Zur Energieersparnis sind die Oszillatoren möglichst hochohmig
aufgebaut. Zudem läuft das (relativ) energiehungrige 40-kHz-Signal über
möglichst wenige Gatter, d.h. der 40-kHz-Oszillator selbst wird
getaktet, und nicht erst das erzeugte 40 kHz-Signal am Ausgang mit 4 Hz
unterbrochen. Für den 40-kHz-Oszillator habe ich einen
Styroflex-Folienkondensator verwendet, da ein MKT-Kondensator bei
diesen Frequenzen und Amplituden bereits einige Verluste hat. Mit dem
100k-Trimmer stellt man den Oszillator auf genau 40 kHz ein, denn bei
dieser Frequenz besitzt die Ultraschallkapsel die beste Effizienz. Der
Ultraschallwandler liegt für maximalen Schallpegel nicht gegen Masse,
sondern „längs“ über einem Gatter. So wird er nicht nur mit der
Betriebsspannung getaktet, sondern zusätzlich umgepolt, was eine
Verdoppelung der anliegenden Spitze-Spitze-Spannung ergibt. Wenn man
mit halbem Pegel leben kann, kann man ihn auch gegen Masse schalten,
was nochmal etwas Strom spart.
Etwas knifflig war die Helligkeitssteuerung. Da es sich um
Schmitt-Trigger-Gatter handelt, könnte man den Spannungsteiler am
lichtempfindlichen Widerstand (LDR) einfach an den Steuereingang des
4-Hz-Oszillators hängen. Allerdings ändert sich hier der
Spannungswert am Eingang, entsprechend der Umgebungshelligkeit, nur
sehr langsam. Das würde einen gewissen Querstrom im Gatter verursachen,
und das läuft einem stromsparenden Design zuwider. Eine Lösung ist,
einen stromsparenden Komparator vorzuschalten, so dass der "illegale
Bereich“ des CMOS-Eingangs möglichst schnell durchlaufen wird. Ein
Freund schlug einen CMOS-Timer ICM7555 vor, denn der besitzt einen
Komparator-Eingang, einen CMOS-Ausgang, und begnügt sich mit einem
Ruhestrom von nur 40 uA. Zudem ist es ein Standard-Bauteil, das sich in
vielen Bastelkisten findet. Der Wert des 100k-Widerstand am LDR hängt
vom LDR-Typ ab. Man ermittelt den Wert am besten experimentell, indem
man zunächst einen Trimmer einbaut. Die Schaltschwelle sollte dabei so
liegen, dass das Licht der Straßenbeleuchtung das Gerät noch nicht
deaktiviert.
Ein weiterer Schlüssel für niedrige Stromaufnahme von CMOS-Schaltungen
ist eine niedrige Betriebsspannung. Als Abwägung zwischen erzeugtem
Schallpegel und Stromverbrauch habe ich 4,5V gewählt, die kann man z.B.
mit drei LR41-Knopfzellen erzeugen. Die Schaltung verbraucht so in Ruhe
(d.h. bei Tageslicht) ca. 80 uA, bei Dunkelheit wird sie aktiv. Dann
steigt der Stromverbrauch auf im Mittel rund 1 mA. Mit den
35mAh-LR41-Knopfzellen sollte es rechnerisch für 18 Tage Ruhe oder 35
Stunden Sendebetrieb ausreichen. Damit das Ganze möglichst einfach zu
handhaben ist, habe ich das Gerät so aufgebaut, dass es in ein
Filmdöschen passt. Beim Öffnen des Döschens wird die Schaltung durch
einen Mikrokontaktschalter am Boden aktiviert, bei Einbruch der
Dunkelheit beginnt sie dann zu senden. Die Schaltung bleibt als
Wetterschutz am besten in der Dose, d.h. man öffnet die Dose vorne und
legt sie irgendwo ab. Bisher habe ich das Gerät nur im Innenraum
getestet, es kann bei geöffneten Türen noch mehrere Räume weiter
deutlich empfangen werden. Ich hoffe, dass sich bei Nutzung im Freien
die Fledermäuse nicht allzu sehr stören lassen…
Könnte man das Gerät noch energiesparender (bei gleichbleibender
Ultraschall-Leistung) machen? Oder einfacher aufbauen? Als Oszillator
und Trigger einen ICM7556 nutzen wäre möglich, der enthält zwei
555er-Timer, das würde ein IC einsparen - dann aber ohne 4-Hz-Taktung
des Signals. Oder vielleicht mit einem Padauk? Dann wären auch
komplexere Taktungen und Morse-Signaturen möglich, so dass man bei
einer Fuchsjagd auch mehrere Sender verstecken könnte. Das wäre
jedenfalls flexibler. Aber auch energiesparender? Der Strom durch den
LDR könnte durch Vorschalten zusätzlicher bzw. höherer Widerstandswerte
auf beiden Seiten des Spannungsteilers reduziert werden. Das macht aber
den sich ändernden Anteil des Widerstands geringer, die
Helligkeits-vs.-Spannungs-Kurve wird damit flacher, d.h. die
Empfindlichkeit auf Lichtänderungen wird geringer. Man müsste auf jeden
Fall ausprobieren, bis zu welchem Grad sich das mit der Hysterese des
7555 verträgt, nicht dass der Hub am Schluss nicht mehr ausreicht, um
beide Zustände sicher zu erreichen… In der Praxis wäre noch zu testen,
wie groß die Reichweite im Freien ist. Möglicherweise könnte man dann
auf 3V Betriebsspannung heruntergehen, und/oder den Wandler nicht über
den Inverter sondern gegen Masse schalten, und so nochmal die
Stromaufnahme reduzieren. Und als SMD-Aufbau könnte man es vielleicht
sogar in einer Streichholzschachtel unterbringen, inklusive Batterien
und Ultraschallkapsel.
