Projektidee: Funkamateure bauen mit Kindern Spürgeräte zur Fledermausortung

Schaltung & Bausatz

Wir haben uns für ein einfaches Frequenzmischverfahren entschieden. Das Prinzip ist einfach und der Schaltungsaufwand ebenso.

Frequenzmischung bedeutet hier, dass „das einkommende Signal mit einer festen Frequenz gemischt (wird). Das daraus resultierende Signal ist eine Vielzahl von Summen- und Differenzfrequenzen von denen nur die jeweils hörbaren wiedergegeben werden.“ Obwohl hier eine große Bandbreite gleichzeitig abgehört werden kann, ist die Wiedergabe jedoch lückenhaft. „Beispiel: Ein Fledermausruf von 41 kHz wird nach der Mischung mit 40 kHz als 1 kHz gehört. Ein Fledermausruf von 40,001 kHz wird nach der Mischung theoretisch als Ein-Hz-Signal wiedergegeben, ist also nicht hörbar.“ Durch die Verwendung von piezoelektrischen Ultraschallwandlern als 'Frontend' des Detektors wird der Frequenzbereich zusätzlich eingeschränkt. In der Praxis ist dies jedoch kein Problem, da die Fledertiere nicht auf einer festen Frequenz rufen, sondern die Tonhöhe laufend verändern. Die wandlerbedingte höchste Empfindlichkeit des Geräts zwischen 38 und 42 kHz ist ein guter Kompromiss, da die Geräte im Einsatz viele Höreindrücke liefern und scheinbar nichts überhören.

Block(schaltbild) des Detektors

Schaltungsbeschreibung 

1 Das Frontend des Signalwandlers bildet der Ultraschallwandler S1 („Piezo Ceramic Transducers“) wie er typisch für Ultraschall-Abstandsmessgeräte verwendet wird. Die Eigenschaften dieses Ultraschallempfängers sind mit denen von Schwingquarzen vergleichbar. Der Empfänger beginnt bei passender Schallfrequenz, hier etwa von 38 bis 42 kHz, mitzuschwingen, wodurch ein schwaches Sinussignal auf der jeweiligen Frequenz abgegeben wird. Die Amplitude ist abhängig von der Frequenz und dem Schalldruck. Liegt die Schallfrequenz deutlich unter 38 kHz oder oberhalb von 42 kHz, dann ist der Empfänger praktisch taub.

2 Zur Pegelanhebung wird in der Schaltung ein dreistufiger Vorverstärker eingesetzt. Der Wandler gibt seine Spannung zunächst an einen npn-Kleinsignaltransistor (T1 BC 546 oder vergleichbar) in Emitter-Grundschaltung ab. Anschließend werden zwei Gatter des Inverter-IC 4069 für die weitere Verstärkung genutzt (IC1/13-12 und IC 1/11-10). Durch Überbrückung (Gegenkopplung) der Gatter Ein- und Ausgänge mit R5 und R6 werden die Inverter-Stufen als Verstärkerschaltung nutzbar.

3 Die Gatter IC1 /3-4 und IC1/5-6 bilden mit R16 und C4 einen üblichen Rechteck-Generator zur Erzeugung der zur Überlagerung nötigen Festfrequenz. Der Schaltungsaufwand ist auch hier sehr gering. Die Frequenz errechnet sich dabei übrigens nach der Formel 1/2,25*R*C. Im vorliegenden Fall bedeutet dies eine rechnerische Frequenz von rund 50 kHz. Gemessen wurden Frequenzen zwischen 49 und 51 kHz.

4 Über R11 bzw. R12 werden die Signale aus dem Oszillator und dem Sensor D2 zugeführt. Die Diode dient als einfacher, additiver Mischer.

