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Modellbahn-Elektronik

Tran­sis­to­ren

Mit Hilfe von Tran­sis­to­ren ist es möglich, mit einem gerin­gen Strom­fluss einen stär­ke­ren Strom­fluss zu beein­flus­sen. Der Tran­sis­tor besteht aus drei Schichten: 

  • einem Eingang, genannt Emit­ter E
  • einem Ausgang, genannt Kollek­tor C

deren Dotie­run­gen beide gleich­ge­polt sind, 

  • und dazwi­schen einer dünnen, gegen­tei­lig gepol­ten Schicht, der Basis B.
Die Symbole für Transistoren
Aufbau der Schich­ten im Transistor

Legt man an Emit­ter und Kollek­tor eine Span­nung, so passiert gar nichts, die Basis zwischen den beiden äuße­ren Schich­ten sperrt den Stromfluss.

Erst wenn an die Basis eine der Emit­ter­span­nung entge­gen­ge­setzte, geringe Steu­er­span­nung ange­legt wird, flie­ßen Elek­tro­nen über die Emit­ter-Basis-Stre­cke. Da die Basis­schicht sehr dünn ist, werden einige Elek­tro­nen vom Weg abge­lenkt, flie­ßen über den Kollek­tor ab (mitt­le­res Bild) und lösen einen Lawi­nen­ef­fekt aus, der einen wesent­lich stär­ke­ren Strom­fluss auf der Emit­ter-Kollek­tor-Stre­cke verur­sacht. Das Schau­bild zeigt die Vorgänge an einem NPN-Transistor.

Der stär­kere Strom­fluss vom Emit­ter zum Kollek­tor ist propor­tio­nal zum Basis­strom, deshalb kann mit gerin­gem Strom ein stär­ke­rer gesteu­ert werden. Wird das posi­tive Poten­tial an der Basis wieder abge­schal­tet, bricht der Strom­fluss über Emit­ter und Kollek­tor auch wieder ab.

Verstärken oder schalten?

Ursprüng­li­cher Zweck des Tran­sis­tors ist der eines fern­ge­steu­er­ten Wider­stands (Trans­mit­ting Resistor).

Der Emit­ter-Kollek­tor-Strom ist direkt propor­tio­nal zum Basis­strom, dabei reicht ein gerin­ger Basis­strom aus, um einen weit stär­ke­ren Strom­fluss auf der Emit­ter-Kollek­tor-Stre­cke zu bewir­ken. Der Tran­sis­tor ist ein Strom­ver­stär­ker, mit dem schwa­che Signale in kräf­ti­gere umge­setzt werden. Der Verstär­kungs­fak­tor, also das Verhält­nis von Basis­strom zu Emit­ter-Kollek­tor-Strom wird in Daten­blät­tern regel­mä­ßig mit dem grie­chi­schen Buch­sta­ben β bezeichnet.

Die Verstär­kungs­kurve

Aller­dings funk­tio­niert so eine Verstär­kung nicht bis ins Unend­li­che. Eine typi­sche Verstär­kungs­kenn­li­nie macht deut­lich, dass im unte­ren Basis­strom­be­reich ein linea­rer Zusam­men­hang besteht, ab einem bestimm­ten Basis­strom aber die Kenn­li­nie abflacht, bis sie paral­lel zur x‑Achse verläuft. In diesem Sätti­gungs­be­reich bringt es über­haupt nichts, den Basis­strom noch mehr zu verstär­ken, der Ausgangs­strom wird nicht größer.

Die häufigs­ten Anwen­dun­gen von Tran­sis­to­ren im Modell­bahn­be­reich finden im Sätti­gungs­be­reich statt. Er wird nicht als Verstär­ker, sondern schlicht als elek­tro­ni­scher Schal­ter eingesetzt.

Die Anwen­dungs­tech­nik unter­schei­det drei unter­schied­li­che Arten, einen Tran­sis­tor zu betrei­ben; in unse­rem Elek­tro­nik-Segment begeg­nen wir fast ausschließ­lich der Emit­ter­schal­tung, bei der der Emit­ter direkt am Versor­gungs­po­ten­tial liegt und der Verbrau­cher zwischen Kollek­tor und Gegen­po­ten­tial geschal­tet wird. Die ande­ren beiden Grund­schal­tun­gen haben ihre spezi­el­len Anwen­dun­gen, die für Modell­bahn­zwe­cke nicht weiter von Inter­esse sind.

