Hochempfindlicher Audio-Detektor für ultraniedrige elektrische Signale

Bauteile & Materialien

• Geschlossene Kopfhörer mit hoher Empfindlichkeit (dB)
• Kopfhörerbuchse (z. B. Radio Shack #274-312 oder gleichwertig)
• Kleiner Schritt-Down-Transformator (120 V → 6 V); Nutzung der 6-V-Sekundärwicklung
• Zwei 1N4001-Gleichrichterdioden
• 1-kΩ-Widerstand
• 100-kΩ-Potentiometer (Audio- oder Lineartaper)
• Zwei Bananenbuchsen für den Potentiometerkreis
• Kunststoff- oder Metallgehäuse für den Einbau

Die Wahl der Kopfhörer ist entscheidend: Je höher die Empfindlichkeit in Dezibel, desto besser erfasst der Detektor schwache Signale. Testen Sie mehrere Modelle im Fachhandel und achten Sie auf die niedrigste Lautstärke, die noch klaren Ton liefert.

Zwar können Premium-Kopfhörer die Leistung steigern, doch ein bescheidenes Paar – wie ein altes Radio-Shack-„Realistic“-Modell – hat sich für die meisten Experimente als ausreichend erwiesen.

Weiterführende Literatur

Lessons In Electric Circuits, Band 1, Kapitel 8: „DC Metering Circuits“

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 9: „Transformers“

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 12: „AC Metering Circuits“

Lernziele

• Grundlegende Löttechniken beherrschen
• Transformatornutzung für Impedanzanpassung verstehen
• Extrem kleine elektrische Signale detektieren
• Dioden zur Begrenzung der Spannung auf ein Maximum einsetzen

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Folgen Sie den Bauanweisungen des „Sensitive Voltage Detector“ aus dem DC-Experiment-Kapitel. Falls Sie diesen Detektor bereits gebaut haben, können Sie den ersten Aufbau überspringen.

Die meisten Kopfhörer sind Stereo-Geräte mit Dreikontaktstecker. Verbinden Sie zwei dieser Kontakte; bei Mono-Kopfhörern mit Zweikontaktstecker nutzen Sie diese.

Die beiden Kopfhörertreiber können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Reihenschaltung hat sich für kleine Signale als lauter erwiesen:

Löten Sie alle Verbindungen fest – lose Kontakte erzeugen Störgeräusche. Die zwei Dioden quer über der Primärwicklung des Transformators zusammen mit dem in Reihe geschalteten 1-kΩ-Widerstand begrenzen die Eingangsspannung auf ca. 0,7 V. Dies begrenzt den Kopfhörerausgang und schützt vor versehentlicher Hochspannung.

Bananenbuchsen bieten sichere Anschlusspunkte für Bananen-Messspitzen, sobald der Detektor im Gehäuse verbaut ist. Standard-Multimeter-Messspitzen oder Krokodilklemmen eignen sich für zuverlässige Verbindungen.

Der Detektor eignet sich ideal zum Abgleich von Brückenschaltungen, Nullabgleich-Voltmetern und zum Hören extrem niederamplitudiger AC-Signale im Audiobereich.

Er bietet eine wertvolle Alternative zum Oszilloskop und ermöglicht eine andere sinnliche Wahrnehmung von Schaltkreisverhalten.

Bei Messspannungen über 1 V dämpfen Sie die Empfindlichkeit des Detektors mit einem Spannungsteiler. Fügen Sie den Teiler am Schaltungseingang ein:

Stellen Sie das 100-kΩ-Potentiometer auf ca. Mittelstellung für ein unbekanntes Signal. Justieren Sie nach oben oder unten, bis der Audioausgang weder zu laut noch zu leise ist.

Der Detektor kann Gleich- und HF-Signale erfassen. Ein leises „Klicken“ ist hörbar, wann immer die Messleitungen Kontakt mit der Quelle herstellen oder trennen. Mit günstigen Kopfhörern wurden DC-Ströme unter 0,1 µA und HF-Signale bis 2 MHz detektiert.

Eine eindrucksvolle Demonstration: Berühren Sie die Messspitzen bei maximaler Empfindlichkeit mit der Zungenspitze. Die galvanische Spannung durch Metall-Elektrolyt-Kontakt erzeugt bei jedem Kontakt mit feuchter Haut ein leises Klicken.

Zieht man den Kopfhörerstecker ab und berührt die Zungenspitze direkt, sind Klicks noch hörbar, aber leiser. Kopfhörer sind niederohmige Geräte; sie benötigen niedrige Spannung und hohen Strom für nennenswerte Schallleistung.

Impedanz (Z) misst den Widerstand gegen Wechselstrom, Widerstand (R) gegen Gleichstrom. Beide werden in Ohm (Ω) angegeben. Die meisten Kleinsignalquellen haben interne Impedanzen weit über den typischen 8 Ω von Kopfhörern, was die Stromlieferung begrenzt.

Durch Anpassung der Kopfhörerimpedanz an die Quellenimpedanz mittels Transformator sichert der Satz von der maximalen Leistungstransfer optimale Schallausgabe. Der Transformator erzeugt zudem induktiven Rückschlag beim Öffnen des Stromkreises, was winzige DC-Signale für die Kopfhörer effektiv verstärkt.

Für den Dauerbetrieb bauen Sie den Detektor in ein festes Gehäuse mit fixierten Messleitungen ein.

Zugehörige Arbeitsblätter

• Design Project: Sensitive Audio Detector Worksheet
• Impedance Matching With Transformers Worksheet