5 Das Gatter IC1/ 9-8 dient zur Vorverstärkung der gewonnen NF. Das Signal wird dem Audioverstärker-IC2 LM386 über C9 und dem lautstärkebegrenzenden Spannungsteiler R13/R9 zur Endverstärkung zugeführt. Das IC ist hier völlig ausreichend in Minimalausführung als Verstärker für 26dB geschaltet. Die NF wird über C10 an Pin 5 ausgekoppelt. Ebenfalls an Pin 5 liegt ein RC-Spannungsteiler („Zobel-Glied“) mit/C12/R14 zur Kompensation der Lautsprecher-Induktivität an Masse.

6 Im Prinzip hat IC2 genügend Reserven, um die NF über einen Lautsprecher abzugeben. Zugunsten eines kleinen Gehäuses und um bei den Fledermäusen keine Rückkopplung zu erzeugen, wird hier eine Kopfhörerbuchse angeboten. Im praktischen Betrieb hat sich jeder typische Ohrhörer (32/64 Ohm) bewährt.

• 1 Platine (53x40mm)
• Batterie-Clip (rot an Plus)
• Gehäuse
• Ultraschall-Sensor
• Schalter
• Klinkenbuchse
• Kleber (optional bei vorgefrästem Gehäuse hilfreich)

Bastelaktionen mit Kindern - Unbedingt beachten!

• Eine 1:1 Betreuung wäre ideal - aber natürlich nicht unbedingt realistisch. Gut ist auch, wenn Eltern mitmachen und in Teamarbeit gebastelt wird.
• Die Betreuenden sollten den Bausatz wirklich kennen. Der Author hat hier einschlägige Erfahrungen gesammelt. Es ist wenig hilfreich, wenn den Helfern ständig geholfen werden muss. Im Mittelpunkt müssen die Kinder stehen.
• Je nach Vorerfahrung der Kinder wird eine Lötübung vorangestellt. Wir nehmen dazu einfache Holzbrettchen mit Reißzwecken, die verzinnt werden müssen. Hier sind schnell die manuellen Fertigkeiten zu erkennen. Manche machen dann auch mehrere Brettchen. Bei der Gelegenheit werden dann auch Sicherheitshinweise zum Umgang mit den Lötwerkzeugen vermittelt.
• Je nach Vorerfahrung ist es zweckmäßig, Bauteile im Vorfeld einzulöten: IC Fassungen, Diode, Transistor.
• Wirklich gut Löten lässt sich nur mit sehr feinem Lötzinn (1 mm).
• Eine typische Fehlerquelle sind verpolte Elkos. 
• Es hat sich sehr bewährt, eine Art 'Checkpoint' einzurichten. Nachdem alle Widerstände eingelötet wurden, wird geprüft, ob alles ok ist. Erst dann kann es weitergehen. So kann man mit den Kondensatoren verfahren. Mit den Elkos usw. So lassen sich 90% der Fehler im Vorfeld vermeiden!
• Ersatzteile und Platinen in Reserve halten. Es geht immer etwas kaputt. Gut ist es auch, einen funktionierenden Bausatz in der Hinterhand zu haben (als Austauschgerät). Manchmal kommt es vor, dass sich ein Gerät nicht unmittelbar reparieren lässt.
• Die IC setzen wir in der Regel selber ein, da die IC-Beinchen leicht gebogen werden müssen usw.
• Bitte an Kopfhörer und Batterien denken. Entweder müssen sie mitgebracht werden oder wir müssen sie vorrätig haben. Vorsicht bei Billiganbietern. Vorher testen. Manche Kopfhörer haben sich als völlig 'taub' erwiesen.

• Der Platinenaufdruck für die Leuchtdiode ist in der aktuellen Auflage ist falsch. Anode und Kathode sind zu vertauschen!
• Die Schaltung ist ohne Verpolungsschutz! Bitte beim Einsatz der Batterie darauf achten.

Bausatz

• Platine Euro 5
• der Bausatz ohne Gehäuse (Platine, alle Bauteile) Euro 12,50
• das Gehäuse unbearbeitet Euro 2,50
• der Bausatz komplett mit industriell gefrästem Gehäuse (Platine, alle Bauteile) Euro 18,50