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Ein Monoflop mit Transistoren

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Wer eine Treppenhausbeleuchtung bauen will, ist vor ein Problem gestellt. Die Lampen sollen nach dem Drücken für eine Zeit lang anbleiben, auch wenn der Drücker gar nicht mehr gedrückt wird. Dann soll aber das Licht nach einer voreingestellten Zeit wieder von selbst ausgehen, damit die Stromrechnung nicht unnötig hoch wird.

Das wirft gleich mehrere Probleme auf: Wie kriegen wir den Schalter wieder auf, wenn die Zeit abgelaufen ist? Und wie kriegen wir das ganze bei 230 Volt Netzwechselspannung geschaltet, wo unsere Transistoren nur Gleichspannung können und auch nur so bis 40 oder 100 Volt?

Das erste Problem könnten wir mechanisch lösen: wir kleben einfach ein sehr dickflüssiges Harz an den Schalter. Wird der dann geschlossen, klebt er eine Weile im Zu-Zustand und löst sich erst ganz langsam wieder und fällt, von einer Feder getrieben, irgendwann wieder ab. Nicht lachen: so wurde das tatsächlich früher gemacht. Dass das Harz im Sommer schneller seine Klebekraft verliert, weil es wärmer ist, und im Winter dafür umso länger kleben bleibt, war noch das geringste Problem dieser Lösung.

Eine mögliche andere Lösung hatten wir schon: den Transistorschalter von hier. Nur: das Gezappel am Ende des An-Impulses dürfte die Treppenhaus- Beleuchtung übel nehmen, da muss was besseres her. Und so dicke Elkos für 20 oder 25 Sekunden Ladedauer sind auch nicht so schön.

Die Schaltung hier macht einen steilen Impuls sowohl beim An- als auch beim Abschalten.

Und das Problem mit der niedrigen Spannung am Transistor und dem nötigen Netzanschluss der Treppenhausbeleuchtung lösen wir mit einem elektronischen Trick genannt Relais. Das kommt aus dem Französischen und heißt so viel wie Umsetzer: Mit den 12 Volt werden 230 Volt ein- und ausgeschaltet.

Die Schaltung

Monostabile Kippstufe So was hier nennt man eine monostabile Kippstufe. Monostabil deshalb, weil sie nur einen stabilen Zustand kennt (Beleuchtung aus) und nach eine Weile wieder diesem Zustand entgegenstrebt, wie die Feder im Harzschalter.

Im Normalfall leitet der linke Transistor und der rechte sperrt. Die LED am rechten Transistor ist aus, der Elko ist voll geladen. Wird die Taste kurz betätigt, dann kippt der Monoflop und beide Transistoren sind im umgekehrten Zustand. Die LED ist jetzt an. Dann entlädt sich der Elko langsam wieder. Ist der voll entladen, kippt die Kippstufe wieder um. Die Zeit, die der Elko zum Entladen braucht, bestimmt die Zeitdauer.

Die Schaltung kann sowohl mit 9 als auch mit 12 Volt betrieben werden. Die Betriebsspannung hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Zeitdauer.

Die Schaltstufe

Schaltstufe mit Relais Wer tatsächlich eine Treppenhausbeleuchtung damit betreiben möchte, benötigt eine Relaisstufe. Das hier ist so eine.

Sie wird zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors und der positiven Betriebsspannung zu der LED mit ihrem Vorwiderstand dazu geschaltet. Geht die LED an, dann kriegt die Magnetspule im Relais Strom, der Magnet zieht die beiden Kontakte an und schaltet die Relaiskontakte um. An den beiden Relaiskontakten, die im eingeschalteten Zustand geschlossen sind, sind die 230V-Lampen angeschlossen. Die leuchten dann, solange das Relais Strom kriegt.

Die Leistungsdiode 1N4001 ist dringend nötig. Wenn das Relais Strom hatte und dieser vom Transistor plötzlich abgeschaltet wird, dann ist der Magnet noch voll geladen. Die darin gespeicherte Energie muss jetzt irgendwohin. Findet sie keinen Ausweg, steigt die Spannung an den Magnetanschlüssen auf einige Hundert bis Tausend Volt an, in umgekehrter Richtung. Das würde die maximale Sperrspannung des kleinen Transistors bei weitem überschreiten, und der brennt jetzt einfach mal durch. Das wäre dann ein Einzel-Schuss (engl. One-shot) im wahrsten Sinne des Wortes: einmal abgeschaltet und für immer kaputt. Die Diode leitet Spannung in umgekehrter Richtung einfach mal durch sich durch und sorgt für einen geordneten Abfluss der gespeicherten Energie.

