Dauerkalender

Dämmerungsschalter mit CD4093BE

Bei der integrierten Schaltung CD4093BE handelt es sich um einen Logik-Baustein, nicht die erste Wahl bei Konstruktion eines Dämmerungsschalters. Hier würde man seine Aufmerksamkeit eher einem Komparator widmen. Doch CD4093BE verfügt über eine Eigenschaft, die ihn für eine solche Aufgabe durchaus prädisponiert macht. Der Logikbaustein verfügt über vier NAND-Gatter, die mit Schmitt-Trigger-Schaltungen angereicht wurden.

Beim Schmitt-Trigger einfach betrachtend handelt es sich um einen Schalter, der zwei Schaltpunkte hat. Bei einer Schaltschwelle schaltet er ein bei anderer aus. Die Schaltdifferenz zwischen beiden Schaltschwellen wird als Hysterese bezeichnet. Der Aufbau stellt sicher, dass der Schalter um die Schwellen herum sicher schaltet. Darüber hinaus, was ebenfalls sehr wichtig ist, Schmitt-Trigger bildet am Ausgang eine steile Flanke.

Für den Aufbau eines einfachen Dämmerungsschalters wird nur ein NAND-Gatter des CD4093BE benutzt. Das Gatter hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Das Symbol und die Wahrheitstabelle eines NAND-Gatters sehen wie folgt aus:

In der Schaltung wird der Eingang A fest mit der Versorgungsspannung verbunden. An den zweiten Eingang B wird ein Spannungsteiler, der aus zwei Widerständen (Fotowiderstand + Poti) besteht, angeschlossen. Bei Änderung der Spannung am Spannungsteiler erreichen wir abwechselnd die Zustände, die auf den zwei letzten Stellen der Wahrheitstabelle notiert sind. Der erste Eingang (A) hat feste logische „1“. Der andere (B) wechselt zwischen „0“ und „1“.
Der Schaltplan sieht wie folgt aus:

Schaltplan

Welche Spannung am Eingang B des NAND-Gatters herrscht, bestimmt der Fotowiderstand LDR1. Abhängig von der Lichteinstrahlung verändert er seinen Widerstand. Bei voller Dunkelheit liegt sein Widerstand im Bereich von 5 MOhm. Bei starker Lichteinstrahlung fällt er bis auf 150 Ohm. Wenn sein Widerstand hoch liegt (Dunkel), fällt die Spannung am Spannungsteiler gegen 0V. Das entspricht logischem „0“. In diesem Zustand wird der Ausgang des NAND-Gatters auf volle Spannung durchschalten. Der Transistor T1 schaltet durch, das Relais K1 zieht an, die Leuchtdiode LED1 geht an.
Sobald es heller wird, fällt der Widerstand des Fotowiderstandes. Die Spannung am Spannungsteiler steigt, ab bestimmter Spannung wird sie an dem Eingang B als logische „1“ interpretiert, das NAND-Gatter schaltet ab.

Die Schaltung arbeitet mit 5 VDC. Man kann sie jedoch bedenk los auch an eine 9V Batterie anschließen. Bei Spannungsversorgung von 5 VDC interpretiert das NAND-Gatter eine Spannung unter 1,8 V als logische „0“ und schaltet in unserem Fall durch (Y=1). Bei einer Spannung am Eingang B größer als 3,1V, was wiederum als logisch „1“ gewertet wird, wird sein Ausgang wieder abgeschaltet (Y=0). Damit beträgt die Schaltdifferenz (Hysterese) ca. 1,3 V.

Besonders wichtig ist es, dass der Baustein CD4093BE über Schmitt-Trigger verfügt. Das bedeutet, dass auch bei sehr langsamen Spannungsänderungen an den Eingängen der Ausgang sicher und schlagartig geschaltet wird. Damit kann dieser Logikbaustein ohne weitere Maßnahmen problemlos bei einem Dämmerungsschalter eingesetzt werden. Die Widerstandsänderungen bei Dämmerung erfolgen nämlich sehr langsam.
Dies kann einfach geprüft werden, indem man an einen Eingang des Gatters direkt ein Poti anschließt. Auch wenn man das Potentiometer sehr langsam hin und her dreht, beim Erreichen einer der Schaltschwellen schaltet das NAND-Gatter schlagartig um.

In der Schaltung wird mit dem Potentiometer P1 der gewünschte Dunkelheitswert, der die Schaltpunkte bestimmt, eingestellt.

Transistor

Der Transistor fungiert in der Schaltung als verlängerter Arm des Gatter-Ausgangs. Der Ausgang kann nicht als eine Stromquelle, die mit großem Verbraucher belastet werden kann, betrachtet werden. Mit einem Transistor kann das Problem umgangen werden. Der hier gewählte Transistor BUZ71A kann Ströme bis zu 13A schalten und ist für die hier gestellte Aufgabe sehr stark überdimensioniert. Beim Testen und Probieren spielt das natürlich keine Rolle.

BUZ71A

Bei dem BUZ71A handelt es sich um einen Power MOSFET Transistor. Die Mosfet Transistoren, anders als die bipolaren Transistoren, werden mit Spannung angesteuert. Der BUZ71A hat eine N-Kanal Ausführung. Gehäusetyp ist TO-220. Mit Schaltströmen bis zu 13 A kann er ganz große Verbraucher mit Strom versorgen.

Technische Daten:

Technologie: N-Kanal
Bauform: TO-220
UDS: 50 V
Id: 13 A
RDS: 0,12 Ohm
Ptot: 40W
Hersteller: ST Microelectronics

Relais

Als Relais kommt in der Schaltung das 5V-Relais SRD-05VDC-SL-C zum Einsatz. Das Relais kann Ströme bis zu 10A führen, was für jede gewöhnliche Leuchte oder Lichtkreis völlig ausreichend ist. Der Endverbraucher wird in der Schaltung mit einer Leuchtdiode (LED1) symbolisiert.

Testschaltung

Kurzvideo

Kurzvideo

Weitere Themen: