Elektroskop df1rn rev 2.0 2012 02 27

Elektroskop
Im Funkamateur bin ich vor gut zwei Jahren auf eine Schaltung zum Nachweis negativer und
positiver Ladungen gestoßen, die mein Interesse geweckt hat [1, 2]. Bild 1 zeigt die
modifizierte Schaltung.
Gegenüber der Version von R. Weber [1] habe ich folgende Änderungen vorgenommen:
a) symmetrischer Aufbau mit gleichartigen Transistoren für den Nachweis negativer und
positiver Ladungen; b) zwei Betriebsarten, Schalter S1 offen: beide Schaltungsteile sind
getrennt, negative und positive Ladungen werden mit jeweils einer Antenne separat
nachgewiesen und auch gleichzeitig angezeigt ("parallel"); Schalter S1 geschlossen:
Verriegelungsbetrieb, entweder werden negative oder positive Ladungen angezeigt
("verriegelt"); c) zusätzlicher Masseanschluss um die Schaltung auf ein definiertes Potential
legen zu können.
Bild 1: Schaltung des Elektroskops.
Die in [1] angegebenen Transistoren sind nicht mehr alle erhältlich. Tabelle 1 zeigt die
gewählten Ersatztypen. Die Transistoren T8 bis T11 wurden hinsichtlich ihrer Stromverstärkung (Endziffern B und C) analog zu T2 bis T5 gewählt, um die Schaltung
symmetrisch zu gestalten.
Tab. 1: Gewählte Ersatztypen für die
Schaltung nach Bild 1 im Vergleich zu
den Angaben von [1].
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Die Schaltung nach [1] hat nur die Antenne Ant1 und entspricht der Betriebsart mit
geschlossenem Schalter S1. Die Diode D5 verriegelt in dieser Schaltstellung die beiden
Schaltungshälften so, dass entweder die grünen oder die weißen LED leuchten. Statische
Aufladungen werden in diesem Fall recht empfindlich angezeigt. Ein geriebener Teflonstab,
siehe Bild 2, führt bei Annäherung an die Antenne bereits in einem Abstand von ca. 0,5 m zu
einer Anzeige.
Bild 2: Für die Experimente verwendete Kunststoffstäbe aus Teflon und Plexiglas, die unterschiedliche triboelektrische Eigenschaften
aufweisen. Die Abmessungen sind ∅ 10,5 mm x
200 mm.
Die Schaltung habe ich zunächst auf einem Steckbrett aufgebaut, siehe Bild 3. Rechts ist die
1,5 V Batterie zu sehen. Der Schalter S1 ist hier durch Drahtbrücken realisiert, die Antennen
sind zwei Silberdrähte etwa 10 cm Länge. Mit diesem Aufbau habe ich erste Tests
durchgeführt.
Bild 3: Aufbau der Schaltung auf einem Steckbrett.
Bei geöffnetem Schalter S1 werden die beiden Schaltungshälften getrennt und zwei
Antennen, Ant1 und Ant2 verwendet. Bei Annäherung des geriebenen Teflonstabs leuchten
zunächst die grünen LED auf (links in Bild 3), beim Wegziehen werden diese schwächer - sie
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zeigen ein "Nachleuchten" und die weißen LED leuchten auf. Dies ist aufgrund der
influenzierten Ladungen in den Antennen ein sinnfälliges Verhalten. Der negativ geladene
Stab drückt bei Annäherung an die Antennen die Elektronen in Richtung Basis von T8 und
T2. T8 steuert durch und die Anzeige der grünen LED wird ausgelöst. Beim Wegziehen
fließen die Elektronen wieder an das Antennenende zurück. Die positive Spannung an der
Basis von T2 führt nun zum Aufleuchten der weißen LED.
Zur Messung von Signalen habe ich an den in Bild 1 angegebenen Positionen MP 1 bis MP3
einen Messwiderstand von 4,3 Ω eingebaut. Die über diesem Messwiderstand abfallende
Spannung wurde abgegriffen und zum Oszilloskop geführt. Damit ein eingeschwungener
Zustand vorliegt wird dazu beim Betrieb "S1 offen", Antenne Ant1 elektrisch mit Ant2
verbunden, dann leuchten sowohl die grünen wie die weißen LED.
Bild 4 zeigt die Spannung am Messwiderstand an der Stelle MP1 zwischen den Kathoden
der weißen LED und Masse. Das Signal hat eine Frequenz von ca. 400 kHz. Der
Spitzenstrom beträgt 140 mV/4,3 Ω = 33 mA. Eine Messung mit dem Frequenzzähler am
Messwiderstand ergibt 381,8 kHz. Die Impulse haben eine Halbwertsbreite von ca. 500 ns.
Bild 4: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 1.
Die Verhältnisse an MP 2 zeigt Bild 5. Die Frequenz beträgt ca. 340 kHz. Die Messung mit
dem Frequenzzähler ergibt 346,6 kHz. Der Spitzenstrom beträgt 225 mV/4,3 Ω = 52 mA.
Bild 5: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 2.
Der Spannungsverlauf am Messwiderstand in Serie zur Induktivität L1, entsprechend MP 3 in
Bild 1, ist in Bild 6 gezeigt.
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Eine Erhöhung der Kapazität C2 durch Parallelschalten von 100 nF führt an MP 1 zum
Signalverlauf von Bild 7. Die Wiederholfrequenz der Pulse verringert sich von 400 kHz auf
330 kHz.