Warnzeichen W012 Wer das mit der Relaisschaltung tatsächlich so macht wie im Schaltbild gezeigt, muss wissen, dass bei unsachgemäßem Umgang mit der Netzspannung Lebensgefahr droht. Einer der beiden 230V-Leiter ist mit der Erde verbunden, der andere hat 230V Wechselspannung gegen die Erde. Schon dessen Berührung löst einen lebensgefährlichen Strom durch den Körper aus, wenn man mit Füßen oder der anderen Hand nicht so arg gut gegen die Erde isoliert ist. Oder sei es auch nur, weil man mit seinem wasserhaltigen Körper eine kleine Kapazität zur Erde hin bildet. Schon bei 14 Nano-Farad Kapazität fließen bei 50 Hz Wechselspannung so schon 1 mA durch den Körper. Und schon ab da beginnt es ungesund zu werden, weil der Strom unsere empfindlichen Nervenzellen, die auch mit elektrischem Strom arbeiten, ein wenig durcheinander wirbelt. Da bleibt schon mal das Herz stehen, wenn es Durcheinander signalisiert kriegt und wir sterben den schnellen Herztod.

Die Netzspannung ist zwar mit einer Sicherung gegen Überstrom abgesichert, die löst aber meistens erst bei 16 A aus und 230V * 16A = 3,68 kW machen ganz schön viel Wärme, sodass so ein schönes 3-Familienhaus davon gerne entzündet und ein Raub der Flammen werden kann. Und: Sicherungen können auch versagen. Dann kämpft so ein Kurzschluss mit dem örtlichen Elektrizitätswerk, und das gewinnt im Zweifel immer den Kampf.

Also ist es nötig, immer die nötige Sorgfalt an den Tag zu legen, wenn man mit Netzspannung experimentiert. Lieber alle Ratschläge des VDE (Verein Deutscher Elektriker) zum Berührungsschutz einhalten und immer mit dem Schlimmsten rechnen (abbene Leitungen können ganz schön in der Gegend herum vagabundieren und so ganz nebenbei und wenn man gerade nicht zu Hause ist den einseitigen Kampf mit dem Elektrizätswerk aufnehmen)!

Die Bauteile

Die Bauteile gibt es im Versandhandel, z. B. bei Reichelt oder bei Conrad.

Die Transistoren BC547

Transistor BC547B Das ist der wohlbekannte Transistor, für einen Monoflop brauchen wir davon zwei Stück.

Die LED

LED rot 5mm Und das ist die wohlbekannte LED.

Der Widerstand 680Ω

Widerstand 680 Ohm Das ist der Widerstand mit 680 Ohm.

Der Widerstand 4k7

Widerstand 4k7 Und das ist der Widerstand mit 4,7 Kilo-Ohm.

Die Widerstände 10k

Widerstand 10k Das ist einer der beiden Widerstände mit 10 Kilo-Ohm.

Die Widerstände 47k

Widerstand 47k Und das ist einer der beiden Widerstände mit 47 Kilo-Ohm.

Der Elko 680µF

Elko 680uF Elko 680uF Das ist der Elko mit 680 Mikrofarad. Sein Plus-Anschluss ist länger und der Minus-Anschluss ist gekennzeichnet. Niemals verkehrt herum anschliessen, sonst exblodiert der der.

Der Taster

Taster So was ist ein Taster, mit angelöteten Anschlussdrähten.

Das Relais

Relais von oben Relais von unten Das ist ein Relais, hier mit zwei EIN-Kontakten.

Die Leistungsdiode 1N4001

1N4001 Das ist die Leistungsdiode 1N4001. Der weiße Kragen ist die Kathodenseite.

Aufbau der Schaltung

Monoflop-Aufbau 1 Monoflop-Aufbau 2 So wird der Monoflop aufgebaut.