Nachtrag: Verbesserungen von Marc Rößler
Jürgen Heisig hat eine Schwäche der vorgestellten Schaltung entdeckt:
der Treiber-Inverter bildet mit der Ultraschallkapsel einen eigenen
Oszillator! Herr Heisig hat die Schaltung in LTSpice simuliert, wobei
er die Ultraschallkapsel als 1,5 nF-Kondensator modelliert hat. Dabei
zeigten sich parasitäre Schwingungen. Er wies auch darauf hin, dass der
durch die Kapsel fließende Strom gegenüber den Erwartungen
zurückbleibt, also sich bei Schaltung quer über den Treiber kein
doppelt so hoher Ausgangspegel ergibt gegenüber Schaltung gegen Masse.
Das habe ich natürlich gleich einmal nachgemessen. Das Oszi-Bild zeigt
die Spannung am Eingang der Treiberstufe. Nanu, hat sich da etwa ein
PAL-Farbburst verirrt? Es tritt tatsächlich, wie die Simulation
vorhersagt, eine parasitäre Schwingung im unteren MHz-Bereich auf. Das
kann man so natürlich nicht einsetzen, wir wollen die Funkbänder ja
möglichst störungsfrei halten!
Eine Schaltung, die das Funkband stört,
findet der Entwicker unerhört!
(Dietrich Drahtlos)
Wie ich beim weiteren Experimentieren festgestellt habe, tendiert die
Schaltung außerdem dazu, die 40 kHz zu überspringen, d.h. sie springt
dann auf eine weit höhere oder tiefere Frequenz. Ich hatte das auf ein
defektes Trimmpoti geschoben, aber es ist tatsächlich eine Eigenschaft
der Schaltung. Die Schaltung nimmt in dieser Konfiguration (nur
Oszillator und Treiberstufe) 2 mA auf, was im fertigen Gerät bei
50%-Taktung die beobachtete durchschnittliche Stromaufnahme von 1mA
ergibt.
Schaltet man die Ultraschallkapsel gegen Masse, geht der Schallpegel
dabei nicht auffällig zurück, und die parasitäre Schwingung
verschwindet. Bei CMOS keine Überraschung: offenbar ist die
unerwünschte Schwingung wegen der hohen Frequenz sehr energiehungrig,
denn die modifizierte Oszillatorschaltung nimmt nur noch 300 uA auf, im
Vergleich zu den 2 mA der ursprünglichen Schaltung!
Erstaunlicherweise ergab eine Recherche, dass zahlreiche Bauvorschläge
sowohl im Netz als auch in renommierten Fachzeitschriften die
Ultraschallkapsel oder den Piezo-Tweeter ebenfalls quer über einen
Schmitt-Trigger-Inverter schalten. Hersteller Murata empfiehlt für
seine Kapseln dagegen in einer Application-Note, eine Reihe von
Invertern so zu verschalten, dass keine Rückwirkung des Ausgangs auf
den Eingang möglich ist:
https://www.murata.com/-/media/webrenewal/products/sensor/ultrasonic/open/applinote_maopn.ashx?la=en&cvid=20200529021910000000
Das benötigt allerdings alleine für die Treiberstufe mindestens drei
Inverter, und ist damit für eine möglichst kompakte Schaltung eher
uninteressant.
