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Grund–, Speicher– und Zeitschaltungen

Grundschaltungen

Bei der Entwicklung eigener elektronischer Schaltungen werden Sie immer wieder gleichen Aufgaben begegnen. Es ist daher sinnvoll, solche Aufgaben mit einer möglichst kleinen Zahl unterschiedlicher Bauelemente zu vereinheitlichen.

Einige Grundschaltungen wurden schon auf den voran gegangenen Seiten beschrieben, so unter anderem die Kollektorschaltung und die Emitter–Folgeschaltung von Transistoren. Beide werden hier noch einmal gezeigt.

Weitere grundsätzliche Schaltungen finden Sie auf den folgenden Seiten.

Beachten Sie bitte, dass zum Betrieb fast aller elektronischen Schaltungen eine stabilisierte und geglättete Stromversorgung benötigt wird. Informationen hierzu finden Sie bei Bauteile: Spannungsregler und Stromversorgung. Die folgenden Schaltungen werden (sofern nicht anders angegeben) mit 12 Volt Gleichspannung betrieben.

Abschnitte dieser Seite:

 

Vorwiderstand für eine LED berechnen

„Normale” Leuchtdioden (kurz LED für englisch „Light Emitting Diode”) dürfen einen Strom von maximal 15 bis 20 milliAmpère aufnehmen und haben eine Durchlass–Spannung von 1,6 bis 2,1 Volt. Daneben gibt es noch Low CurrentLED, die nur 2 bis 5 mA (je nach Typ) bekommen dürfen. In Katalogen wird zuweilen der zulässige Strom, zuweilen die Spannung angegeben, manchmal beides. Rote, grüne und gelbe LED haben meist unterschiedliche Durchlass–Spannungen.

Es sei nun angenommen, dass eine LED mit 2 V und 15 mA in einem Stromkreis mit 12 VDC betrieben werden soll. Wie groß muss der Vorwiderstand sein, damit die LED nicht zuviel Strom bekommt? Im Spannungsteiler - der ja hier vorliegt - ist der Strom überall gleich groß, also auch am Vorwiderstand. Hier hilft das Ohm'sche Gesetz.

Von den 12 V werden 2 V abgezogen, es bleiben 10 V.
R = U ÷ I = 10 ÷ 0,015 = 666,7 .

Der nächst höhere verfügbare Widerstandswert ist 680 . Die LED hat nun rechnerisch einen Widerstand von (12 V ÷ 0,015 A) - 680  = 800 minus 680  = 120 .

Der Stromfluss durch die LED beträgt I = U ÷ R, I =V ÷ 120 , also 0,0167 A.

Wenn die Betriebsspannung der LED nicht bekannt ist, sondern nur der zulässige Strom (zum Beispiel bei einer Infrarot–Sendediode 100 mA, „IF”), ergibt sich für den gesamten Stromkreis ein Widerstand von R = 12 V ÷ 0,1 A = 120 .

Der Vorwiderstand sollte also etwas kleiner und so bemessen sein, dass mindestens 1,6 V für die Sendediode zur Verfügung stehen. Die Spannungs–Differenz zu 12 V beträgt 10,4 V. R = 10,4 V ÷ 0,1 A = 104 .

Mit einem Wert von 100  wird die Diode vielleicht noch nicht ihre volle Leistung abgeben, aber auch nicht beschädigt. Achtung: Die typische Durchlass–Spannung für IRLED liegt allerdings nur bei 1,1 bis 1,3 V. Der Vorwiderstand sollte bei 100 mA dann eher 120  betragen.

 

Lasten lokal schalten / Masse

Gerade bei weitläufigen Anlagen - oder solchen in größeren Maßstäben - können erhebliche Leitungslängen zusammen kommen. Dicke Kabel kosten mehr Geld und benötigen mehr Platz. Daher kann es oft sinnvoll sein, die eigentliche Last lokal zu schalten beziehungsweise zu regeln. Das kann über Relais oder Transistoren geschehen.

Es leuchtet ein, das durch die gegenüber dem zu schaltenden Strom sehr viel kleineren Spulen– oder Basisströme auch nur dünnere Leitungen benötigt werden.

