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Klatschschalter mit ICs

(Komparator, NOT-Gatter, AND-Gatter, Flip-Flop)

In der folgenden Schaltung eines Klatschschalters kommen nur integrierte Schaltungen ohne einen Mikrocontroller vor. Die Schaltung stellt eine besondere Form eines Impulsschalters dar. Einmal klatschen: Lampe geht an, noch mal klatschen: Sie geht wieder aus.
Die Aufgabe bewältigen gemeinsam ein Komparator, ein Logikbaustein mit NOT-Gattern, ein Logikbaustein mit AND-Gattern und ein Flip-Flop. Das auslösende Signal liefert ein kleines Mikrofonmodul mit der IC Max9814.
Mit von der Partie sind ein Potentiometer, mit dem eine Vergleichsspannung eingestellt wird, ein Kondensator, der für Signalverzögerung zuständig ist, und ein eine Leuchtdiode schaltendes Relais-Modul, das für eine Lampe oder sonstigen Verbraucher steht.

Komparator

LM393 beinhaltet in seinem Innern zwei Komparatoren, die unabhängig voneinander benutzt werden können. In unserer Schaltung wird lediglich ein Komparator gebraucht. Seine Aufgabe besteht darin, zwei Spannungen zu vergleichen. Die erste Spannung (Anschluss Pin 2) stammt von dem Mikrofonmodul. Die zweite Spannung (Anschluss Pin 3) wird mit dem Potentiometer P1 eingestellt. Sie beträgt in der Testschaltung 2,38V. Wenn die erste Spannung z.B. beim Klatschen die zweite übersteigt, schaltet der Komparator seinen Ausgang (Anschluss Pin 1) auf LOW. Das bedeutet, dass der Pin 1 mit Masse verbunden wird und das Potenzial an dem Ausgang 0V beträgt. Das Signal wird anschließend weiter zu einem NOT-Gatter geführt.

NOT-Gatter

Der zweite Baustein in unserer IC-Kette (IC2) ist ein Logikbaustein, der sechs NOT-Gatter beinhaltet. Seine Bezeichnung ist SN7414N. Die Aufgabe, die er zu bewältigen hat, ist alles andere als kompliziert. Er wandelt das LOW-Signal von der IC1 in ein HIGH-Signal um. Das ist schon alles. Für diese Aufgabe wird nur ein NOT-Gatter benötigt. Fünf weitere stehen damit für andere Aufgaben frei zur Verfügung.

AND-Gatter

Bei dem Logikbaustein M74HC08B1 (IC3) handelt es sich um eine Komponente mit vier AND-Gattern. Der Baustein steht auf der dritten Stelle in unserer IC-Kette. Seine Aufgabe ist durchaus wichtig. Er ist der eigentliche Weichensteller und entscheidet, ob ein- oder ausgeschaltet wird. Das kann er deswegen, weil er den aktuellen Zustand des dahinter angeschlossenen Flip-Flops abfragt. Der Flip-Flop hat zwei Ausgänge, die unter anderem dazu benutzt werden, den zwei AND-Gattern des IC3 seinen aktuellen Schaltzustand zu melden. Mit dem ersten AND-Gatter (Pins 1-2-3) wird der Flip-Flop gesetzt. Mit dem zweiten AND-Gatter (Pins 4-5-6) wieder zurückgesetzt.

Flip-Flop

Der Flip-Flop CD4027BE übernimmt in der Schaltung die Selbsthaltefunktion. Um seinen Zustand zu ändern, werden zwei Signale benötigt. Mit einem HIGH-Signal am Eingang „SET“ (Pin 7) wird der Flip-Flop gesetzt. Den Zustand behält er auch dann, wenn das Signal am Eingang „SET“ wieder wegfällt. Eine Umschaltung ist erst dann möglich, wenn ein HIGH-Signal am Eingang „RESET“ ankommt. Der Baustein verharrt in dem neuen Zustand auch dann, wenn das Signal am Eingang „RESET“ ebenfalls wieder wegfällt.
Der CD4027BE-Baustein verfügt über zwei Flip-Flops, die über weitere Funktionen verfügen. Diese werden jedoch in dieser Schaltung nicht verwendet.