Noch ein Hinweis: Hat man die Schaltstufe, das Relais, nicht angeschlossen, dann scheint die Schaltung nach Ablauf der Zeit nur ganz langsam auszugehen. Das ist aber nur darauf zurück zu führen, dass der Elko nur sehr langsam über die LED aufgeladen wird. Ist das Relais angeschlossen, dann geht die LED ganz schnell aus. Will man nur die Leuchtdiode ohne das Relais betreiben, kann man das schnellere Umschalten mit einem hohen Strom durch einen parallel vom Kollektor nach Plus geschalteten Widerstand erreichen. Dazu muss man ca. 100 mA fließen lassen, also mit einem Widerstand von
R = (12 - 0,2) / 0,1 = 118 [Ohm]
Ein 120Ω-Widerstand lässt die LED schneller erlöschen. Da der nicht dauerhaft Strom zieht, nur solange das Licht an ist, ist der zusätzliche Verbrauch hinnehmbar.

Wie es funktioniert - Relais

Es gibt unzählige Bauarten von Relais. Relais 1 von oben Relais 1 von unten Das ist ein 2 mal UM: das Magnetfeld schaltet zwei Kontakte um. Welche das sind, findet man mit dem Ohmmeter heraus.

Relais 2 von oben Relais 2 von unten Das ist ebenfalls ein 2 mal UM, aber es ist bistabil.

Relais 4 von unten Das ist ein 1 mal UM.

Die Auswahl des richtigen Relais ist eine Wissenschaft für sich. Schaltet man rein Ohm-sche Lasten, wie z. B. LEDs, dann ist es noch einfach. Schon beim Schalten von Glühbirnen ist Vorsicht angesagt: die haben im kalten Zustand wenig Widerstand und können beim Einschalten bei 90 oder 270° kurzzeitig sehr viel mehr Strom ziehen. Noch schlimmer wird es bei induktiven Lasten, wie. z. B. Elektromotoren. Die sind weniger beim Ein- als beim Ausschalten zickig, weil da Überspannungen auftreten. Das kann rasches Altern der Relaiskontakte zur Folge haben und kann dazu zwingen, die Last elektroniscch zu schalten (beim Nulldurchgang der Wechselspannung).

Wie es funktioniert - Monoflop

Monostabile Kippstufe, stabil Und der monostabile Flipflop geht so. Über den linken oberen 47kΩ-Widerstand kriegt der linke Transistor Basisstrom und seine Kollektor-Emitterstrecke leitet den Strom, der durch den 4,7kΩ-Widerstand von Plus fließt, an das Minus der Betriebsspannung. An seinem Kollektor liegt dann nur eine kleine Restspannung von ca. 0,2 Volt. Da die Basis des zweiten Transistors jetzt sowohl über den rechten unteren 47kΩ-Widerstand auf Minus liegt als auch über den 10kΩ-Widerstand an 0,2 V liegt, kriegt er keinen Basisstrom (Spannung an der Basis kleiner als 0,65 Volt) und leitet daher nicht. Der Kollektor liegt deshalb, um die Duchlassspannung von 2 V über der LED verringert, bei plus 10 Volt, wenn die Betriebsspannung bei 12 Volt liegt. Auf jeden Fall lädt sich der Elko auf, denn sein Minuspol liegt an +0,65 Volt (der Basisspannung des linken Transistors) und sein Pluspol an +10 Volt. Weiter passiert nun erst mal gar nix.

Monostabile Kippstufe, Taste Bis jemand den Taster kurzschließt. Dann kriegt die rechte Basis etwas Strom, denn zwischen Plus und der Basis des rechten Transistors fließen über den 10kΩ-Widerstand
IPlus = (12 - 0,65) / 10 = 1,135 mA
während über den rechten unteren 47kΩWiderstand nur
I47k = 0,65 / 47 = 0,014 mA
und über den linken 10kΩ-Widerstand zum Kollektor des linken Transistors nur
I10k = (0,65 - 0,2) / 10 = 0,045 mA
zusammen also nur 0,059 mA abfließen. Die Differenz beträgt
IB = 1,135 - 0,014 - 0,045 = 1,076 mA
und die fließen durch die Basis und machen die Kollektor-Emitter-Strecke des rechten Transistors jetzt leitend, d.h. sie ziehen den rechten Kollektor auf +0,2 V herunter.