Es macht außerdem Sinn, die Schaltungen stets so anzulegen, dass für Signalleitungen stets nur die „gemeinsame Masse” verwendet wird. Diese Systemmasse (die nicht zwangsläufig einem Minuspol entsprechen muss!) wird auch GND für englisch „Ground abgekürzt.

Das Bild zeigt ein Stromversorgungs System für eine analog betriebene Eisenbahn in Baugröße II(m). Vier verschiedene Transformatoren mit teils erheblichen Leistungen stellen den Fahrstrom, eine positive und negative Weichenspannung, eine Versorgung für elektronische Schaltungen, eine für Wechselstromverbraucher und eine für Beleuchtungen zur Verfügung. Die oberen vier Ausgänge haben eine gemeinsame Masse, die dementsprechend auch nur eine (allerdings sehr dicke) Leitung benötigt.

Der entscheidende Vorteil dabei ist, dass Verbraucher gegen diese Masse geschaltet werden können („Massekompatibel” sind), obwohl ihre Stromversorgung aus verschiedenen Quellen stammt.

Beim Zusammenschluss der Ausgänge von Transformatoren wie hier gezeigt müssen Sie auf Phasengleichheit achten. Messen Sie dazu mit einem Vielfach–Messgerät den Spannungsunterschied zwischen den Polen, die Sie zusammenschalten möchten (oder den anderen, wenn Sie schon zwei zusammen geschlossen haben). Im obigen Beispiel müssen zwischen dem roten (oberen) Ausgang der Versorgung W1 und dem blauen (unteren) von W2 24 Volt Differenz sein.

Ist das nicht der Fall, vertauschen Sie eine der Zuleitungen von einem der Transformatore.

 

Umwandlung von Signal–Potenzialen

Ein Signal zur Ansteuerung elektronischer Schaltungen führt bei Masse–kompatiblen Systemen Minus–Potenzial. Damit kann aber die Basis eines NPN–Transistors, wie er zum Schalten eines Ausgangs ideal ist, nicht angesteuert werden.

Die Lösung dafür ist entweder ein vorgeschalteter PNP–Transistor oder ein Inverter.

Das Bild zeigt beide Beispiele. Im oberen Bereich stellt der PNP Transistor das nötige positive Potenzial für die Basis des Ausgangs–NPN–Transistors zur Verfügung. Das ergibt zwangsläufig eine enorme Stromverstärkung, deswegen ist diese Version eigentlich besser als die zweite. Wichtig sind hier die Pull up– und Pull down–Widerstände.

Wird ein negatives Signal am Eingang des unteren Beispiels angelegt, wird dem linken NPN–Transistor der Basisstrom entzogen. Er sperrt. Dadurch erhält der rechte Transistor Basistrom und schaltet durch. Da hier beide Transistoren prinzipiell in Ruhelage durchschalten und ansonsten gesperrt werden, erübrigen sich die Pull down–Widerstände.

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Darlington–Schaltung

Gelegentlich sind besonders hohe Stromverstärkungen nötig. In diesen Fällen wird die sogenannte Darlington–Schaltung von Transistoren eingesetzt.

Zwei oder auch mehr Transistoren werden so zusammengeschaltet, dass der Emitter des ersten die Basis des nächsten treibt. Die Kollektoren sind zusammen geschaltet.

Die Stromverstärkung einer solchen Konstruktion ist das Produkt aus den Verstärkungen der einzelnen Transistoren.

Das zweite Bild des Abschnitts zeigt zwei Beispiele, oben als Schalter und unten als Regler. Solche Darlington–Paare gibt es auch als integriertes Bauteil, sogenannte NDAR– (NPN) beziehungsweise PDAR–Transistoren (PNP), in verschiedenen Leistungsstufen. Diese sind jedoch meist nur als Regler zu verwenden, da besonders die stärkeren Typen integrierte Freilauf–Dioden haben. Unten sind die internen Schaltbilder von zwei 125 W–Typen zu sehen, dem TIP140 (NDAR) und TIP145 (PDAR).