Es gibt zwei grund­le­gende Tran­sis­tor-Fami­lien, die sich durch die Polung der drei Anschlüsse unter­schei­den. Es gibt zu nahezu jedem NPN-Tran­sis­tor einen passen­den P‑Typ mit densel­ben Leis­tungs­wer­ten, aber umge­kehr­ter Pola­ri­tät – die soge­nann­ten Komple­men­tär­ty­pen. Sie sind in anspruchs­vol­le­ren Anwen­dun­gen von Bedeu­tung, wenn es darauf ankommt, ein Tran­sis­tor­paar gemein­sam agie­ren zu lassen. Dann ist es schon wich­tig, dass beide diesel­ben Daten einschließ­lich Verstär­kung und Kenn­li­nie besitzen.

Die Pfeil­rich­tung des Emit­ter­sym­bols entspricht der tech­ni­schen Strom­fluss­rich­tung von Plus nach Minus!

Der Kreis um das Tran­sis­tor­sym­bol ist optio­nal und dient der besse­ren Erkennbarkeit.

Die häufi­ger benö­tigte Vari­ante ist NPN.

Die »gängi­gen« Tran­sis­tor­ty­pen sind für kleine Leis­tun­gen von bis zu 500 mW ausge­legt und damit geeig­net, Lampen anzu­steu­ern, auch für ein klei­nes, hoch­oh­mi­ges Plati­nen­re­lais mögen sie noch ausrei­chen, aber zum Ansteu­ern eines elek­tro­ma­gne­ti­schen Signal- oder Weichen­an­triebs sind sie zu schwach.

Für derar­tige Anwen­dun­gen gibt es Leis­tungs­tran­sis­to­ren, die sich nicht nur in den Werten, sondern auch in der Bauform erheb­lich von ihren klei­nen Brüdern unter­schei­den. In Schal­plä­nen werden sie übli­cher­weise mit doppel­ten Kollek­tor­li­nien gekenn­zeich­net, häufig sind auch die norma­len, einfa­chen Tran­sis­tor­sym­bole zu finden. Das »Darlington«-Symbol ganz rechts ist selten anzutreffen.

Bei den Baufor­men von Leis­tungs­tran­sis­to­ren ist zunächst zu bemer­ken, dass sie augen­fäl­lig größer sind als Kleinleistungstypen.

Ein versteck­ter Unter­schied ist jedoch, dass ihre außen liegen­den metal­le­nen Gehäu­se­teile mit einem der drei Anschlüsse verbun­den sind, meist mit dem Kollek­tor. Die hutför­mi­gen Leis­tungs­tran­sis­to­ren weisen gar keinen sepa­ra­ten Anschluss für den Kollek­tor aus, nur Emit­ter- und Basis­an­schluss ragen unten aus dem Gehäuse.

Wärme ableiten!

Leis­tungs­tran­sis­to­ren können bei hoher Belas­tung empfind­lich warm werden, so warm, dass die Halb­lei­ter­schich­ten im Innern gefähr­det wären.

Für solche Fälle soll der Tran­sis­tor auf ein wärme­ab­lei­ten­des Blech montiert werden, das die Ober­flä­che vergrö­ßert und so die Wärme besser abführt. Es gibt zu den verschie­de­nen gehäu­se­for­men unter­schied­li­che Ausfüh­run­gen von Kühl­kör­pern, auch für Kleinleistungstransistoren.

Die beste Wärme­ab­lei­tung bietet natür­lich das Gehäuse, in dem die Schal­tung einge­baut ist, doch wegen der Verbin­dung mit dem Kollek­tor bedarf es einer Isola­tion. Die Zube­hör­in­dus­trie bietet spezi­elle Isolier­sätze an, mit denen eine wärme­lei­tende Verbin­dung ohne elek­tri­sche Kompli­ka­tio­nen möglich ist.

