Das universelle Relais-Schaltmodul, Teil 1

Es gibt zahlreiche Aufgaben, die üblicherweise mit einem Relais gelöst werden. Nur eine davon ist das sog. Stromstoß-Relais, das über einen einzelnen Taster abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Da man meist nur ein normales Relais hat, muss eine geeignete Schaltung entwickelt werden.

Die Entwicklung dieser Schaltung und einer Platine zu diesem Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Elektronik-Shop Emsdetten (www.elektronik-shop-emsdetten.de). Dort tauchte die Idee erstmals auf, da Kunden oft nach einer solchen Platine fragen. Alles soll auf der Basis eines üblichen Kammrelais mit zwei Umschaltkontakten aufgebaut werden.

Grundprinzip des Stromstoßrelais

Außer der Grundfunktion eines Stromstoßrelais sollen noch weitere Funktionen ermöglicht werden, damit eine Platine möglichst vielseitig verwendet werden kann. Unter anderem sollte eine direkte Steuerung durch einen PC, durch ELEXS oder durch das CompuLAB-Interface möglich sein

Hier das vorläufige Pflichtenheft:

Kammrelais mit 2 Umschaltkontakten
Betrieb an 6 V oder 12 V
Höchste Störsicherheit
Sicherheitsabstände für Betrieb an 230 V
Universelle Einsatzmöglichkeiten
Steuerung auch durch einen PC
Platine in Industriequalität

Die Grundfunktion ist das Stromstoßrelais. Beliebig viele Tastschalter können an einer Doppelleitung angeschlossen werden. Jeder Druck auf eine Taste schaltet den aktuellen Zustand um. Für diese Aufgabe soll nun eine geeignete Schaltung gesucht werden.

Ein Transistor-Flipflop

Die Grundlage für das Schaltmodul ist eine Kippschaltung, auch Flip-Flop genannt. Die Transistorschaltung zeigt ein einfaches Flipflop mit einer Gleichspannungs-Rückkopplung und insgesamt drei Tastschaltern. Es handelt sich zunächst um ein RS-Flipflop mit einem Taster für Reset (Aus) und einen für Set (An). Zusätzlich befindet sich am Eingang der gewünschte Anschluss für den Umschalt-Taster. Entscheidend ist hier die Funktion des Elkos. Er lädt sich immer auf die Kollektorspannung auf, solange der Taster noch nicht gedrückt ist. Am Kollektor ist aber die Spannung dann hoch, wenn die Basisspannung klein ist und umgekehrt. Es wird also immer der gegenteilige Zustand der momentanen Schaltstellung gespeichert und bei Anforderung auf die Basis übertragen. Dabei entsteht ein kurzer Impuls, der die Schaltung umkippen lässt.

Ein Transistor-Flipflop

Die Schaltung wurde diesmal mit einem Kosmos-Baukasten aufgebaut und getestet, weil das schneller geht als Löten.

Alles funktioniert wie geplant. Am Ausgang könnte man nun ein Relais anschließen. Allerdings kommen bald erste Zweifel auf, ob so die endgültige Lösung aussehen kann.

Der Startzustand der Schaltung ist unbestimmt, nach dem Einschalten könnte der Ausgang an oder aus sein.
Der Eingangstaster liegt weder an der Betriebsspannung noch an Masse, man könnte also niemals mehrere Schaltungen mit gemeinsamen Drähten verwenden.
Der Eingang liegt ungeschützt an der Basis. Wenn hier versehentlich Spannung angelegt wird, brennt der Transistor durch.
Die Schaltung ist nicht sehr störsicher. Größere elektromagnetische Impulse können sie umkippen lassen.
Der Aufwand an einzelnen Bauteilen erscheint relativ hoch.

Probeaufbau

Der erste Versuch ist also gut, um das Prinzip zu verstehen. Für die endgültige Lösung müssten jedoch noch zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden. Da scheint es besser, wenn man nach einer digitalen Schaltung sucht, die diese Aufgabe lösen kann. In die engere Wahl kommt die CMOS-Reihe 40xx, weil diese ICs mit Betriebsspannungen zwischen 3 V und 15 V arbeiten. Der zweifache JK-Flipflop-Baustein CD4027 erscheint ideal für die Aufgabe.

Das JK-Flipflop 4027

Die Grundschaltung mit dem 4027 ist bestechend einfach. Und sie funktioniert auch auf Anhieb. Aber leider auch noch nicht ganz perfekt.

Die beiden Eingänge R und S lassen sich problemlos bedienen. Nur mit dem Takteingang gibt es Probleme: Jeder Taster prellt beim Schalten einige Male hin und her, das Flipflop schaltet dabei jedesmal um, welcher Zustand am Ende stehen bleibt, ist Zufall. Also, eine Entprellung muss entwickelt werden.

Man kann zum Test ein CompuLAB an die Eingänge anschließen und dabei sogar noch die Widerstände weglassen. Die Betriebsspannung sollte 5 V sein und vom CompuLAB entnommen werden. Nun funktioniert auch die Umschaltung wie geplant, denn die Ausgänge des CompuLAB prellen nicht.

Fazit: Für den endgültigen Einsatz muss die Schaltung noch verbessert werden. Nötig ist eine Entprellung des Takteingangs und außerdem ein besserer Schutz für die CMOS-Eingänge.

Grundfunktionen des 4027