Umschaltlogik

Es gibt viele Möglichkeiten, eine Umschalteinheit zu bauen. Ob das nun ein Drehschalter, ein Tastenaggregat oder eine Logik sei.
Die Umschaltlogik hat den Vorteil, dass man sie bisweilen den Grössen-Bedürfnissen anpassen kann. Dies aber meist nur dann, wenn man nicht auf fertige Konzepte zurückgreift, sondern die Logik aus einzelnen Bauteilen zusammenfügt.
Würde man eine solche Logik rein diskret (Transistoren usw.) aufbauen, ergäbe dies sehr schnell ein riesen Ding. Mit dem nachfolgenden Konzept lassen sich grosse Umschalteinheiten relativ einfach herstellen. Die eigentliche Schaltung wird dabei von Relais vorgenommen, was bei kleinen Pegeln und der Verwendung von Reed-Relais vorteilhaft ist. Diese zeigen praktisch nie Aussetzer, was man von fast allen anderen Umschaltern nicht behaupten kann.

Einige Vorbemerkungen zum nachfolgenden Konzept:
Die Speisung erfolgt mit 12V, wobei auch die OPV asymmetrisch betrieben werden. Das Plus liegt an der Speisung, das Minus des IC an Masse.
Die Schaltung ist mit einfachen CMOS-IC aufgebaut. Wichtig ist, dass diese IC nicht direkt eingelötet sondern gesockelt werden. CMOS sind auf elektrostatische Ladungen sehr empfindlich und daher ist es unumgänglich, zuerst die Schaltung zu verdrahten und zu löten, bevor die Bausteine eingesetzt werden.

Die Logik setzt sich aus einzelnen Tasten-Flipflops zusammen und aus einer gemeinsamen Auslöse- und Verriegelungseinheit.

Das Schaltbild zeigt die erste Tasteneinheit [1]. Sie bildet aus dem NAND (4011) und dem Schmitt-Trigger (40106) einen bistabilen Flipflop. Der obere NAND-Eingang ist normalerweise über die 12k hochgelegt. Nur beim Einschalten zieht der 1 Mikrofarad-Kondensator diesen Punkt gegen Masse. Der Kondensator wird geladen (ca. 10ms) und gibt danach das NAND frei. Durch dieses anfängliche Tieflegen dieses Eingangs wird der Flipflop in den definierten Aus-Zustand gebracht.
Da dies natürlich für alle FF gelten soll, sind alle entsprechenden NAND-Eingänge verbunden und an diesen Einschalt-Reset gekoppelt.

Zur Funktion dieses (ersten) Flipflop:
Durch den Einschalt-Reset wird der obere Eingang tief gelegt. Damit liegt der NAND-Ausgang hoch und der nachfolgende S.TR, den wir nur als Inverter nutzen, liefert somit tief am Ausgang. Über die 100k wird dieses Tief an den unteren NAND-Eingang gelegt, sodass sein Ausgang definitiv auf Hoch bleibt. Nach der Einschaltphase ist zwar der obere Eingang hoch, jedoch der untere (vom S.TR-Ausgang her) tief und damit bleibt das NAND in seiner Stellung.
Wird nun über die Taste und die Diode ein Plus an den unteren Eingang gelegt (der obere ist ja schon hoch), so sind beide Eingänge hoch und das NAND liefert Tief am Ausgang, sodass nach dem Inverter ein Hoch anliegt. Durch die 100k bleibt dieses Hoch am unteren Eingang erhalten, auch wenn die Taste nicht mehr gedrückt ist.
Und liegt ein Hoch am Ausgang des 40106, so wird der nachfolgende Darlington-Treiber leitend und das (hier nicht eingezeichnete) Relais schaltet.

Beim grau unterlegten Flipflop ist alles genau gleich, nur dass hier der 12k fehlt, welcher den oberen Eingang gegen Plus zieht. Er ist nicht nötig, weil alle diese Eingänge über den ersten und einzigen Widerstand an Plus liegen.
Dafür habe ich hier jeweils die Speisung und die Masse der IC eingezeichnet, sowie das Ausgangsrelais.
Normalerweise wird parallel zum Relais eine Schutzdiode eingebaut, um die Induktionsspitzen abzuleiten. Dies ist hier nicht nötig, weil der ULN 2004 solche Dioden eingebaut hat. Darum muss der als Com. bezeichnete Anschluss mit der Relaisspeisung verbunden werden.