Der typi­sche Einsatz von Tran­sis­to­ren im Modell­bau­me­tier ist die Emit­ter­schal­tung, bei der der Emit­ter die Eingangs­span­nung liefert und am Kollek­tor der Verbrau­cher hängt.

Wich­tig ist bei der Emit­ter­schal­tung, dass niemals die Basis unge­schützt mit Kollek­tor-Poten­tial in Verbin­dung gebracht werden darf, das würde zu einem Durch­bruch führen und der Tran­sis­tor signa­li­sierte mit einem Rauch­zei­chen seinen Exitus. Der Basis-Vorwi­der­stand RB ist also exis­ten­zi­ell, wenn der Tran­sis­tor aufge­steu­ert werden soll!

Emitterschaltung invertiert Eingangssignal

In der Abbil­dung der Emit­ter­schal­tung ist zu erken­nen, dass beim NPN-Tran­sis­tor posi­ti­ves Basis-(Eingangs-)potential in nega­ti­ves Poten­tial am Kollek­tor (Ausgang) umge­wan­delt wird. Beim PNP-Tran­sis­tor ist das umge­kehrt: nega­ti­ves Basis-(Eingangs-)potential ergibt ein posi­ti­ves Ausgangspotential.

Wir haben deshalb niemals Probleme, wenn wir zur Ansteue­rung einer Schal­tung ein bestimm­tes Poten­tial brau­chen, aber die vorhe­rige Stufe der Schal­tung nur deren Gegen­teil hergibt. Einfach ein Tran­sis­tor in Emit­ter­schal­tung dazwi­schen gehängt, schon klappt’s mit der Polung.

Pull-up und Pull-down

Führt man den Gedan­ken mit der Inver­tie­rung fort, gelangt man zu der Erkennt­nis, dass nur dann inver­tiert wird, wenn ein passen­des Eingangs­po­ten­tial an der Basis anliegt. Oft genug aber ist das, was an der Basis eines Tran­sis­tors oder am Eingang einer Logik­schal­tung ankommt, nicht so eindeu­tig, wie eigent­lich gewünscht – hier mal ein klei­ner Kriech­strom, dort ein undeut­li­cher Span­nungs­pe­gel, schon können wir nicht mehr sicher sein, was wohl passie­ren wird und was da am Kollek­tor ankommt. Selbst wenn diese Fehler­ströme nur wenige µA betra­gen, können sie als Basis­strom schon eini­ges Unheil anrich­ten, denn am Kollek­tor kommt dieser Strom dann um einen nicht unbe­deu­ten­den Faktor verstärkt an. Nehmen wir nur den simp­len BC 547, der einen Basis­strom bis zum 900-fachen verstär­ken kann!

Gezielt einge­setzte Wider­stände sorgen für klar defi­nierte Zustände, indem im Ruhe­zu­stand der Basis ein gerin­ges Sperr­po­ten­tial zuge­führt wird, bei NPN-Tran­sis­to­ren muss das nega­tiv sein, bei PNP-Tran­sis­to­ren posi­tiv. Mit solchen Pull-down- oder Pull-up-Wider­stän­den sperrt der Tran­sis­tor sicher, solange kein ausrei­chen­des Schalt­po­ten­tial über den Basis­wi­der­stand ankommt. Der Pull-Wider­stand sollte mindes­tens das Doppelte des Basis­wi­der­stands betra­gen, dann erfüllt er seinen Zweck, ohne dass der Tran­sis­tor zu unemp­find­lich wird. In der Modell­bahn-Elek­tro­nik sind 2 bis 47 kΩ als Basis-Wider­stand und 100 kΩ als Pull-Wider­stand durch­aus probate Werte.

Auch auf der Ausgangs­seite kann man schon für nach­fol­gende Schalt­stu­fen Vorsorge tref­fen und dort Pull-up-Wider­stände bei NPN und Pull-down-Wider­stände bei PNP vorse­hen, um aus einem Ausgangs­si­gnal ein zwischen plus und minus wech­seln­des zu machen.

Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter

Wie bei der Diode gibt es auch beim Tran­sis­tor einen festen Span­nungs­ab­fall, der unab­hän­gig von der Betriebs­span­nung und der Belas­tung des Tran­sis­tors ist. Zwischen Basis und Emit­ter stellt sich immer eine Span­nung von 0,7 V ein.

