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Überraschung am Ostermorgen: Wer mit der Taschenlampe an dunklen Orten sucht, übersieht dieses Osterei bestimmt nicht. Es blinkt nämlich hilfreich zurück.

Wir haben uns im Supermarkt ein großes, transparentes Ei besorgt und zu einem Elektronikprojekt für die Ostereiersuche umgebaut. Das Blink-Ei kann an dunklen Orten versteckt werden, denn es leuchtet auf, sobald es Licht von einer Taschenlampe (oder einer anderen Lichtquelle) bemerkt. So sind die vergessenen Süßigkeiten unter dem Sofa Geschichte, die sonst viel später für eine unangehme Überraschung gesorgt hätten.

Für das Ei nutzen wir eine einfache Schaltung, die mit wenigen Bauteilen auf eine Lochrasterplatine gelötet wird. Alternativ kann ein kleines Breadboard genommen werden, sodass die Teile nur noch zusammengesteckt werden müssen. Auch der Umbau auf ein sound-aktiviertes Projekt ist möglich.

Zusammenbau

Am Osterei wird zunächst vorsichtig die Folie am Perforationsstreifen von unten nach oben aufgetrennt. Anschließend kann die Folie abgenommen werden. Am Schluss kann diese nach Wunsch wieder übergestülpt und mit einem Stückchen transparentem Klebeband fixiert werden. Die beiden Gehäusehälften des Ostereis können nun auseinandergezogen werden. Hierbei hilft leichtes Drehen wie bei einem Schraubverschluss.

Die Schaltung löten wir auf einem Stückchen Lochrasterplatine mit Lötpunkten im 2,54 mm Raster. Der Fotowiderstand (LDR) sowie die LED werden abgewinkelt eingelötet, sodass diese seitlich überstehen und dann im Osterei bis ungefähr an den Gehäuserand reichen.

Damit der LDR nur aktiviert wird, wenn er direkt angeleuchtet wird, sollte ein Stück schwarzer Schrumpfschlauch übergestülpt werden. Die fertige Platine wird mit zwei Haushaltsgummis auf die 9-V-Batterie gespannt.

Die komplette Einheit wird dann auf den Gehäuseboden des Ostereis gelegt und mit Schaumstoff rundum im Gehäuse fixiert, sodass sie beim Kippen des Eis nicht verrutscht.

Beim Celebrations-Osterei befindet sich ein transparenter Schmetterling auf der Folie. Dieser kann beispielsweise als Sichtfenster genutzt werden, um den Fotowiderstand und die LED „durchschauen“ zu lassen. Dazu muss zwischen Gehäuseboden und Batterie noch zusätzlich Schaumstoff eingelegt werden, damit es von der Höhe her passt.

Nach dem Einbau der Schaltung können die Süßigkeiten oder andere Kleinigkeiten in das Osterei eingefüllt werden, bevor es dann gut getarnt in einem Versteck platziert wird und die Kinder die Suche per Taschenlampe im Dunkeln starten können. Alternativ haben wir Vorschläge gesammelt, wie das Ei mit Sound statt Licht aktiviert werden bzw. reagieren könnte.

Die Elektronik

Die Schaltung ist stromsparend aufgebaut, sodass die Stromaufnahme im Ruhezustand bei wenigen Mikroampere liegt. Es wird kein Mikrocontroller benötigt. Zentraler Bestandteil ist stattdessen ein CMOS-IC des Typs CD4093, das vier NAND-Gatter mit jeweils zwei Schmitt-Trigger-Eingängen bereitstellt. Aufgrund des breiten Versorgungsspannungsbereichs von 3 bis 18 Volt kann der Baustein direkt mit einem 9-V-Block betrieben werden, ohne dass ein Spannungsregler erforderlich ist.

Im Dunklen

Um die Schaltungsfunktion zu beschreiben, gehen wir zunächst vom Zustand in der Dunkelheit aus. Ohne Lichteinfall ist der lichtabhängige Widerstand R1 sehr hochohmig im Bereich von ca. 1 MOhm. Durch den Spannungsteiler mit dem Potentiometer (P1) ergibt sich ein Eingangspegel an IC1D, der kleiner als die halbe Betriebsspannung ist. Somit wird an beiden Eingängen (Pins 12 und 13) des NAND-Gatters ein LOW-Pegel erkannt, was zu einem HIGH-Pegel am Ausgang (Pin 11) führt. Der Kondensator C1 ist entladen, da über R2 ebenfalls ein HIGH-Pegel am anderen Pin von C1 anliegt. Am Ausgang von IC1C (Pin 10) wird also ein LOW-Pegel ausgegeben: die Diode (D1) sperrt, C2 kann sich nicht aufladen und aufgrund des LOW-Pegels über R3 am Eingangspin 2 von IC1A führt der Ausgangspin 3 einen HIGH-Pegel, sodass die LED aus ist.

Mit Licht...

Sobald nun der LDR mit ausreichend Licht angestrahlt wird, sinkt der Widerstand auf Werte unterhalb von 10 kOhm. Je nach Einstellung des Potentiometers, das die Empfindlichkeit der Schaltung festlegt, steigt die Eingangsspannung an IC1D auf Werte oberhalb der halben Betriebsspannung an, sodass ein HIGH-Pegel erkannt und der Ausgangspin auf LOW gezogen wird. Nun kann sich der Kondensator C1 über den Widerstand R2 aufladen, sodass an den Eingangspins von IC1C kurzzeitig (ca. 100 ms) eine Spannung unterhalb der halben Betriebsspannung anliegt. Dadurch geht der Ausgangspin 10 für die gleiche Zeit auf HIGH-Pegel. Durch die Schmitt-Trigger-Eingänge des CD4093 wird für eine saubere Schaltflanke mit Hysterese gesorgt. Über D1 kann sich nun der Kondensator C2 schnell aufladen und am Eingangspin 2 von IC1A wird ein HIGH-Pegel erkannt. Dadurch wird der astabile Multivibrator bestehend aus C3, R4 und IC1A freigeschaltet, sodass die LED blinkt. Aufgrund der Schmitt-Trigger-Eigenschaft des CD4093 ist für die Blinkfunktion nur ein einziges Logik-Gatter erforderlich.

