IMPACT Schlagsensor-Elektronik (für Unihockey-Ball)
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Einleitung und Funktionsübersicht
Wie alles begann...
Ein 13jähriger Junge spielt Unihockey in einem Club, einem Verein oder
vielleicht auch nur in einer kleinen Gruppe als Hobby. Genaueres weiss
ich längst nicht mehr. Es liegen auch wieder einige Jahre zwischen
damals und heute. Naja, wie doch die Zeit so dahinrast...
Was mir jedoch in Erinnerung blieb, war eine Idee von ihm, die darin
besteht: Jedes Mal wenn der harte Ball eine der beiden seitlichen
Stangen des Goal trifft, ein lautes Geräusch auslöst.
Dass in dieser Zwischenzeit der älter gewordene Jüngling andere Hobbies
entdeckte und das Unihockey-Ballspiel vielleicht sogar an den Nagel
hängte zu Gunsten für anderes, das deutlich interessanter geworden ist,
ist verständlich und auch leicht nachvollziehbar. Allerdings bedeutet
das nicht, dass dies für andere Jungs im selben oder ähnlichen Alter
ebenso zutrifft. Für diejenigen kann die elektronische Schaltung mit dem
Titel
"IMPACT SCHLAGSENSOR-ELEKTRONIK"
das Interesse wecken.
Voraussetzung: Für den Nachbau, in Bezug auf das Wissen, setzt
es deutlich mehr als nur minimale Grundkenntnisse in der elektronischen
Schaltungstechnik voraus. Fehlt dies, kann ein Kollege mit mehr Wissen
unterstützend am Projekt mitwirken. Und sonst eignet sich die Schaltung
auch als praktisches Übungsstück ohne den bedingten Zweck für den
Einsatz im Unihockey-Ball. In diesem Fall eignet sich einen lötfreien
Aufbau mit einem
Testboard.
Dieser Titel mit (für Unihockey-Ball) in Klammern, zeigt, dass mit
IMPACT (deutsch: Einschlag), auch ganz anderes in Zusammenhang stehen
kann. Eine andere Form eines mechanischen Schlages oder den Sturz von
harten Objekten ist vorstellbar. Die Fantasie ist frei. Die Schaltung
kann zur Hauptsache unverändert bleiben, ausser den Teil des Ausganges,
falls eine höhere elektrische Leistung (z.B. Lautstärke) notwendig ist.
Mehr dazu dazu siehe Bild 2 weiter unten. Wir kommen hier zur Schaltung
in Bild 1.
Da Bild 1 die gesamte Schaltung zeigt, und deshalb ständig benötigt
wird während der Arbeit (Löten, Testen, Messen), empfiehlt es sich
Bild 1
in ein zweites Fenster zu kopieren und von diesem, bei Bedarf,
auf Papier auszudrucken.
Zunächst, was ist Unihockey? Hier ein kurzer Ausschnitt aus dem
Wikipedia (DE):
Unihockey, seit dem 26. September 2009 in
Deutschland Floorball, ist eine Mannschaftssportart aus der Familie der
Stockballspiele. Es stammt über Bandy vom Hockey ab, aus dem ebenso das
Rollhockey und das Eishockey hervorgegangen sind.
Die Motivation zu dieser Schaltung war der Wunsch den Aufschlag eines
harten
Unihockey-Ball
am Rand des Tors leicht zu erkennen. Die
ursprüngliche Idee war ein spontanes Leuchten einer LED. Diese
Lichtmethode eignet sich nur mit einer oder mehrerer sehr hell
leuchtenden LED und dies erst noch in einer nicht zu hellen Umgebung.
Als die bessere Alternative eignet sich die akustische Methode, z.B.
mittels Summer (Buzzer) Typ
SMB-12 STAR 96'G (Vertrieb u.a. EBAY).
Dazu kommt, dass der Betrieb von der Schaltung in Bild 1 primär für den
Betrieb in einer Halle mit einem geeigneten
Hallenboden
gedacht ist.