Über­brückt man diesen Span­nungs­ab­fall, entste­hen beson­dere Effekte:

Wenn die Basis direkt mit dem am Emit­ter anlie­gen­den Poten­tial verbun­den wird, ist die Poten­ti­al­dif­fe­renz von 0,7 V kurz­ge­schlos­sen, es findet kein Strom­fluss statt.

Emit­ter­po­ten­tial direkt an der Basis wirkt als Sperr­po­ten­tial für die Emitter-Kollektor-Strecke..

Dieses Sper­ren des Tran­sis­tors findet man häufig in der Schalt­lo­gik und wird bei der Modell­bahn gern zur Erzeu­gung der Signal­bil­der angewandt.

Verbin­den wir Basis und Emit­ter nicht direkt, sondern über ein Bauteil mit ande­rem Span­nungs­ab­fall, versucht der Tran­sis­tor die Diffe­renz zu 0,7 V auszu­glei­chen. Diese Eigen­schaft sorgt so für einen konstan­ten Stromfluss.

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Kipp­schal­tun­gen lassen sich sowohl mit Tran­sis­to­ren als auch aus darauf spezia­li­sier­ten Inte­grier­ten Schal­tun­gen reali­sie­ren. Für den IC NE 555 sind hier zum Vergleich die Plati­nen­ent­würfe dargestellt. 

Das Flipflop (Bistabiler Multivibrator)

Zugbe­tä­tigte Schal­ter z. B. geben nur kurze Impulse ab. Wollen wir das abge­ge­bene Signal für längere Zeit erhal­ten, weil damit viel­leicht eine Block­stre­cke gesperrt werden soll, müssen wir es spei­chern. Mit einem Flip­flop lassen sich bestimmte Ereig­nisse »merken«, bis es wieder in den neutra­len Zustand zurück­ver­setzt wird. Als Flip­flop kommt auch ein bi­sta­biles Relais in Betracht, das von einem Kontakt gesetzt und von einem ande­ren Kontakt zurück­ge­setzt wird.

Zwei Flip­flops, links mit NPN‑, rechts mit PNP-Transistoren

Nach­dem Sie eine solche Schal­tung an die Strom­ver­sor­gung ange­schlos­sen haben, wird eine der beiden Leucht­di­oden leuch­ten. Nur eine, niemals beide gleich­zei­tig. Der Ausgang auf der Seite mit der leuch­ten­den LED ist nega­tiv, weil der Tran­sis­tor dieser Seite leitet. Der Tran­sis­tor der Gegen­seite sperrt, weil das nega­tive Poten­tial über den Wider­stand R1 bzw. R2 an dessen Basis gelangt.

Die Schal­tung ist voll symme­trisch; deshalb kann man nicht vorher­sa­gen, welche der beiden LED beim Einschal­ten aufleuch­tet. Das ist von viel­fäl­ti­gen Einfluss­fak­to­ren abhän­gig, zum Beispiel von der Streu­ung der Bautei­le­to­le­ran­zen, von Über­gangs­wi­der­stän­den in den Anschlüs­sen oder Lötstel­len, ja sogar Ihr bioelek­tri­sches Feld kann Einfluss darauf nehmen, wenn Sie eine Hand nahe an die Schal­tung halten.

In der Fach­spra­che heißt dieser Grund­zu­stand, dass das Flip­flop „nicht gesetzt“ ist. Dabei handelt es sich um eine völlig freie Defi­ni­tion, je nach­dem, welche Seite Sie als die primäre definieren.

Zum Umschal­ten sind in der Schal­tung zwei Taster vorge­se­hen, bezeich­net mit S1 und S2. Um das Flip­flop umzu­schal­ten, müssen wir den Taster auf der akti­ven Seite betä­ti­gen. Damit erhält die Basis des leiten­den Tran­sis­tors direk­ten Kontakt mit Minus und sperrt. Die LED erlischt, liefert nun aber posi­ti­ves Poten­tial an die gegen­über­lie­gende Basis, welche darauf­hin durch­schal­tet, den dorti­gen Ausgang mit Minus-Poten­tial versorgt und diese LED aufleuch­ten lässt. Die Schal­tung ist „gekippt“ und bleibt auch so, wenn der Taster losge­las­sen wird.

