Zu den hier vorgestellten Schaltungen sind Platinenlayouts in Arbeit.

Elektret-Mikrofonkapseln sind preiswert und liefern eine gute Tonqualität. Am besten brauchbar sind Kapseln mit nierenförmiger Richtcharakteristik und einem Gummimantel. Den Lastwiderstand RLast muss man je nach Kapseltyp so optimieren, dass zwischen ihm und der Mikrofonkapsel etwa eine 1:1 Spannungsteilung stattfindet. Oft sind Werte um 5 Kiloohm optimal. Das Mikrofonsignal wird kapazitiv auf einen Operationsverstärker gekoppelt. Auf der Platine sind max. keramische 3 Koppelkondensatoren vorgesehen, 1 uF sind in dieser Grösse der maximal handelsübliche Wert. Für normale Mikrofon-Anwendungen reicht jedoch ein wesentlich kleinerer Kondensator, etwa 100 nF. Die Möglichkeit, grosse Kondensatoren einzubauen ist vorgesehen für die Auswertung extrem niedriger Frequenzen.
Der Operationsverstärker LM358 ist zwar nicht für besonders hochwertige Nf-Anwendungen vorgesehen, kann aber bis praktisch zwischen 0 und 3 Volt ausgesteuert werden. Er arbeitet hier als Elektrometerverstärker. Die Einspeisung des invertierenden Eingangs ist mit einem Elko an Masse gelegt. Mit dieser Schaltungstechnik entspricht sein Arbeitspunkt, d.h. die Ausgangs- Gleichspannung bei 0 Volt Nf-Eingangssignal, der Spannung am nicht invertierenden Eingang. Die untere Grenzfrequenz wird weitgehend vom Elko zwischen dem 10 Kiloohm Widerstand und Masse bestimmt. Für normale Nf-Anwendungen reichen 47 uF aus, für extrem niedrige Grenzfrequenzen kann der Elko bis auf 1000 uF vergrössert werden.
Zur optimalen Anpassung sind zwei Trimmpotentiometer vorgesehen. Das Poti links im Schaltbild stellt den Arbeitspunkt ein, das rechte Poti stellt die Verstärkung ein. Sinnvollerweise stellt man zuerst ohne Tonsignal die Ausgangs- Gleichspannung des Opamp auf ca. 0,5 Volt ein. Dann stellt man die Verstärkung so ein, dass bei der am Mikrofon vorgesehenen Anwendungs-Lautstärke die positiven Halbwellen am Opamp-Ausgang etwa 3 Volt Spitzenwert erreichen. Dann stellt man nochmal den Arbeitspunkt nach. Mit dieser Justierung wird absichtlich die negative Halbwelle beschnitten und der Opamp nur zu positiven Werten ausgesteuert. Das RC-Glied Rt und Rt stellt einen Tiefpass (Rauschunterdrückung) dar, der allerdings nur bei Bedarf einzubauen und entsprechend zu dimensionieren ist. Während der positiven Halbwellen lädt die Schottky-Diode BAT41 den 100 nF- Kondendator auf. Sinkt die Ausgangsspannung am Opamp unter den Spitzenwert, so sperrt die Diode und der Kondensator entlädt sich nur langsam über den parallel geschalteten Widerstand Rd. Durch geeignete Wahl des Widerstandes(etwa 1 Megohm) kann die Abklingzeit optimiert werden. Der zweite Operationsverstärker (LM358 enthält 2 Verstärkersysteme auf einem Chip) ist normalerweise als Spannungsfolger (R1 fehlt dann, R2 kurzgeschlossen) geschaltet, er entkoppelt die Ladung auf dem Kondensator gegen die Belastung durch die angeschlossene Sensorbox. Die am Spannung am Ausgang der Schaltung pulsiert im Takt der Lautstärke am Mikrofon, etwa wie die Aussteuerungsanzeige einer Hifi-Anlage. Durch geeignete Wahl von R1 und R2 (R1 etwa 10 Kiloohm, R2 etwa 10 bis 50 Kiloohm) kann diese Stufe das Peak- Signal zusätzlich verstärken, was jedoch bei den meisten Anwendungen nicht notwendig ist.