Die elektrische Leistung dieses Summers beträgt bei 12 VDC maximal etwa
100 mW (Strom = 8 mA) bei einem konstanten relativ lauten Ton, je nach
Montage (Resonanz!). In der Tat, die deutlich bessere Lösung ist die
Akustik mit einem kleinen hochsensiblen Summer, gesteuert mit einem Takt
von etwa 5 Hz und einem Tastgrad von 0.5. Die akustische Taktmethode
verbessert die Aufmerksamkeit der Spieler und Zuschauer. Die Dauer des
getakteten Summers und der kleinen Kontroll-LED ist mit einem
DIP-Schalter,
auch Mäuseklavier genannt, in 5 Stufen einstellbar, für die Taktdauer
von 4 sek, 8 sek, 15 sek, 30 sek oder 60 sek. Diese Werte sind, erzeugt
via RC-Schaltung mit R15...R19 und C10 ein Tantal-Elko. Der Zweck der
Anwendung wird zu 100 Prozent erfüllt. Montiert auf einem kleinen Stück
Metallblech kann man die Lautstärke des Summers zusätzlich verbessern.
Es ist ein Resonanzeffekt zum Ausprobieren. Zusätzlich spielt der
Innenraum seine Rolle durch die Schallreflexion an den Wänden und an der
Decke. Allerdings bei grossen Räumen habe ich gewisse Bedenken. Ich
erwähne an dieser Stelle, ausprobiert ist dies nicht!
Ein elektro-dynamaischer Lautsprecher als Mikrofon im Einsatz.
In der Regel verwendet man für den Empfang von Akustik ein Mikrofon. Da
Electred-Mikrofone eher mechanisch empfindliche Teile sind, kommt ein
elektrodynamischer und währschafter Lautsprecher für die harten Schläge
() des Balls an die Stange geeigneter zum Einsatz. Was ein
elektrodynamisches Mikrofon ist, erklärt
Wikipedia. Man lese das Kapitel
Bauformen mit den weiteren Links.
Zurück zur Schaltung in Bild 1. Ganz links das Lautsprecher-Symbol. Der
normalerweise Schallausgang dient hier als Schalleingang. Es ist klar,
dass die impulsartige Ausgangsspannung des Lautsprechers, in der
Funktion als Mikrofon, sehr niedrig ist, so etwa im Bereich von wenigen
mV bis maximal beinahe 100 mV. Je nach Härte des Aufschlages eines
harten Balls am Träger des Gerätes. Dies ist eine Schätzung. Ich
experimentierte dies mit dem harten Griff eines kleinen Schraubenziehers
für den Aufschlag.
Für meine Experimente habe ich eine kleine 2mm dicke harte PVC-Platte
zugeschnitten im Mass von etwa 10x10 cm. Diese Platte habe ich einseitig
mit doppelseitigem stark klebbarem Klebband fixiert und eben so die
Mikrofonseite auf der Seite mit dem Schalleingang. Die angeschlossene
Schaltung ist so empfindlich, dass ein leichtes Klopfen auf der
PVC-Platte, das Schallereignis auslöst. Die Empfindlichkeit -
Verstärkung des Opamp IC-A ist einstellbar mit dem Trimmpot TP. Für eine
dauerhafte Lösung eignet sich der 2-komponenten-Kleber ARALDIT-Rapid-2
besser als ein noch so gutes doppelseitiges Klebeband.
Zwecks weiterer Konstruktion mit dem Mikro betrachte man die Bilderfolge
von A bis in diesem
Bild 2.
Das Mikrofon (bzw. Lautsprecher) ist ein Produkt von KINGSTAT, vertrieben
seit sehr vielen Jahren schon durch DISTRELEC mit diesem
Link.
Die Elektronik im Detail
Wir beginnen mit dem Signaleingang. Dieser besteht aus der Signalquelle,
dem elektrodynamischen Lautsprecher, der in der umgekehrten
Richtung als Mikrofon dient. Die sehr kleine impulsartige
Mikrofon-Spannung verstärkt der folgende LinCMOS-Opamp TLC271 IC:A von
Texas-Instruments.
Impulsartig ist diese Spannung, weil ausgelöst wird sie vom Auftreffen
des harten Unihockey-Ball auf eine Stange des Tors.
Die LinCMOS-Opamps gibt es in der Single-, Dual- und Quadversion. Bei
der Dual- und Quad-Version gibt es Typen für den Low-, Medium- und
High-Bias-Mode (IC-intern fixiert). Bei der Single-Version TLC271 gibt es
nur gerade einen Typ. Er hat jedoch einen Steuereingang (Pin 8) um den
Opamp in den Low-, Medium- oder High-Bias-Mode zu schalten. Der
Low-Bias-Mode benötigt am wenigsten Betriebsstrom (Betriebsleistung),
dafür arbeitet dieser am langsamsten, d.h. dieser Mode hat die geringste
Unity-Gain-Bandbreite und den niedrigsten Slewrate. Er eignet sich
besonders für Batterieanwendungen. Genau umgekehrt verhält sich der
High-Bias-Mode. Er ist schnell und benötigt dafür am meisten Power. Der
Medium-Bias-Mode liegt in der Mitte, - ein oft guter Kompromiss. Deshalb
ist dieser TLC271 hier im Einsatz.
