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Schwellenschalter mit bistabilem Relais

(mit LM358P, NE555, Z-Diode)

In der Schaltung wird beim Überschreiten oder Unterschreiten eines bestimmten Spannungswertes ein bistabiles Relais hin- und hergeschaltet. Bei der Spannung, die auf einen bestimmten Pegel untersucht wird, handelt es sich um die Versorgungsspannung. Steigt die Versorgungsspannung stark an und überschreitet die eingestellte Schaltschwelle, wird das Relais in seine erste Position gebracht. Bei abfallender Versorgungsspannung und Unterschreiten der Schaltschwelle, wird das Relais in seine zweite Position umgeschaltet. Der Vorteil eines bistabilen Relais besteht unter anderen darin, dass es seine aktuelle Position bei komplettem Ausfall der Versorgungsspannung beibehält.
Die Einstellung der Schaltschwelle erfolgt in der Schaltung mit einer Z-Diode. In diesem Fall beträgt die Durchbruchspannung der Z-Diode 10V. Mit anderen Z-Dioden kann die Schaltschwelle für das Relais passend eingestellt werden.
Der aktuelle Wert der Versorgungsspannung wird von dem Operationsverstärker LM358P überwacht. Der IC-Baustein fungiert in der Schaltung als ein Komparator. In Zusammenarbeit mit der Z-Diode entscheidet er, wann umgeschaltet wird. Zwischen ihm und dem Relais ist ein NE555 Baustein, der hier als Zwischenschalter agiert, eingebaut. Der Ausgang eines NE555-Bausteins kann mit bis zu 200 mA belastet werden. Damit können auch größere Relais geschaltet werden. Zwei Leuchtdioden signalisieren den aktuellen Schaltzustand des Relais und informieren, ob die Versorgungsspannung den voreingestellten Schwellenwert unterschritten oder überschritten hat. Die blaue Leuchtdiode steht für „Unterschritten“, die gelbe Leuchtdiode für „Überschritten“.

LM358

Bei dem integrierten Schaltkreis LM358 handelt es sich um einen dualen Operationsverstärker. Der Bauteil kann für viele Aufgaben eingesetzt werden. In der Schaltung tritt er als Komparator auf.

NE555

Der universelle integrierte Schaltkreis NE555 dient in der Schaltung als Zwischenschalter. Sein Ausgang kann mit einer Last bis zu 200 mA belastet werden. Er kann für Spannungen bis zu 16V eingesetzt werden.

Zettler AZ832P2-2C-5DE

Bistabiles Relais von Zettler

Das bistabile Relais AZ832P2-2C-5DE von Zettler Electronics ist ein 2-Spulen-Relais. Die Spulenspannung beträgt 5VDC. Das Relais verfügt über zwei Wechsler-Kontakte, die mit 2 A belastet werden können. Die Abstände der Pins entsprechen dem 2,54 mm Raster, wodurch das Relais gut für Experimente auf einem Steckbrett verwendet werden kann.

Pinansicht

Technische Daten:
Art: Printrelais, bistabil
Nennspannung Spule: 5 VDC
Ansteuerart: 2 Spulen
Spule-Widerstand: 125 Ω
Kontaktart: 2 Wechsler
Maximale Schaltspannung: 220 VDC / 250 VAC
Schaltstrom: 3 A (max.)
Schaltleistung: 60 W
Anschluss: Lötpins
Temperaturbereich: -40 °C bis +85 °C
Länge: 20.2 mm
Breite: 10 mm
Höhe: 10.65 mm

Anschlussschema

Spannungsregler 5VDC

Zwei Spannungsregler L78L05 schützen die Spulen vor Überspannung. Die Schaltung arbeitet im Bereich 5 bis 16 VDC. Die Spannungsregler begrenzen die Spulenspannung auf jeweils 5VDC.

Z-Diode

Z-Dioden arbeiten in der Sperrrichtung und werden oft für Spannungsstabilisierung oder Spannungsbegrenzung verwendet. Genau diese Aufgabe übernimmt die Z-Diode, die in der Schaltung eingebaut wurde. Die Höhe der Spannung, die am Pin 3 des LM358 abgefragt wird, wird durch die Durchbruchspannung der eingesetzten Z-Diode bestimmt.

Der Schaltplan

Schaltplan

In dieser Schaltung gilt es nicht, bei konstanter Versorgungsspannung ein Signal zu untersuchen und auf Änderungen zu reagieren. In diesem Fall ist das zu untersuchende Signal die Versorgungsspannung selbst. Bei ansteigender Versorgungsspannung erfährt der Operationsverstärker an seinen beiden Eingängen (Pin 2 und Pin 3) praktisch die gleiche Spannung. Die Situation ändert sich, wenn die Versorgungsspannung über die Durchbruchspannung der Z-Diode ansteigt. Durch die Z-Diode wird ein weiterer Anstieg des Spannungsniveaus am Pin 3 verhindert. Das ist der Punkt, wo der Operationsverstärker das Potenzial an seinem Ausgang ändert. Sein Ausgang am Pin 1 ist mit dem Trigger Eingang des NE555 verbunden und verursacht bei Erreichen der Schaltschwelle entsprechend die Umschaltung des Bausteins. Das Relais, angeschlossen an Pin 3 des NE555 folgt lediglich dem NE555. Durch Änderung der Z-Diode kann die Schaltschwelle passend eingestellt werden. Die zwei Spannungsregler IC3 und IC4 begrenzen die Spannung der Spulen des Relais auf 5V. Die zwei Leuchtdioden zeigen an, welche Kontakte des Relais gerade geschlossen sind.
Durch Anwendung des bistabilen Relais ist es möglich, beim Ausfall der Versorgungsspannung den aktuellen Schaltzustand der Kontakte beizubehalten.

Die Testschaltung

Testschaltung

Kurzvideo

Kurzvideo

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