Interne Schaltbilder und äußeres Aussehen der Darlington–Transistoren TIP 140 und TIP 145. [ ± ].

 

Verzögerung / R/C–Glieder

Widerstand–Kondensator–Glied.
[ ± ].  [ b ].

Kondensatoren können elektrische Energie speichern. Das kann dazu dienen, einen Zustand (fast) statisch zu erhalten (wie bei einer Programmierungs–Variable).

In Kombination mit einem Widerstand kann sich der Kondensator nur langsam auf– beziehungsweise entladen. Diese Situation ist hier im Bild zu sehen. Wird der Schleifer des Potentiometers R1 ganz in Richtung Versorgungsspannung gedreht, wird diese auch am Mittelabgriff bereit stehen. Der Kondensator C kann sich jedoch nur über Widerstand R2 aufladen. Er wird dem Spannungsanstieg also nur langsam folgen, bis am Ausgang rechts auch die volle Spannung erscheint.

Analog dazu wird am Mittelabgriff von R1 die Spannung sofort 0 Volt werden, wenn der Abgriff ganz Richtung Masse gedreht wird. Der Kondensator kann die gespeicherte Energie jedoch nur über R2 (oder einen angeschlossenen Verbraucher) abgeben und wird sich langsam entladen.

Die sogenannte R–Zeit ist diejenige, die vergeht, bis sich der Kondensator auf 2/3 der Versorgungsspannung aufgeladen hat. Sie wird berechnet mit t = 1,1 × R × C. Für R werden eingesetzt. Wenn für C MicroFarad (µF) benutzt werden, muss das Ergebnis noch mit 0,000001 multipliziert beziehungsweise durch 1.000.000 geteilt werden.

An den Ausgang der hier gezeigten Schaltung können natürlich kaum Lasten angeschlossen werden. Er ist aber ideal geeignet, um eine NPNDarlington–Endstufe zu treiben, da der Strom an der Basis des Eingangs–Transistors nur minimal sein muss. So eine Schaltung ist im großen Schaltplan abgebildet.

 

Lade–Schaltung für Kondensatoren

Hochkapazitive Kondensatoren können als Energiepuffer dienen, beispielsweise in Modelleisenbahn–Triebfahrzeugen zur Überwindung stromloser oder schmutziger Gleisabschnitte. Größere „Elkos” und besonders Gold Caps erzeugen jedoch einen recht großen Ladestromstoß. Das ist sehr unerwünscht, da solche Stromspitzen beim Einschalten der Versorgungsspannung die Sicherungen überlasten können.

Um das zu vermeiden, wird eine Lade– beziehungsweise Entladeschaltung vorgesehen, wie sie im Bild dieses Abschnitts zu sehen ist.

Der Pluspol des Kondensators oder der in Serie geschalteten Gold Caps wird über einen passend dimensionierten Vorwiderstand mit der Versorgungsspannung UV verbunden. Dieser Widerstand muss genug Leistung für den zu erwartenden Ladestromstoß haben - zumindest kurzfristig. Im Fall von digital betriebenen Gartenbahnen dürfen es ruhig Typen mit 4 oder 5 Watt sein.

Dimensionieren Sie den Widerstandswert nicht zu klein: Bei mehreren Triebfahrzeugen und Wagen mit gepufferter Beleuchtung können trotzdem beachtliche Ströme zusammen kommen. Ein guter Startpunkt für Versuche sind zum Beispiel 47 Ohm.

Bei Gold Caps ist ein 20 Volt–Spannungsregler mit eingebauter Strombegrenzung besser und sicherer als ein Ladewiderstand.

In Entladerichtung wird der Ladewiderstand mit einer Diode überbrückt, die mit der Kathode Richtung Plus parallel zu dem Ladewiderstand angeordnet wird. Die Diode sollte bei Gartenbahn–Triebfahrzeugen mit konventionellen Motoren eine 3 Ampère-Type sein, beispielsweise 1N5400. Besser sind allerdings Schottky–Dioden. Erstens reagieren sie schneller, und zweitens beträgt ihr Spannungsabfall nur etwa 0,3 statt 0,6 Volt.

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