IMPACT Schlagsensor-Elektronik (für Unihockey-Ball)

 



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