Monostabile Kippstufe, flop Das bringt nun aber die Plus-Seite des vollgeladenen Elkos von 680 µF von seinen vorher +10 Volt nun aber schlagartig auf +0,2 Volt, also um 9,8 niedriger. Da er vorher auf +10 - 0,65 = 9,35 Volt aufgeladen war, hat seine Minusseite nun 0,65 - 9,8 = -9,15 Volt. Diese sehr niedrige Spannung, weit unterhalb von +0,65 V, schaltet nun aber den Basisstrom des linken Transistors aus, und damit sperrt auch dessen Kollektor-Emitter-Strecke. Die Kollektorspannung steigt damit auf +12 Volt an und jetzt liefert die Reihenschaltung aus 4,7kΩ und 10kΩ auch noch zusätzlich einen Strom von
I4k7+10k = (12 - 0,65) / 14,7 = 0,772 mA
Davon fließen 0,045 mA über den 47kΩ-Widerstand nach Minus ab, aber 0,727 mA flie&ßen in die Basis des rechten Transistors. Der kann damit ca.
ICE = IBE * hFE = 0,727 * 300 = 218 mA
Kollektorstrom antreiben. Selbst wenn also der Taster wieder losgelassen wird, liefern die beiden Widerstände genug Basisstrom, um den rechten Transistor im leitenden Zustand zu halten.

Real fließen durch den Kollektor des rechten Transistors nun
ICE2 = (UB - UCE-Sat - ULED) / RLED = (12 - 0,2 - 2,0) /0,68 = 14,4 mA
Das könnte nun so weitergehen, wenn nicht der linke obere 47kΩ-Widerstand wäre: er füttert jetzt den Elko an. Und zwar zuerst mit einem Strom von anfänglich
ILade = (12 - (-9,15)) / 47 = 0,45 mA
Das lädt den Kondensator langsam auf, seine Spannung am Minuspol steigt von -9,15 Volt langsam an. Je weiter der Elko geladen wird, sinkt der Ladestrom etwas ab, weil die Spannungsdifferenz zu +12 V ständig etwas kleiner wird, zuletzt sind es nur noch 0,241 mA, also etwa halb so viel. Das bedingt eine abnehmende Ladekurve.

Erreicht der Ladeprozess an der Minusseite des Elkos 0,65 V, dann kippt der Flipflop wieder, denn dann kriegt die linke Basis wieder Strom, die linke CE-Strecke wird leitend und die Spannung am Kollektor geht auf +0,2 V herab. Dadurch versiegt nun aber der Basisstrom des rechten Transistors, denn der wird ja aus der Kollektorspannung des linken Transistors über den 10kΩ-Widerstand gespeist. Das lässt dann aber die Spannung am Kollektor des rechten Transistors nach oben auf +10 V schnellen. Weil der Elko mit seiner Plusseite vorher auf 0,2 V lag, mit seiner Minusseite an +0,65 V, ist der praktisch ungeladen. Da seine Plusseite jetzt von +0,2 auf 10 V ansteigt, wird er nun ziemlich schlagartig geladen. Der Ladestrom fließt dabei in die Basis des linken Transistors und steigert deshalb dessen Durchsteuerung schlagartig.

Spannungen am Monoflop Damit ist nun wieder der Asgangszustand der Kippstufe erreicht und es tut sich weiter gar nix. Bis wieder jemand auf den Taster drückt, dann geht das Kippspiel von vorne los. Das Diagramm zeit die Basisspannungen (linke Skala, blaue Kurven) und die Kollektorspannungen (rechte Skala, rote Kurven) der beiden Transistoren bei einem nach einer Sekunde ausgelösten Kippvorgang. Die etwas durchgebogene Ladekurve des Elkos an der Basis des ersten Transistors zeigt die Abnahme des Ladestroms mit der Zeit.

Die Dauer, über die der Monoflop floppt, ergibt sich aus
  1. dem linken oberen Widerstand (hier: 47kΩ), und
  2. dem Elko (hier: 680µF).
Die 20 Sekunden ergeben sich aus
t [s] = 0,69 * R [Ω] * C [F]
Allerdings sollte der Elko nicht so arg viel größer sein als hier, weil er sonst beim schnellen Laden die Basis zerstören könnte. Aber nur, wenn der Kollektor des zweiten Transistors eine sehr hohe Last schalten muss. Der Peak-Base-Current ist beim BC547 mit 200 mA angegeben, größer darf der Strom durch die LED plus der durch das Schaltrelais nicht werden, sonst geht die Basis beim flippen des Monoflops kaputt.


©2020 by Gerhard Schmidt