An dieser Stelle ist zu bemerken, dass die IC-Aufteilung nicht ganz optimal ist. Das NAND ist pro IC 4 mal vorhanden, der S.TR 6 mal und im ULN sind 7 Open Collecor untergebracht. Man kann natürlich einen 4011, einen 40106 und einen ULN auf einen Print montieren und damit eine 4er Einheit bauen. Oder man baut eine Achter-Einheit. Am sinnvollsten ist es natürlich, eine 12er Einheit zu planen. Da braucht man drei NAND, zwei S.TR und zwei ULN. Wenn man etwas Übung hat (oder ein gutes Routerprogramm) bekommt man die Logik mit den 12 Eingängen, den 12 Ausgängen, Masse, Speisung und Reset auf eine Europakarte mit einem ganz normalen 32 PIN Kartenstecker. Und es ist problemlos möglich (gute Masseführung, gut abgeblockte Speisung vorausgesetzt), weitere solche 12er Einheiten zu einem Block von bis zu 60 Tasten zusammenzufügen.

Wenn man also irgend so ein Umschaltproblem hat, kann man sich ja mal das nötige Layout zusammenzimmern...
Die Relais würde ich ohnehin auf eine separate Karte aufbringen. Da kann man die Signalwege dann den Bedürfnissen entsprechend optimal führen.

Ebenso sind die Tasten eine eigene Einheit, zu welcher auch die 2 Dioden pro Taste und der 12k-Widerstand gehören.

Das eigentliche Herz der ganzen Schaltung ist der untere Teil mit den zwei OPV und dem Transistor.

Betrachten wir zuerst einmal den OPV 1.
Sein Invers-Eingang liegt über die beiden 47k auf halber Speisung. Zusätzlich gibt es den Gegenkopplungswiderstand, welcher der Schaltung eine Grundverstärkung von gut 2 verleiht.
Ist keine Taste gedrückt, haben wir am Noninvers null Volt über die 12k gegen Masse. Der nachgeschaltete 100k ist ein Schutzwiderstand, da im IC die beiden Eingänge durch antiparallele Dioden verbunden sind. Daher sind die Messwerte unmittelbar am IC nicht mit meinen Angaben identisch. Aber zum besseren Verständnis vergessen wir die interne Verkoppelung.
Da wir am Noninvers 0 haben und am Invers +6, geht der Ausgang auf Null.
Wenn wir jetzt eine Taste drücken, so haben wir die getastete Plusspannung über 12k und Diode und an diesem Punkt 12k gegen Masse. Somit haben wir rund die halbe Spannung an beiden Eingängen (Die Diifferenz durch die Diodenspannung von der Taste her haben wir mit einer Diode vor dem Speise-Widerstand 47k gelöst). Dies ergibt auch am Ausgang eine Spannung von 6V.
Drücken wir 2 oder mehr Tasten, so steigt die Spannung am Noninvers an und durch die Verstärkung von OP 1 liefert dieser am Ausgang 12V.

Die Ausgangsspannung von OPV1 wird nun über zwei Wege genutzt. Einmal wird diese Spannung über einen Kondensator auf die Basis des Transistors geführt. Der Kondensator wird dabei geladen. Während dieser Ladezeit wird der Transistor leitend und zieht somit die Reset-Leitung aller FF gegen Masse. Alle FF "klinken" somit aus. Sobald der Kondensator geladen ist, sperrt der Transistor wieder und somit kann der FF, bei welchem die Taste gedrückt ist, "einklinken".

Wird versehentlich mehr als eine Taste gedrückt, so ist das Ausgangssignal von OPV1 höher als 8V. Dieses Ausgangssignal wird einem zweiten, invertierenden OPV zugeführt. Ist also keine Taste gedrückt, liegt an OPV1 0V. Bei einer gedrückten Taste sind es rund 6V und bei mehreren Tasten mindestens 9V. Der zweite OPV wird am Noninvers mit einer Spannung von gut 8V versorgt. Damit liegt sein Ausgang im Ruhefall hoch. Da er eine Verstärkung von ca. 10 hat, ist sichergestellt, dass sein Ausgang bei einer Eingangsspannung zwischen 0 und 7V sicher 12V sein wird. Erst, wenn der Ausgang des OPV 1 über 9V ist, kippt OPV2 und liefert 0V, sodass er die Reset-Leitung dauerhaft auf Tief zieht. Es ist daher gar nicht möglich, zwei Relais gleichzeitig zum Anziehen zu bringen.

Richi

Ja, das wäre denkbar, aber dann können wir auch normale Reedrelais mit Spule verwenden und einen normalen Stufenschalter.
Hier geht es aber um eine Tastenlogik, deren Tasten nicht mechanisch haltend sind, die aber eine "Haltend" Funktion und eine gegenseitige Auslösung und eine gegenseitige Verriegelung aufweisen.
Wenn man die mechanischen Tasten auslösend und verriegelt bauen kann, dann kann man damit auch einen Magneten bewegen und somit Reedkontakte schalten lassen. Aber weil wir hier ein "elektronisches" Forum sind und keines für Uhrmacher habe ich halt die elektronische Lösung gewählt