Mikrofon-Modul mit MAX9814

Das Modul besteht aus einem kapazitiven Mikrofon, dem Chip MAX9814 und passiven Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren. Nach extern sind von der kleinen Platine fünf Anschlüsse ausgeführt: GND, Vdd, Gain, Out und AR. Dank bestimmter Verdrahtung kann das Modul zusätzlich neu konfiguriert werden. Die maximale Verstärkung ist standardgemäß auf 60db (Gain-Pin unbeschaltet) eingestellt. Wenn man den Gain-Pin auf GND legt, beträgt die Verstärkung 50dB. Mit dem Anschluss des Gain-Pins an Vdd wird die Verstärkung auf 40 dB eingestellt. Ähnlich verfahrend kann durch entsprechenden Anschluss des AR-Pins das Attack/Release-Zeitverhältnis von 1:4000 (AR unbeschaltet) auf 1:2000 (AR an Vdd) oder 1:500 (AR an GND) geändert werden.
Die Offset-Spannung des Moduls beträgt 1,25V.

Technische Daten:

Spannungsversorgung: 2,7V bis 5,5V
Betriebsstrom: 0,5mA
Verstärkung: einstellbar zwischen 40dB, 50dB und 60dB
Betriebstemperatur: -40°C bis +85°C
Abmessungen: 25x14x9mm

Relais-Modul

Als Endgerät fungiert in der Schaltung das Relais-Modul VMA406. Mit dem Relais wird als Endabnehmer eine Leuchtdiode geschaltet. So das Modul als auch die Leuchtdiode spielen in der Schaltung keine Rolle und dienen lediglich einer Visualisierung der Vorgänge, für die unsere IC-Reihe verantwortlich ist.

Schaltplan

Sobald das Mikrofon-Modul ein genug starkes Geräusch erkennt, z.B. Klatschen, generiert es an seinem Out-Ausgang ein Signal, das zu dem Komparator IC1 weitergeführt wird. Wenn das Signal stark genug ist, schaltet der Komparator seinen Ausgang (Pin 1) auf LOW-Potenzial. Im weiteren Verlauf wird das Signal von dem NOT-Gatter (IC2) in ein HIGH-Signal umgewandelt. In der Form erreicht das Signal zwei AND-Gatter, die der IC3 beinhaltet. Die AND-Gatter haben jeweils zwei Eingänge. Es schaltet immer das AND-Gatter durch, das an seinen beiden Eingängen ein HIGH-Signal (Logische 1) erkennt. Das erste HIGH-Signal stammt von dem IC2. Das zweite HIGH-Signal kommt von dem dahinter geschalteten Flip-Flop-Baustein. Er hat zwei Ausgänge, die abwechselnd ein HIGH-Signal führen, je nachdem, ob er gesetzt oder zurückgesetzt ist. Diese Ausgänge (Pin 1 und Pin 2 von IC4) sind mit den AND-Gattern des IC3 verbunden. Ist Flip-Flop noch nicht gesetzt, hat das erste AND-Gatter die Möglichkeit, das Flip-Flop zu setzen. Ist das Flip-Flop gesetzt, kann das zweite AND-Gatter es wieder zurücksetzen. Das Hin und Her Spiel ist einfach und verständlich, wenn jedoch das „Setzen“- und „Rücksetzen“-Signale gleichzeitig kommen, weißt der Flip-Flop-Baustein nicht so richtig, was er machen soll, und kann bei einmal Klatschen hin und her schalten. Daher ist es wichtig, dass man dafür sorgt, dass die Signale zeitversetzt bei dem Flip-Flop ankommen. Dafür ist der Kondensator C1 zuständig. Wenn der Flip-Flop gesetzt wird, wird das Rücksignal (IC4, Pin 1) zu dem IC3 nicht sofort weitergeleitet. Zuerst muss der Kondensator über den Widerstand R1 ein wenig aufgeladen werden, bis das zweite AND-Gatter die Schaltfreigabe erhält. Je nachdem, wie groß der Widerstand R1 oder Kondensator C1 gewählt werden, kann die Zeit unterschiedlich lang ausfallen. Ist sie abgelaufen, kann der Flip-Flop wieder zurückgesetzt werden.

Testschaltung

Kurzvideo

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