Kapazitiver Touch-Sensor
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Fritjof Flechsig
Mit meinem Beitrag möchte ich gerne die Versuche teilen, die ich im Zuge des 17. Dezembers angestellt habe. Die Schaltung "LED-Flimmern" wollte nämlich einfach nicht richtig flimmern. Erst als ich einen der beiden Kondensatoren mit den Fingern deutlich erwärmte war an der LED eine Schwebung, sprich ein Flimmern, zu erkennen. Und als ich den Finger wieder weg nahm, verschwand das Flimmern. Allerdings nicht langsam, sondern recht plötzlich. Wenn das Flimmern etwa bei einem Hertz angekommen war, hörte es auf und die LED verharrte bei etwa der halben Helligkeit.
Das Oszilloskop zeigte, dass meine Bauteile offensichtlich bei der Fertigung nicht ausreichend unterschiedlich ausgefallen waren. Beide Oszillatoren zeigten exakt die gleiche Frequenz, sie oszillierten sogar gleichphasig. Aus der Physik kenne ich den "Lock-In"-Effekt, siehe zB unter http://de.wikipedia.org/wiki/Lock-in-Effekt_%28Physik%29. Es war mir jedoch nicht bewusst, dass es dieses Phänomen auch mal eben gerad' in der Elektronik zu sehen gibt. Der Effekt besagt, dass zwei leicht gekoppelte Oszillatoren, die bei ausreichend ähnlicher Frequenz schwingen, die Neigung haben, sich mit der Zeit auf exakt die gleiche Frequenz und auf eine konstante Phasendifferenz oder sogar Phasengleichheit einzuschwingen. Das "ausreichend ähnlich" wird als Lock-In-Schwelle bezeichnet und hängt von Art und Stärke der Kopplung ab.
Mit der folgenden Schaltung ist der Effekt hoffentlich auch für andere Adventskalender-Besitzer zu sehen. Mit dem Poti P1 kann der zweite Oszillator gegen den ersten verstimmt werden, und zwar so, dass auch im Rahmen der Toleranzen der Bauteile eine Frequenzgleichheit erreichbar und der gesamte Lock-In-Bereich überstreichbar sein sollte. Die LED zeigt dann eine Schwebung (bzw ein Flimmern), wenn die Frequenzen der beiden Oszillatoren außerhalb des Lock-In Bereichs sind. Innerhalb bleibt die LED konstant hell. In meinen Versuchen umfasste der Lock-In Bereich fast eine viertel Umdrehung am Poti, das entspräche gefühlten 15kOhm. Das finde ich beachtlich groß.
Beim Überstreichen vom Lock-In Bereich ändert die LED gelegentlich die Helligkeit. Das Oszilloskop zeigt, dass sich die Oszillatoren dann auf eine andere Phasendifferenz einigen. Bei mir sind drei solche "Moden" zu sehen.
Was verursacht nun diesen großen Lock-In Bereich? Eine ungewollte Kopplung könnte ich mir z.B. über eine zu schwache Batterie mit hohem Innenwiderstand vorstellen. Allerdings ist meine Batterie noch recht frisch, und andere Exemplare habe ich leider gerade nicht da. Vielleicht kann jemand mal unterschiedliche Batterien testen?
Ich konnte aber einige Parameter ausprobieren, die den Lock-In Bereich verändern. Zum einen hängt er vom Last-Widerstand R4 ab. Ein höherer Widerstand verkleinert den Bereich. Der 6.8 kOhm Widerstand aus dem Adventskalender macht ihn schon so klein, dass man etwas Gefühl braucht, um ihn noch zu treffen. Aber man kann mit kleinerem R2 und P1 den Effekt weiterhin gut sehen. Ein kleinerer Last-Widerstand R4, z.B. 470 Ohm, macht dagegen den Bereich größer.
Zum anderen kann man um den IC einen Elko setzen. Ein 470µF-Elko zwischen Pin 14 und Pin 7 des ICs lässt den Effekt fast verschwinden.
Wer von den letzten Jahren noch einen Piezo hat, kann den Effekt auch hören. Dazu setzt man ihn anstelle R4 und der LED ein. Ungekoppelt klingen die Oszillatoren wie ein knarziges unschönes Brummen, ggf kann man die Schwebung erkennen. Gekoppelt hört man einen klaren Ton, der im Lock-In Bereich über mehrere Hertz mit dem Poti verändert werden kann. Auch die Modensprünge sind hörbar, nämlich als kurzes Überschlagen des Tones.
Hat man eine Art Fehlfunktion in seiner Schaltung, kann man sie ja auch für eine echte Funktion ausnutzen. Ich hoffe, dass die folgende Schaltung bei möglichst vielen anderen Lesern funktioniert. Sie schaltet durch Berührung eines kapazitiven Sensors um zwischen Lock-In Bereich und ungekoppelten Oszillatoren. Das Signal, welches am Ausgang 11 aus der Mischung der beiden Oszillatoren entsteht, wird durch den Elko gemittelt. Die mittlere Spannung der ungekoppelten Oszillatoren unterscheidet sich von derjenigen einer Lock-In-Mode. Dieser Unterschied wird durch den Transitor so verstärkt, dass mit dem vierten Schmitt-Trigger-NAND eine LED geschaltet wird. Je nach Art der Mode bekommt man einen Ein- oder Ausschalter.
Der Touch-Sensor ist ein 5-Cent-Stück mit angelötetem Draht, welches in ein Plastiktütchen "eingebaut" ist. Er steht für eine Kapazität von einigen 10pF, und bei Berührung ändert sich die Kapazität ebenfalls um einige 10pF. Damit diese Änderung durch die gekoppelten Oszillatoren messbar wird, müssen die Bauteile neu dimensioniert werden. Ich habe mich für 100pF Kondensatoren entschieden sowie die 10MOhm-Widerstände aus dem Adventskalender. Die Oszillatoren schwingen dann bei ca 1-2 kHz.
Über das Poti P1 werden wie oben die beiden Oszillatoren abgestimmt. Die Abstimmung muss so erfolgen, dass die Oszillatoren ohne Berührung des Cent-Stückes gekoppelt sind und bei Berührung den Lock-In Bereich verlassen. Dass dies der Fall ist, kann man entweder am Oszilloskop messen oder an der roten LED sehen: sie flimmert. Das zweite Poti P2 kontrolliert den Arbeitspunkt vom Transistor, und zwar so, dass der Unterschied zwischen gekoppelten und ungekoppelten Oszillatoren das NAND-Gatter triggert. Bis die richtige Einstellung der zwei Potis gefunden ist, muss man mit etwas Fingerspitzengefühl und Geduld experimentieren. Aber es lohnt sich: bei mir läuft der Touch-Sensor nun schon mehrere Tage ohne Nachjustierung stabil durch!