Will man es genauer wissen, eignen sich die beiden Kapitel
"bias-select feature" und "bias selection"
auf Seite 2 und 3 im
TLC-271-Datenblatt.
Zusätzlich gibt es diesen Elektronik-Minikurs
Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter
mit weiteren HCMOS-Anwendungen.
IC:A TLC271: Mit dem Trimmpot TP wird die Verstärkung
eingestellt. Die einstellbare Verstärkung ist möglich zwischen maximal
220 und minimal 9.5. Mit R4 und R5 ist der Biasselect auf die halbe
Betriebsspannung fixiert. Das Experiment zeigt, dass diese
Spannungsteilung optimal ist. Andere Werte mit R4 und R5 sind ebenfalls
möglich zur fixen Einstellung des Bias-Mode.
Summer ausschalten, manuell oder automatisch:
Nach dem Opamp (IC:A) folgt das RS-Flipflop, realisiert mit einem
CD4011B,
mit seinen vier CMOS-Nand-Gatter. Das RS-Flipflop besteht aus den beiden
NAND-Gattern IC:B1 und IC:B2. Pin 1 von IC:B1 bekommt Nadelimpulse
von logisch High nach GND. Dies geschieht durch den Ballschlag auf die
Stange zur Anregung des Sensor, das Mikro KSS-3108. Dies setzt Pin 2 von
IC:B1 via Rückkopplung auf logisch High. Der Rückkopplungswiderstand R10
und der Kondensator C6 sorgen dafür, dass an Pin 3 ein High-Pegel
fixiert wird.
Dieser High-Pegel ladet langsam den Tantal-Elko C10 auf, in Funktion der
eingeschalteten Widerständen R15 bis R19. C10 ladet sich auf bis zur
Spannung von knapp mehr als +Ub/2, weil die Referenzspannung mit dem
Spannungsteiler R21/R22 erzeugt exakt die Spannung +Ub/2. Pin 6 von IC:C
liegt ebenfalls auf High und via R23 leitet der NPN-Transistor T2 einen
Kollektorstrom, den dieser von R9 bekommt. Damit geschieht das selbe wie
die Reset-Taste erfüllt, wenn man sie drückt. IC:B1 Pin 3 geht auf Low
und dies entladet C10 schnell via R20 und Diode D3. Dieser Vorgang
schaltet den Summer aus. Diese Ausschaltung passiert also auf zwei
Arten. Elektronisch durch die Rückkopplung von IC:C (TLC271), Transistor
T2, zur gleichen Stelle, wo die Taste RESET daselbe bewirkt. Damit ist
der ganze Schaltvorgang erklärt, wenn leider etwas kompliziert.
Eine etwas spezielle aber praxis orientierte Lernmethode: Als
Nichtschriftsteller für mich eine "Zangengeburt", wenn es darum geht
Rückkopplungs-Vorgänge verständlich zu erklären. Am Besten ist es, wenn
der interessierte Leser die Schaltung aufbaut, experimentiert und
gleichzeitig den Text dazu liest. Es ist vorstellbar, das diese
Schaltung auch für ganz andere Aufgaben eingesetzt werden kann. Auf
diese Weise mit intervallartigem Lesen und Experimentieren, bleiben die
Aha-Effekte nicht aus.
Die Schaltung einfach "nur" als Lernobjekt:
Auch nur dazu, ein Aufbau mit einem
Testboard um
zu lernen wie die einzelnen Teil-Schaltungen funktionieren und danach
die ganze Schaltung. Das wäre z.B. eine praxisorientierte Übung, für
jemandem in der Ausbildung zum Elektroniker. Und nicht nur dies, das
gilt ebenso für Studierende an einer Hochschule, wo zwar viel
unterrichtet wird in Theorie und Mathematik, dies alleine dafür nicht
reicht, eine gewisse Beziehung zur elektronischen Schaltungstechnik zu
erreichen. Ein Professor sagte mir, wenn Studierende den Opamp nur von
der Mathematik und Theorie kennen lernt, hat er oder sie den Opamp nicht
wirklich verstanden. Die Aha-Effekte gibt es erst mit dem erfolgreichen
Experimentieren. Mehr zum richtigen Lernen liest man ein
Vorwort
von Jochen Zilg.
Unterstützungen, eher für Fortgeschrittene, gibt es in meinen
Elektronik-Minikursen.
Da gibt es viele Themen bei denen der Opamp eine wichtige Stellung
einnimmt. Auch die modernen CMOS-Versionen, wie z.B. der TLC271, sowie
die Dual- und Quad-Version TLC272 und TLC274. All dies ist
hier vorhanden.
Hier die selbe Schaltung von Bild 1, leicht angepasst, und einzelne
Teile erklärt, in Bild 2:
Die gesamte Schaltung von Bild 1 ist in
Bild 2,
aufgeteilt in fünf Teilen, A, B, C, D und E. Jedes Teil ist eine
geschlossene Einheit und das bedeutet, man kann diese auch einzeln für
andere Aufgaben einsetzen. Auch je nach Anwendung anders dimensioniert.
Teilbild A: Der CMOS-Opamp TLC271 ist speziell. Zusätzlich zur
Einstellung der Verstärkung mit R6, R7 und TP gibt es noch den Bias-Mode
zum Einstellen, falls der Bedarf vorliegt. Dieser Zustand ist mit R4 und
R5 auf den halben Wert eingestellt. Dazu folgender Inhalt aus dem
Elektronik-Minikurs
Ein spannungsgesteuerter Oszilator (VCO) mit dem
CD4046B/MC14046B:
LinCMOS-Opamps gibt es in der Single-, Dual- und Quadversion. Bei
jeder Version gibt es Typen für den Low-, Medium- und High-Bias-Mode.
Der erstgenannte Typ benötigt am wenigsten Betriebsstrom und ist dafür
am langsamsten, d.h. dieser Opamp hat die geringste
Unity-Gain-Bandbreite und den niedrigsten Slewrate. Genau umgekehrt
verhält sich der zu letzt genannte Typ. Für Batterieanwendungen kann man
mit diesen LinCMOS-Opamps den Strom-/Leistungsverbrauch und die
Geschwindigkeit auf einander abstimmen. Es gibt noch einen wichtigen
Zusammenhang: Je niedriger der Biasstrom ist, um so höher ist die
Rauschspannungsdichte.
Ein weiterer Elektronik-Minikurs mit dem Thema LinCMOS-Opamps:
Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter
Ergänzend noch das
LinCMOS-Datenblatt:
Betreffs Erklärungen zur Bias-Selection, siehe Seite 3.
Teilbilder B,C,D: Die mit dem Opamp IC-A verstärkte
Sensor-AC-Spannung an Pin-1 des IC-B1 setzt mit seinen Spannungsflanken
nach GND das RS-Flipflop, bestehend aus IC-B1,B2. Pin-3 von IC-B1 liegt
auf High (z.B. +9V Batterie oder +12V mit Netzteil). Dies erzeugt ein
Strom in Richtung zum Opamp IC-C pin 3, via der eingeschalteten
Widerstände R15...R19. Während diesem Zustand liegt Pin-13 von IC-B3 am
Pegel von Pin-3 des IC-B1 auf High. Diese Spannung von beinahe +Ub ladet
den Tantal-Elko C10 via R15...R19 auf.
Überschreitet die Spannung am Tantal-Elko C10 den Wert von +Ub/2, kippt
der Ausgang Pin 6 des Opamp IC:C auf beinahe auf +Ub. Dies schaltet
verzögert mit R23 und C13 den Transistor T2 ein. Der T2-Kollektor liegt
auf GND und schliesst damit die Drucktaste RESET kurz. Dies schaltet die
Akustik aus.
Es gibt also zwei Möglichkeiten die laute Akustik des Summers
auszuschalten, entweder durch das R15-R19-C10-Netzwerk, entsprechend
zeitlich verzögert, oder direkt mit der Resettaste. IC-B3 und IC-B4
erzeugen mit C8, R12 und R11 die Ton-ein/Ton-aus-Frequenz von etwa 5 Hz.
Der Basis- und Kollektorstrom von T1 schaltet den Ton vom Summer mit
diesen 5 Hz ein und aus, bis zum automatisch verzögerten Abbruch oder
mittels der Reset-Taste. Die
Millerkapazität C13
zwischen Kollektor und Basis beim Transistor T2 vermeidet den Emfang von
mittel- und höherfrequenten oder steilflankigen Störspannungen aus der
Umgebung.
Aus Bild 1 und Bild 2 folgt Bild 3 mit einer Veränderung in Teilbild C.
Anstelle Anstelle des DIP-Schalters und den Widerständen R15 bis R19 ein
Potmeter zur beliebigen leichteren Einstellung des Alarmdauers.
Teilbild E: Dies wäre eine massive Erweiterung. Sie besteht aus
einer zusätzlich sehr hellen LED. Gesteuert wird diese LED via PWM (hier
bloss kurz angedeutet). Als elektronischer Leistungsschalter käme ein
Power-MOSFET MF in Frage. Dies ist nur gerade ein Vorschlag, getestet
habe ich diese Erweiterung (noch) nicht. Gibt's vielleicht gelegentlich
mit einem späteren Update. Hier noch ein Elektronik-Minikurs mit PWM zum
Thema:
Zum Schluss ein paar wichtige Hinweise zur Montage-Diskussion in Bild 4:
Teilbild 4.1 ist selbsterklärend.
Weshalb ergänze ich den Titel Montage mit Diskussion? Ganz
einfach, will man die Fixierung des Sensors möglichst stabil und
betriebssicher realisieren, ist dies nicht ganz einfach. Es bedeutet,
man muss zu diesem Thema diskutieren, wenn mehr als eine Person, sich
mit diesem Projekt befasst, um eine möglichst optimale Lösung zu finden.
Im schlechtesten Fall, wenn die Kallibrierung mit dem Trimmpot TP (Gain)
nicht ausreicht, muss man den Widerstand R6 (220k) erhöhen. Diese
Masmahme ist aber erst dann relevant, nachdem die Stangenmontage
erfolgreich beendet ist, gemäss Teilbild 4.4.
Teilbild 4.2 zeigt, wie bereits in meinem Experiment beschrieben, eine
Montierung des Sensors mit einer Hart-PVC-Platte mittels hochwertigem
stabilen doppelseitigen Klebeband funktioniert. Damit gibt es keine
Probleme. In der Realität hat man es für die ultimative Befestigung
jedoch mit Rohren zu tun. Sind diese im Querschnitt rechteckig und die
Nutzfläche ist nicht zu klein, kann man eine direkte Verbindung mit
einem 2-komponenten-Kleber versuchen. Absolute Reinigung zuvor versteht
sich von selbst.Es kommt halt sehr darauf an aus welchem Material und
welcher Form das Tor mit den seitlichen Stangen besteht.
Teilbild 4.3 ist eine reine Lachnummer. Es ist klar, das funktioniert
nicht! Ganz im Gegensatz zu Teilbild 4.4. Teuer muss diese
betriebsichere Methode dann nicht sein, wenn z.B. ein Kollege Mechaniker
ist und es in der Werkstatt eine Fräsmaschine mit passendem Durchmesser
des Fräser hat. Dies ermöglicht eine Anpassung des Aluprofil an das
Rohr. Nach Entfernung der Aluspäne und saubere Reinigung der
Kontaktflächen des Aluprofil und dem Rohr, befestigt man beides mit dem
2-komponenten-Kleber
(z.B. ARALDIT) oder einem ähnlichen Produkt.
Vielleicht geht es auch deutlich einfacher, falls es passende Rohrhalter
mit Verschraubungen gibt. Vielleicht kommt ein interessierter Leser noch
auf eine andere vielleicht auch bessere Idee in den Sinn. Dann bitte den
Erfolg mir melden für ein Update dieses Elektronik-Minikurses. Es gibt
im Internet eine grosse Menge von Bildern diesbezüglich. Zum Einstieg
hier ein Bild mit einem grossen Angebot:
Bilder mit vielen Rohrbefestigungen
(Der aufmerksame ELKO-Leser stellt fest, anstelle von Google ist
Duckduckgo im Einsatz. Eine echte Wohltat, es gibt keine
Werbung.)
Technische Daten
Betriebsspannung: 9V-Blockbatterie (min. 6.3 VDC = 70%) oder 12V-Steckernetzteil Strombelastung (Standby): bei 9 VDC: 0.21 mA (~ 2 mA) bei 12 VDC: 0.27 mA (~ 3 mA) Strombelastung (Summer aktiv): bei 9 VDC: ~15 mA bei 12 VDC: ~23 mA
Thomas Schaerer, 25.09.2022