Erst ein Druck auf den Taster der nun akti­ven Seite lässt den eben beschrie­be­nen Vorgang spie­gel­ver­kehrt ablau­fen, das Flip­flop kippt zurück. Mehr­fa­ches Trig­gern auf dersel­ben Seite ändert nichts am Zustand des Flipflops.

Mit dem Flip­flop sind wir in der Lage, mit Hilfe zweier unter­schied­li­cher Eingangs­in­for­ma­tio­nen zwei entge­gen­ge­setzte Schalt­zu­stände und damit Infor­ma­tio­nen zu spei­chern. Treten an die Stelle der Taster vom Zug ausge­löste Schal­ter, die nega­tive Schalt­im­pulse liefern, lässt sich damit eine Block­stre­cke steu­ern: Fährt ein Zug in den Block­ab­schnitt ein, setzt er das für diesen Blocks zustän­dige Flip­flop. Verlässt er den Block, setzt er das Flip­flop des nächs­ten Blocks und setzt dasje­nige des verlas­se­nen Blocks zurück. Alle Folge­run­gen aus diesen Fest­stel­lun­gen lassen sich dann über die Kollek­tor-Ausgänge veran­las­sen, also Signale setzen, Zwangs­brem­sung nach­fol­gen­der Züge veran­las­sen etc.

Grundstellung bestimmen

Etwas ärger­lich ist, dass man beim Einschal­ten der Strom­ver­sor­gung vorher nie genau sagen kann, ob das Flip­flop denn nun gesetzt oder nicht gesetzt sein wird. Doch hier ist leicht Abhilfe möglich. Ein klei­ner 10nF-Konden­sa­tor paral­lel zu einem der Schal­ter kann einen siche­ren Einschalt­zu­stand verur­sa­chen, weil er sich beim Hoch­fah­ren der Anlage auflädt und so für den sonst vom Schal­ter erzeug­ten Impuls sorgt.

Der geringe Platz­be­darf spricht eindeu­tig zuguns­ten der IC-Lösung, jedoch verfügt diese nur über einen Ausgang.

Unschlag­ba­rer Vorteil der Lösung mit dem bista­bi­len Relais bleibt aller­dings dessen »Merk­fä­hig­keit« über das Abschal­ten des Stroms hinaus.

Die Tran­sis­tor-Schal­tung dage­gen ist flexi­bler und lässt sich als Teil einer komple­xen Schal­tung leich­ter an irgend­wel­chen freien Stel­len der Platine unter­brin­gen. Sind höhere Leis­tun­gen zu schal­ten, können die Tran­sis­to­ren direkt durch Leis­tungs­tran­sis­to­ren ersetzt werden.

Auch wenn Sie die Leucht­di­oden an den Ausgän­gen nicht benö­ti­gen, soll­ten Sie sie einbauen, denn sie liefern Ihnen die Kontroll­in­for­ma­tion, welchen Zustand das Flip­flop gerade hat. Das gilt auch für die IC- und Relais-Lösung.

Das Eine-Taste-Flipflop

Manch­mal wird gewünscht, mit nur einer Taste ein Flip­flop abwech­selnd ein und wieder auszuschalten.

Deren Einsatz­mög­lich­kei­ten sind eigent­lich recht selten, denn siche­rer sind in den meis­ten Fällen fest defi­nierte Bedin­gun­gen für das Setzen oder Rück­set­zen einer Kipp­stufe. Diese Eine-Taste-Lösun­gen erzeu­gen bei mir immer die „Märk­lin-Asso­zia­tion“, weil man bei den Wech­sel­strom­loks auch nie so genau weiß, in welche Rich­tung sie sich beim Aufdre­hen des Fahr­reg­lers in Bewe­gung setzen werden. Ebenso ist es beim Eine-Taste-Flip­flop: War es jetzt gesetzt und ich setze es zurück? Oder umgekehrt?

Manch­mal kann eine solche Schal­tung durch­aus auch nütz­lich sein; deshalb hier ein Schal­tungs­vor­schlag für ein Eine-Taste-Flipflop:

Maßgeb­lich für die Wirkung eines Tasten­drucks (Set oder Reset) ist der aktu­elle Lade­zu­stand des Konden­sa­tors. Der wiederum ist abhän­gig von der aktu­el­len Lage des Flip­flops. Sperrt T1, kann sich der Konden­sa­tor C aufla­den (a). Wird er über den Taster S entla­den (b), öffnet er T1, was zum Kippen der Schal­tung führt.

Ist C entla­den ©, leitet der nächste Tasten­druck Minus vom entla­de­nen Konden­sa­tor an die Basis von T1, die Schal­tung kippt zurück (d), C kann sich wieder aufladen.

Das Monoflop (Monostabiler Multivibrator)

Die Kipp­stufe namens Mono­sta­bi­ler Multi­vi­bra­tor, kurz Mono­flop genannt, kippt nach Zeit­ab­lauf selbst zurück. Es besitzt nur eine stabile Ruhe­lage, aus der sie durch äußere Einflüsse gebracht werden kann. Nach Ablauf einer Frist kippt das Mono­flop von sich aus wieder in den Grund­zu­stand zurück. Man kann es mit einem Trep­pen­haus­licht verglei­chen, das durch Knopf­druck einge­schal­tet wird und nach einem Zeit­ab­lauf wieder erlischt.

Im Ruhe­zu­stand sperrt der Tran­sis­tor, denn seine Basis erhält nega­ti­ves Poten­tial über R2. Bei einem Druck auf den Taster S wird der Tran­sis­tor aufge­steu­ert (fach­sprach­lich: Die Kipp­stufe wird gesetzt.), die LED leuch­tet, der Ausgang wird nega­tiv und der Konden­sa­tor C kann sich aufla­den. Lässt man den Taster los, erlischt die LED nicht sofort, denn der Tran­sis­tor erhält posi­ti­ves Basis­po­ten­tial vom Konden­sa­tor, bis dieser sich über RB und R2 entla­den hat.

Ein sehr wich­ti­ger Fakt ist dabei, dass ein erneu­tes Betä­ti­gen des Tasters die Verweil­zeit des Mono­flops neu star­tet, weil der Konden­sa­tor wiederum gela­den wird. Diese Eigen­schaft nennt man »nach­trig­ger­bar«.

Eine Vari­ante der mono­sta­bi­len Kipp­schal­tung, die im Aufbau eng mit den Flip­flops korre­spon­diert, zeigt die folgende Abbil­dung. Im unge­setz­ten Status leitet T1, denn seine Basis wird über R1 aufge­steu­ert, und LED1 leuch­tet. Ausgang Q erhält nega­ti­ves Poten­tial von T1. Der Elko kann sich über LED2 und den Emit­ter-Basis-Strom von T1 aufladen.

Bei einem Druck auf den Taster wird über den Konden­sa­tor die Basis von T1 nega­tiv ange­steu­ert, T1 sperrt, die Schal­tung kippt: LED1 erlischt, Ausgang Q ist nicht mehr nega­tiv, sondern wird über LED1 und deren Vorwi­der­stand in Pull-up-Funk­tion positiv.

Der Taster und T2 sind paral­lel geschal­tet, das bedeu­tet, dass nach Loslas­sen des Tasters T2 dessen Funk­tion über­nimmt und die Schal­tung im gesetz­ten Zustand hält. Damit kann sich der Konden­sa­tor weiter über T2 entla­den. Ist er jedoch entla­den, erhält T1 wieder posi­ti­ves Basis­po­ten­tial von R1 und die Schal­tung kippt zurück.

Die Dauer des gesetz­ten Zustands ist von zwei Fakto­ren abhän­gig: der Kapa­zi­tät des Elkos und dem Wider­stand R1, denn dieser ist verant­wort­lich für die Stärke des Entla­de­stroms während der gesetz­ten Phase. Mit der Formel t = 0,7 × R1 × C lässt sich die Verweil­zeit eines Mono­flops annä­hernd berech­nen. Dabei ist als Start der Zeit­punkt des Drückens des Tasters maßgeb­lich, nicht des Loslas­sens, denn mit dem Kippen über­nimmt bereits T2 die Funk­tion des Tasters, sodass es für den weite­ren Ablauf uner­heb­lich ist, was sich dort abspielt. Ledig­lich wenn Sie den Taster über das Ende der Verweil­zeit hinaus gedrückt halten, kann die Schal­tung nicht zurück kippen. Bei dieser Mono­flop-Vari­ante ist kein Nach­trig­gern möglich.

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Hart schalten mit dem Schmitt-Trigger

Beim Trig­gern von Kipp­schal­tun­gen wird „hart“ geschal­tet, also mit einem Tasten­druck von Null auf volle Poten­ti­al­stärke umge­schal­tet. In der Elek­tro­nik hat man es aber häufig auch mit weichen Span­nungs­ver­läu­fen zu tun, bestes Beispiel ist die sinus­för­mige Wech­sel­span­nung aus dem Strom­netz. Benö­tigt man harte Poten­ti­al­sprünge, um eindeu­tige Schalt­zu­stände zu errei­chen, bedient man sich einer weite­ren Kipp­schal­tungs-Vari­ante, nach ihrem Erfin­der Schmitt-Trig­ger genannt.

Anstelle von Set- und Reset-Schal­tern tritt beim Schmitt-Trig­ger der Span­nungs­ver­gleich an der Basis von T1, im Beispiel durch einen Span­nungs­tei­ler des Poti P mit R2 substi­tu­iert. Ändert sich das Basis­po­ten­tial, wird bei einer bestimm­ten Span­nung T1 durch­schal­ten und die Schal­tung kippen lassen.

Wird die Span­nung wieder redu­ziert, kippt die Schal­tung nicht sofort zurück, sondern erst nach Errei­chen einer bestimm­ten Poten­tial-Unter­grenze, die nicht mit der Einschalt­schwelle iden­tisch ist! Der Tran­sis­tor verfügt über ein gewis­ses Behar­rungs­ver­mö­gen, nach­dem er erst mal durch­ge­schal­tet hat. Die Diffe­renz zwischen Einschalt- und Ausschalt­schwelle wird Hyste­rese genannt.

Mit dem Schmitt-Trig­ger haben wir eine Möglich­keit, konti­nu­ier­lich ablau­fende Span­nungs­ver­än­de­run­gen an der Basis von T1 in harte Recht­eck­im­pulse umzu­wan­deln, die am Ausgang immer ganz klare Plus- oder Minus-Signale erge­ben, wie sie zum Beispiel in digi­ta­len Anwen­dun­gen benö­tigt werden.

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Bleibt gesetzt bis zum Abschalten: der Thyristor

Das elek­tro­ni­sche Pendant zum selbst­hal­ten­den Relais ist die Thyristorschaltung.

Die beiden Tran­sis­to­ren behin­dern sich gegen­sei­tig. Weil im Grund­zu­stand keiner der beiden leitet, ist auch keine der beiden Basen leit­fä­hig. Verbin­den wir jedoch die Basis von T2 durch den Taster S2 mit posi­ti­vem Poten­tial, leitet T2. Damit gelangt nega­ti­ves Poten­tial zur Basis von T1 und steu­ert diesen auf, wofür der dank­bare T1 posi­ti­ves Poten­tial an die Basis von T2 schickt. Auch wenn der Taster schon wieder geöff­net ist, bleibt dieser Zustand erhalten.

Die Schal­tung ist selbst­hal­tend, solange die Versor­gungs­span­nung anliegt. Erst das Öffnen von S1 lässt den Strom­fluss zusam­men­bre­chen. Schließt man S1 wieder, passiert nichts, solange nicht mit S2 getrig­gert wird.

Die beiden Tran­sis­to­ren zu einem Bauteil zusam­men­ge­fügt, erge­ben den Thyris­tor. Der Steuer-Eingang wird hier mit Gate bezeich­net, die beiden äuße­ren Anschlüsse heißen Anode (+) und Kathode (-).

Durch den Einsatz eines Thyris­tors anstelle der Konstruk­tion mit zwei Tran­sis­to­ren wird beim Aufbau auf Plati­nen nicht allzu viel gewonnen.

