1x Ein oder Um Taster-Relais Schaltung mit CMOS-Logik

In Zeiten von billigen Microcontrollern sind CMOS-Logiken für Steueraufgaben fast in Vergessenheit geraten. Dabei ermöglichen sie den schnellen Aufbau einfacher zuverlässiger Steuerungen oft ohne zusätzliche Versorgungsspannungen generieren zu müssen, da sie mit bis zu 18V versorgt werden können.

Sie können über mechanische Taster, µController und Fernbedienungs-Signalen gesteuert werden. Für unsere Anwendungen reichen in der Regel die einfachen Bausteine der CD-4000 Reihe aus, z.B. die Bausteine CD-4013, CD2027 und CD-4098.

Bild 1  blau: Tasterpuls - hellblau: Schaltspannung Transistor - grün:  Pulser-Versorgungsspannung - rot u. magenta:  Spulenströme
Bild 1 blau: Tasterpuls - hellblau: Schaltspannung Transistor - grün: Pulser-Versorgungsspannung - rot u. magenta: Spulenströme

Die Schaltung in Bild 1 bedient sich eines CD4027B, einer CMOS-Logik mit zwei unabhängigen J-K FlipFlops. Her ist nur eine Hälfte des CD4027B dargestellt.

Ein FlipFlop ändert mit jedem Tastendruck (Tin) seinen Ausgangszustand.

Über seinen Q-Ausgang kann das FlipFlop Transistorschaltungen ansteuern, die wiederum Relais mit ausreichend Steuerstrom versorgen.

Funktionsweise:

Beim Einschalten sorgen die auf gnd (low) geschalteten Set- und Reset-Eingänge (S und R) das der Ausgang Q low ist und Q high.

Sind die Eingänge J und K ebenfalls auf gnd gezogen, dann schaltet jeder positive Puls an CP die Ausgänge um.

R1 und C1 legen den Eingang des FlipFlops sicher auf gnd. C1 hat dabei die Funktion mechanisches Tasterprellen zu unterdrücken, sodas IC1 einen Tasterdruck sicher erkennen kann.

Wird der Taster betätigt wird ein kurzer positiver Puls auf den CP Eingang gegeben.

Q schaltet auf high, Q auf low.

R2 steuert die Basis eines nachgeschalteten NPN-Transistors auf, C3 ´entschärft´ die steile Schaltflanke ein wenig.

Möchte man ein monostabiles Relais verwenden (L1, z.B. ein Panasonic TXS2-12) muss dieses nur vom Kollektor von Q1 zur positiven Betriebsspannung geschaltet werden.

Die Schutzdiode D1 killt Spannungspitzen beim Abschalten des Relais.

Monostabile Relais benötigen einen dauernd fliessenden Erregerstrom

Selbsthaltende Relais dagegen benötigen nur kurze Strompulse zum Umschalten

Das macht sie für Audioschaltungen interessant, weil stromlos, erfordert jedoch etwas mehr Schaltungsaufwand.

Es gibt sie in zwei Ausführungen als 1-spulig selbsthaltend und 2-spulig selbsthaltend.

Im 1-spulig selbsthaltenden Relais kommt eine einzelne Erregerspule zum Einsatz, die zum Umschalten kurze Strompulse mit wechselnder Polarität benötigen.

Der Unterschied im 2-spuligen selbsthaltenden Relais ist eine zweite unabhängige Spule, die den phasengedrehten Stromuls erzeugt. Hier beschreibe ich die Schaltung für 1-spulige selbsthaltende Relais. Gab es früher spezielle integrierte Schaltungen für diese Anwendung, muss man heute wieder auf diskreten Aufbau gehen.

Steuert der Schalttransistor Q2 auf dann schaltet der PNP-Transistor Q3 die Betriebsspannung auf die Pulser-Schaltung für das Relais (RELO).

Über R5 gespeist zeigt LED1 den Schaltzustand an.

Beim Einschalten erzeugt die Schaltung aus D2, D3, R4, Q4 und C4 einen kurzen Strompuls, der das Relais L2  (z.B. ein Panasonic TXS2-L-12) einschaltet. Beim Ausschalten erzeugt die Schaltung einen weiteren Strompuls aber mit umgekehrtem Vorzeichen und schaltet das Relais wieder zurück.

Dabei bestimmt C4 die Breite und Höhe des Strompulses, also die Energie, die im Puls steckt und muss gegebenenfalls an das Relais angepasst werden.

In Fig. 1 betragen die Versorgungsspannungen des CD4027B 5V und des Relais 12V. Da die CMOS-Logiken über einen grossen Bereich an Versorgungsspannungen von ca. 4-18V funktionieren und es Relais in verschiedenen Nennspannungen gibt, kann die Schaltung auch aus anderen und gemeinsamen Versorgungen betrieben werden. Im Fall einer gemeinsamen 12V Versorgung sollte dann R2 auf ~10kΩ vergrössert werden.

Zum Schluss sei angemerkt, das der CD4027B natürlich zwei Relais unabhängig voneinander steuern kann.

Falls ungenutzt sollten die offenen Pins der zweiten Logik im Bausteion auf gnd gelegt werden.