Murata weist im Datenblatt außerdem darauf hin, dass die Kapseln nicht
mit DC oder DC-Offset betrieben werden sollen, sondern nur mit
Wechselspannung, ansonsten kann der Transducer Schaden nehmen
(Migration). Das gilt vermutlich ähnlich auch für die
Ultraschall-Kapseln anderer Hersteller. Auch das spricht gegen eine
Schaltung quer über den Inverter, denn in diesem Fall liegt in Ruhe
(d.h. bei Helligkeit) immer eine Gleichspannung an der
Ultraschallkapsel an. Schaltet man die Kapsel dagegen in der original
vorgestellten Schaltung gegen Masse, dann liegt in Ruhe an der Kapsel
keine Spannung an. All das spricht dafür, die Originalschaltung zu
modifizieren, und die Kapsel gegen Masse zu schalten (auch wenn die
Kapsel damit immer noch mit einem mittleren DC-Offset der halben
Betriebsspannung betrieben wird).
Sehr einfach wird das Ganze bei Verwendung eines Mikrocontrollers: dann
schaltet man die Kapsel an zwei I/O-Pins, die man invertiert zueinander
ansteuert. Durch das wechselnde Ansteuern der Pins ist so im Betrieb
Gleichspannungsfreiheit gegeben. Für mehr Strom kann man auch mehrere
Pins zusammenschalten. Dabei darf natürlich die Strombelastbarkeit des
Controllers nicht überschritten werden. In Ruhe sollten dann beide
Ausgänge auf Masse liegen, so dass die Kapsel auch dann
gleichspannungsfrei ist.
Ein weiterer Hinweis ging ein zur LDR-Schaltung, nämlich dass ein
Schmitt-Trigger-Eingang keinen verbotenen Bereich der Eingänge besitzt,
und der LDR daher direkt an den Gattereingang gehängt werden kann. Das
stimmt natürlich im Prinzip, daher oben die Bezeichnung „illegaler
Bereich“ in Anführungszeichen. Nennenswerter Querstrom an den
komplementären Ausgangstransistoren tritt bei Schmitt-Trigger-Gattern
nicht auf. Allerdings, relativ wenig bekannt: auch
Schmitt-Trigger-Gatter haben, bedingt durch die Mitkopplung, im
Übergangsbereich eine erhöhte Stromaufnahme, die nach außen wie ein
geringer Querstrom aussieht. Im Datenblatt des HEF4093 ist dieser gut
zu sehen:
https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/HEF4093B.pdf. In den
Datenblättern anderer Hersteller sind diese Daten leider nicht
vorhanden bzw. kaum leserlich. Mit steigender Versorgungsspannung
wachsen diese Ströme stark an, bis in den mA-Bereich. Das wollte ich
natürlich vermeiden.
Durch Vorschalten eines Komparators (hier: ICM7555) bekommt man diesen
Übergangsbereich in den Griff. Ich habe beide Teilschaltungen (LDR
direkt am 4093, LDR via ICM7555 an den 4093) noch einmal aufgebaut und
ausgemessen.
Der Eingangsteil nur mit CD4093 (links im Bild) nimmt bei Helligkeit 60
uA auf, bei Dunkelheit 20 uA. Im Übergangsbereich (Dämmerung) nimmt er
bis zu 160 uA auf.
Der Eingangsteil mit 7555 und CD4093 nimmt bei Helligkeit rund 70 uA
auf, bei Dunkelkeit ca. 30 uA. Hier gibt es im Übergangsbereich dafür,
wie beabsichtigt, keine erhöhte Stromaufnahme.
Die Ruhestromaufnahme des 7555 macht also die Ersparnis eher zunichte.
Leider hatte ich keinen anderen, stromsparenderen Komparator zur Hand.
Da in der Praxis die Stromaufnahme des Oszillators der
Laufzeit-begrenzende Faktor ist, kann die Schaltung hier vereinfacht
werden, und der LDR direkt ans Gatter angeschlossen werden. Soll das
letzte Quäntchen an Ruhestrom ausgereizt werden, lohnen eventuell
Experimente mit anderen, stromsparenden Komparatoren. Doch Vorsicht:
durch Wegfall der Hysterese fängt man sich dabei eventuell andere
Probleme ein.
Zu Beginn des Ultraschall-Fuchs-Projekts hatte ich eine Idee: könnte
man das Gerät so bauen, dass es sich automatisch auf 40 kHz
einschwingt? Der Ultraschallwandler hat ja, da er bei 40 kHz am
effizientesten ist, sehr wahrscheinlich eine Resonanzfrequenz, d.h. er
sollte sich auch elektrisch bei rund 40 kHz deutlich anders verhalten.