Durch die Erhöhung der Induktivität durch Serienschaltung von L1 mit 68 µH wird die
Frequenz deutlich herabgesetzt. Bild 8 zeigt dies im Vergleich zu Bild 6. Die Frequenz
beträgt in diesem Fall nur 125 kHz.
Bild 6: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 3.
Bild 7: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 1 und einer Kapazität von C2 = 47 nF
+ 100 nF = 147 nF.
Bild 8: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 3 und einer Induktivität von 15 µH (L1)
+ 68 µH = 83 µH.
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Werden die Antennen wieder elektrisch getrennt und die Spitze von Ant1 kurz mit dem
Finger berührt, so schwingt der Oszillator an, die weißen LED leuchten auf und verlöschen
langsam. An MP 1 ist das Oszillogramm von Bild 9 zu sehen. Die Belichtungszeit beträgt hier
einige Sekunden, so dass der auftretende Frequenzchirp deutlich zu sehen ist. Mit
abnehmender Amplitude nimmt die Frequenz zu.
Bild 9: Oszillogramm der Spannung am
Messwiderstand 4,3 Ohm an der Stelle
MP 1.
Mit einem in der Nähe aufgestellten Transistorradio auf Mittelwelle kann die stationäre
Oszillation (grüne und weiße LED leuchten dauernd) bei Harmonischen der
Grundschwingung deutlich vernommen werden. Leuchten die LEDs nach einem Antippen
nur kurz auf - entsprechend dem Fall von Bild 9 - so führt der Frequenzchirp dazu, dass das
transiente Signal die fest eingestellte Empfangsfrequenz des Radios passiert und sich als
kurzes Knackgeräusch bemerkbar macht.
Nach diesen Tests geht´s an den Aufbau. Mit dem Programm Lochmaster habe ich die
Bestückung und Verdrahtung auf einer Lochrasterplatine geplant [2]. Ludwig hat mich dabei
in bewährter Weise unterstützt und das Layout weiter optimiert (Wegfall von Drahtbrücken).
Die Bilder 10 und 11 zeigen das Ergebnis.
Bild 10: Bestückungseite der Lochrasterplatine.
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Bild 11: Lötseite der Lochrasterplatine.
Als Gehäuse habe ich ein Klarsichtdeckel-Wandgehäuse "standard" von Kemo Electronic
gewählt, Typ G089, Maße 120 x 70 x 30 mm. Bild 12 zeigt die Ansichten.
Bild 12: Technische Zeichnung des Gehäuses G089 [4].
Bild 13 zeigt eine Aufnahme des fertig aufgebauten Elektroskops mit den zwei Antennen. Für
die Antennen habe ich jeweils ein Messingrohr, Außendurchmesser 2 mm, Länge 200 mm,
verwendet und in einen Bananenstecker eingelötet. Auf die Gehäuserückseite habe ich den
Schaltplan mit den Bezeichnungen der Anschlüsse und Schaltstellungen in der
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Laminiertechnik á la Ludwig geklebt, siehe Bild 14. Bild 15 zeigt eine Nahaufnahme der
bestückten und eingebauten Platine.
Bild 13: Fertig aufgebautes
Nachweisgerät für negative und
positive statische Aufladungen mit
zwei Betriebsarten. Die grünen
Leuchtdioden zeigen eine negative
Ladung an.
Bild 14: Die Gehäuserückseite mit dem
Schaltplan und den Bezeichnungen der
Anschlüssen und der Schaltstellungen.
Bild 15: Nahaufnahme der bestückten und eingebauten Platine.
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Mit dem Gerät können statische Aufladungen mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen
werden. Ein Lineal am Pullover gerieben oder eine kleine Kunststofftüte und schon leuchten
die Dioden auf. Im "Verriegelungsbetrieb" kann die Ladung eines Gegenstands aus
Abständen von bis zu 1 m angezeigt werden. Den größten Ansprechabstand in meinen
Versuchen zeigte bisher ein Kunststoffhandfeger, der über ein Kunststoff-Platzdeckchen auf
einer Tischdecke gestrichen wird.
Beim Reiben des Teflonstabs an einem Pullover werden auf dem Stab negative Ladungen
akkumuliert. Bei Annäherung an das Nachweisgerät leuchten die grünen LEDs. Der
Plexiglasstab zeigt ein anderes Verhalten, er wird durch Reibung am Pullover positiv
aufgeladen. Beide Werkstoffe unterscheiden sich in ihrer Lage auf der sogenannten
triboelektrischen Reihe. Beeindruckend ist auch das Einschalten der LED bei Erzeugung
eines Funkens mit einem piezoelektrischen Kerzenanzünder aus ca. 5 cm Entfernung.
Nehme ich das Gerät in die Hand und laufe einfach durch die Wohnung über Teppiche,
Holzböden etc., so spricht es in der Regel schon auf zahlreiche Aufladungen an.
Last not least kann der interessierte Funkamateur prüfen, welche "Ladung" seine YL gerade
hat. Das Ergebnis ist in diesem Fall allerdings nicht rein naturwissenschaftlich zu erklären.
27.2.2012, Reinhard, DF1RN
[1] Reinhard Weber, Empfindliches Nachweisgerät für statische Aufladungen, Funkamateur, FA 8/2009, 846 847.
[2] R. Weber, 04207 Leipzig, Nachweisgerät für statische Aufladungen, Gebrauchsmusterschrift DE 20 2008 003
853 U1, 4.9.2008
[3] Loch Master, Version 3.0, Abacom Ingenieurgesellschaft, www.abacom-online.de
[4] http://www.kemo-electronic.de/datasheets/g089.pdf
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