... zum Blinken

Sobald der kurze Impuls durch das Aufladen von C1 beendet ist, schaltet der Ausgang von IC1C wieder auf LOW-Pegel, sodass die Diode sperrt und der Kondensator C2 über R3 langsam entladen wird. D1, C2 und R3 bilden hierbei eine Mono-Flop-Funktion. Nach einigen Sekunden ist die Spannung am Eingangspin 2 von IC1A auf einen Wert unterhalb der halben Betriebsspannung gesunken, sodass ein LOW-Pegel erkannt und der astabile Multivibrator gesperrt wird. Am Ausgang liegt dann wieder HIGH-Pegel an, d.h. die Leuchtdiode ist ausgeschaltet. Es wird also nur ein kurzer Triggerimpuls durch den Kondensator C1 geleitet, damit das Ei selbst bei Dauerbeleuchtung nicht endlos blinkt, sondern nur eine kurze Weile.

Sound-Projekte

Wir haben uns außerdem drei Varianten überlegt, wie das reaktive Osterei in Verbindung mit Sound betrieben werden könnte.

1) Zusätzliche Soundausgabe per Piezo

In der Schaltung wird das bisher ungenutzte vierte Logikgatter (IC1B) als Tongenerator genutzt und am Ausgang ein Piezo angeschlossen. Anstatt eines Dauertons erzeugen wir einen intermittierenden Ton passend zum LED-Blinken. Wenn die LED aus ist, liegt am Ausgangspin 3 des CD4093 ein HIGH-Pegel an. Würde man den Freigabepin des Tongenerators (Pin 5 des CD4093) direkt anschließen, so würde im Ruhezustand der Schaltung ein unerwünschter Dauerton erzeugt werden. Über eine weitere Inverterstufe könnte das Problem gelöst werden, allerdings haben wir kein Logikgatter mehr frei. Als Trick wird über das CR-Glied mit C4 und R6 der Tongenerator immer dann kurzzeitig freigegeben, wenn die LED von an nach aus wechselt, also beim Übergang von LOW- nach HIGH-Pegel am Ausgangspin 3. Da nur der Impuls durchgeleitet wird, gibt es bei Dauer-HIGH-Pegel am Pin 3 keinen Dauerton.

2) Auslösung durch Sound über ein Mikrofon

Doch was ist, wenn die Triggerung über Sound statt über Licht erfolgen soll? Am einfachsten ist es, ein Sound Sensor Modul zu verwenden, das es mit eingebautem Mikrofon günstig zu kaufen gibt. Üblicherweise wird eine Komparatorschaltung mit dem LM393 verwendet und je nach Ausführung ist auch eine Transistorverstärkungsstufe vorhanden, um das Signal zu verstärken. Über einen Trimmer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden, um das reaktive Osterei etwa mit einem Händeklatschen anzutriggern.

Der LM393 kann direkt mit 9V versorgt werden, sodass solch ein Modul ohne Spannungsregler an die bisherige Schaltung angeschlossen werden kann. R1 (LDR), P1 sowie IC1D entfallen, stattdessen wird an C1 der Komparatorausgang des Sound-Sensor-Moduls angeschlossen. Üblicherweise wird im Ruhezustand ein HIGH-Pegel ausgegeben, sodass durch Sound ein LOW-Pegel erzeugt und dadurch die restliche Schaltung angetriggert wird und durch LED-Blinken ein paar Sekunden lang auf sich aufmerksam macht. Wir haben dies mit einem Modul ausprobiert und konnten das Ei damit erfolgreich aktivieren.

3) Sound als Auslöser und Antwort mit LED-Blinken und per Piezo

Bei der Auslösung durch Sound könnte die Antwort auch ausschließlich durch die Tonausgabe per Piezo erfolgen. Damit wäre das reaktive Osterei komplett von „Licht“ auf „Sound“ umgestellt. Hierfür würden im Schaltplan von Variante 2 die LED und der Widerstand R5 entfallen und zusätzlich die Tonausgabe von Variante 1 hinzugefügt. Allerdings sollten folgende Punkte genau überlegt werden:

• Die Soundausgabe sollte nicht zu leise sein, damit man es aus entsprechender Entfernung wahrnehmen kann.
• Ins Osterei müssten Schalllöcher für Mikrofon und Piezo gebohrt werden.
• Die Soundausgabe darf nicht zu einer erneuten Triggerung führen, da ansonsten die Tonausgabe ständig erfolgt, anstatt nur für ein paar Sekunden.
• Denkbar wäre eine kurze laute Geräuschauslösung durch einen Knackfrosch oder kurzes Händeklatschen, sodass anschließend in der Geräuschpause gehört werden kann, ob irgendwo ein Piezo piepst.

(hch [3])

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[1] https://eckstein-shop.de/LM393-Microphone-Sound-Sensor-Detecting-Module
[2] https://www.ebay.de/itm/Sound-Schall-Gerausch-Sensor-LM393-Mikrofon-Detection-Arduino-Raspberry/183363400411
[3] mailto:hch@make-magazin.de

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