Induktionsspulen

Um langsame Bewegungen, langsame Schwingungen oder Annäherungen in analoge Spannungswerte umzusetzen, kann das Elektretmikrofon durch eine Induktionsspule ersetzt werden, RLast entfällt dann. Die Spule wird dann im Feld eines Permanentmagneten bewegt. Geeignete Spulen kann man erhalten durch Ausschlachten alter Relais, insbesondere mit 230 Volt Spule. Es vorteilhaft, den Eisenkern in der Spule zu lassen. Meistens wird es bei diesen Anwendungen sinnvoll sein, die Kondensatoren des Verstärkers recht gross zu dimensionieren, Arbeitspunkt und Verstärkung so einzustellen, dass die Schwingung nicht begrenzt wird. Statt des Spitzenwertes wird dann die Nf-Spannung direkt auf die Sensorbox geleitet.
Eine andere Einsatzmöglichkeit von Induktionsspulen besteht in der Abtastung eines magnetischen Wechselfeldes, z.B. erzeugt von einem starken Elektromagneten. Dann wird der Verstärker eher eingestellt wie für das Elektret- Mikrofon.

Anpassung eines Piezo-Sensors

Diese Schaltung kann statt der Mikrofonkapsel an die oben beschriebene Schaltung angeschlossen werden. Die Eingangsschaltung ist dazu entsprechend folgender Schaltskizze zu modifizieren:

Der Opamp CA3140 ist ein CMOS-Typ mit extrem hohem Eingangswiderstand. Mit der hier beschriebenen Schaltungsauslegung fliesst eine durch statische Belastung des Piezos erzeugte Ladung etwa nach ca. 10 Sekunden durch die 3 hochohmigen Widerstände ab. Am Ausgang des als Spannungsfolger geschalteten Opamp entsteht ein gepufferter Spannungsimpuls dieser Länge. Weiterverarbeitung und Parametrierung des Verstärkers wie beim Elektret- Mikrofon, aber mit tieferer unterer Grenzfrequenz. Der Piezo-Sensor sollte möglichst direkt am Verstärker angeschlossen werden. Lange, insbesondere abgeschirmte Zuleitungen verringern durch ihre Eigenkapazität den Piezo-Effekt.

Piezo-Sensoren lassen sich auch als Mikrofone einsetzen, bessere Erfahrungen haben wir für diesen Anwendungsbereich jedoch mit Elektret-Kapseln gemacht.

Piezo- Sensoren sind dagegen hervorragend einsetzbar als preiswerte Erschütterungs- und Beschleunigungssensoren. Dazu nimmt man eine möglichst grosse Piezo-Scheibe (einzeln käuflich oder Piezo- Pieper auf der Seite aufschneiden, an der das Kabel herauskommt), lagert sie an den Aussenrändern auf einen Ring, z.B. aus fester Pappe,damit sie sich durchbiegen können (ist bei Piezo-Piepern meistens nicht notwendig, da sie schon mit Abstand im Plastikgehäuse montiert sind) und klebt von oben in der Mitte eine seismische Masse auf (z.B. eine Mutter M5). Der Kleber sollte möglichst das Piezomaterial nicht angreifen und isolieren, gut geeignet ist Teppichklebeband. Wirken Beschleunigungskräfte auf die Piezoscheibe, wird sie bei diesem Aufbau in der Mitte geringfügig verbogen, was in einer messbaren Piezospannung resultiert. Je schwerer die seismische Masse, desto empfindlicher wird der Sensor. Für einen Test kann man z.B. den so präparierten Sensor unter ein schweres, flach auf dem Untergrund liegendes Buch legen. Bewegt sich eine Person im Raum, werden die von den Schritten erzeugten Bodenschwingungen angezeigt. Ein solches System neigt allerdings zu Eigenresonanzen, d.h. die Frequenz der so erzeugten Piezo-Schwingungen muss nicht identisch mit den auslösenden Bodenerschütterungen sein.

Wenn keine Spitzenwertbildung notwendig ist, d.h. wenn vor allem das Vorhandensein von Erschütterungen oder Kraftänderungen niedriger Frequenz interessiert, kann folgende vereinfachte Schaltung gut eingesetzt werden:

Piezoscheiben eignen sich auch als einfache Touch-Buttons. Dazu werden sie flach auf eine feste Unterlage geklebt, am besten die Seite mit der hellgrauen Piezoschicht und den Anschlussdrähten nach oben. Statt des Trimmpotentiometers kann ein fester Widerstand von etwa 10 bis 100 Kiloohm, je nach gewünschter Druckschwelle, eingebaut werden. Achtung, die Piezoladung fliesst in kurzer Zeit über den 10 Megohm Widerstand ab (und noch schneller über den Hautwiderstand, wenn die Oberfläche des Piezo nicht isoliert wird). Solche Schalter eignen sich also nicht zur Erkennung statischer Druckzustände.

Es gibt Schaltungstechniken (Ladungsverstärker), die Ladungen des Piezos über mehrere Stunden halten. Der dazu notwendige technische Aufwand übersteigt den im Workshop möglichen Level.