Anstelle der Schal­ter können auch zwei Tran­sis­to­ren die Schal­tung ergän­zen. Die LED nebst Vorwi­der­stand über­nimmt dann zusätz­lich Pull-Up-Funk­tion für die Basis des Reset-Tran­sis­tors T2, um außer­plan­mä­ßi­ges Abschal­ten zu verhindern.

Sollen strom­hung­rige Verbrau­cher damit geschal­tet werden, muss neben dem Ausgangs­tran­sis­tor T4 auch T2 als Leis­tungs­typ ausge­legt sein.

Wich­tig: Thyris­to­ren neigen leider zu Funk­stö­run­gen beim Zünden. Die Ersatz­schal­tung aus diskre­ten Bautei­len dage­gen ist störungs­tech­nisch unbedenklich.

Der Oszillator (Astabiler Multivibrator), auch »Blinkschaltung« genannt

Egal, ob nur eine Lampe vor sich hin blinkt oder zwei im Wech­sel blin­ken, die dafür erfor­der­li­chen Schal­tun­gen sind diesel­ben, man lässt für den einfa­chen Blin­ker halt eine Lampe/​Leuchtdiode weg und ersetzt sie durch einen passen­den Wider­stand. Im Folgen­den werden deshalb nur Wech­sel­b­lin­ker beschrie­ben, wie sie z. B. am Bahn­über­gang zum Einsatz kommen.

Diese Schal­tun­gen kann natür­lich nicht nur Leucht­di­oden betrei­ben. Anstelle von LED und Vorwi­der­stän­den lassen sich belie­bige andere Verbrau­cher wie Lampen schal­ten. Sollte es sich dabei um verbrauchs­starke Abneh­mer handeln, müssen Sie die Klein­leis­tungs­tran­sis­to­ren gegen Leis­tungs­ty­pen austauschen.

Nehmen wir an, beim Einschal­ten leite T1. Damit erhält T2 nega­ti­ves Basis­po­ten­tial über C1, bis sich C1 über R1 aufge­la­den hat. Mit Errei­chen der Lade­span­nung von C1 erhält die Basis von T2 posi­ti­ves Poten­tial und T2 schal­tet durch. Das nega­tive Poten­tial am Kollek­tor von T2 gelangt über C2 auch zur Basis von T1 und sperrt diesen. Damit hat C2 nun Gele­gen­heit, sich aufzu­la­den. Ist die Lade­span­nung von C2 erreicht, schal­tet T1 wieder durch und sperrt T2. Und so geht das immer weiter, hin und her, bis jemand den Strom abschaltet.

Die Leucht­di­oden blin­ken dabei im Gegen­takt. Somit ist diese Minischal­tung schon für einen Bahn­über­gang geeignet.

Wich­tigs­ter Fakt für die Blink­fre­quenz sind die beiden Konden­sa­to­ren und die Wider­stände R1 und R2.

Sind die beiden Wider­stände und Konden­sa­to­ren gleich groß, verein­facht sich die Formel auf die untere Fassung.

Bei gleich großen frequenz­be­stim­men­den Bautei­len auf beiden Seiten der Schal­tung schwingt der Oszil­la­tor symme­trisch. Wenn gewünscht, können natür­lich auch unter­schied­li­che Einschalt­pha­sen der beiden Tran­sis­to­ren erzielt werden durch unter­schied­li­che Werte der Bauteile.

Blinkstopp

Es gibt Situa­tio­nen, in denen sich Blin­ken, Dauer­licht und gar nicht leuch­ten abwech­seln, zum Beispiel bei Hl- und Ks-Signal­bil­dern. Abschal­ten geht durch Tren­nen von der Betriebs­span­nung einfach, aber auch Dauer­licht ist ohne großen Aufwand möglich: Wird die Basis eines der Tran­sis­to­ren direkt mit Minus verbun­den, sperrt dieser, sein Licht bleibt dunkel. Der andere Tran­sis­tor aber leitet stän­dig, die Schal­tung oszil­liert nicht mehr, das Licht auf dieser Seite leuch­tet perma­nent. Beim Öffnen der Verbin­dung Basis-Minus nimmt die Kipp­schal­tung ihre Arbeit wieder auf.

Gele­gent­lich anzu­tref­fende alter­na­tive Darstel­lung des Oszillators
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