Da läge nahe, dieses Resonanzbauteil (ähnlich eines Quarzes) direkt als
frequenzbestimmendes Bauteil zu nutzen. Das Gerät würde sich dann
automatisch auf die optimale Betriebsfrequenz (d.h.: optimaler
Wirkungsgrad!) einschwingen. Die Frage ist nur: geht das? Wie? Ist es
energie-effizient? Schwingt das Ganze schnell genug an, um es takten zu
können? Besteht die Gefahr des „Einrastens“ auf Oberwellen? Ich hatte
es zunächst als Fernziel aufgeschoben, doch angeregt durch das Problem
mit den parasitären Schwingungen habe ich mal etwas experimentiert,
und: es funktioniert sehr gut, viel besser als gedacht!
Der Erfinder jubiliert,
wenn die Schaltung funktioniert.
(Dietrich Drahtlos)
Am besten arbeitet die Schaltung mit einer Bürde (Kondensatoren Ca und
Cb) von 6,8 nF, damit rastet der Oszillator sauber auf 40,00 (!) kHz
ein. Die Frequenz ist weitestgehend unabhängig von der
Betriebsspannung, getestet im Bereich 4V bis 15V. Weicht man von den
6,8 nF ab, kann man die Frequenz (wie bei einem Quarz) ganz minimal
„ziehen“. Außerhalb des Bereichs Ca = Cb = 5,6 nF bis 10 nF fängt sich
die Schaltung allerdings nicht mehr und oszilliert dann wild auf allen
möglichen Frequenzen. Die Stromaufnahme ist eingerastet mit rund 1,3 mA
(bei 4,5V) höher als der Original-Oszillator mit Kapsel gegen Masse,
aber deutlich niedriger als mit der fehlerhaften Originalschaltung und
ihren parasitären Schwingungen. Die Schaltung schwingt auch bei
getaktetem Betrieb zuverlässig an, locker schnell genug für eine 4
Hz-Taktung. Das folgende Foto zeigt die Spannungsverläufe an Ein- und
Ausgang des Gatters, sowie die Differenz der beiden. Es sind keine
parasitären Schwingungen erkennbar (die Unschärfe des Oszi-Strahls sind
Überstrahlungen bei der Aufnahme).
Anfängliche Bedenken, dass sich die Schaltung durch externe Einflüsse
(z.B. Rückreflektion des ausgesendeten Signals an Hindernissen)
instabil verhält, haben sich als unbegründet erwiesen. Hält man z.B.
einen Blechdeckel vor die sendende Kapsel, dann lässt sich die Frequenz
um die Mittenfrequenz von 40,00 kHz herum etwas beeinflussen. Je nach
Abstand des Deckels landet man dann bei 39,98 bis 40,25 kHz
Oszillatorfrequenz. Dabei kann man einen sehr interessanten Effekt
beobachten: mit steigener Entfernung des Reflektors von der Kapsel
fällt die Frequenz ab, um nach einigen Millimetern wieder auf die
höhere Frequenz zurückzuspringen. Das Muster wiederholt sich ca. alle 5
mm. Mit steigendem Abstand von der Kapsel verringert sich der
erzielbare Frequenzhub, um 40 kHz pendelnd. Ab ca. 50 cm Abstand ist
kein Zieheffekt mehr festzustellen und der Oszillator schwingt
ungestört bei 40 kHz.
Wie entsteht dieses periodische Verhalten alle ca. 5 mm? Die
Schallgeschwindigkeit beträgt 340 m/s, und 5 mm Wegstrecke entsprechen
damit einer Schall-Laufzeit von ca. 15 us. Das 40-kHz-Signal hat eine
Periodendauer von 25 us. Der Schall muss, da er ja reflektiert wird,
den Weg zwischen Kapsel und Reflektor zweimal zurücklegen, also kommen
pro 5 mm Abstandsvergrößerung ca. 30 us an Laufzeit hinzu. Das passt
ziemlich gut zur Periodendauer des 40-kHz-Signals von 25 us. Die 5 mm
waren nur grob an einem parallel gehaltenen Lineal abgelesen,
rechnerisch ergeben sich 4,3 mm. Durch das Verschieben des Reflektors
wird die Phase des reflektierten Signals variiert, nach jeweils 4,3 mm
ist man wieder bei einer Phasenverschiebung von 0 Grad. Da die
Ultraschallkapsel sowohl als Sender als auch als Empfänger
funktioniert, wirkt das empfangene, reflektierte Signal elektrisch auf
den Oszillator zurück. Der bekommt so vermutlich einen Schubs in die
Richtige Richtung, entweder mitkoppelnd (also begünstigend) oder
gegenkoppelnd (also hemmend), je nach Phasenlage des empfangenen
Signals. Interessant ist das Kippverhalten: ab einem gewissen Punkt
schnappt die Oszillatorfrequenz schlagartig wieder auf die höhere
Frequenz zurück, um dann über die nächsten 4,3 mm wieder zu fallen.
Elektronik-Labor Bastelecke Projekte Notizen
