Dreistufiger Umschalter mit einfachem
Kippschalter mit Mitte-Nullstellung
- Das Inhaltsverzeichnis meiner Elektronik-Minikurse
- Die Philosophie meiner
Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Buch 1 Buch 2
Einleitung
Wer kennt sie nicht, die kleinen und ganz kleinen Miniatur-Kippschalter. Es gibt solche die man direkt in eine Leiterplatte löten kann und andere eignen sich um in eine Frontplatte verschraubt zu werden. Es gibt verschiedene Ausführungsformen. Es gibt ein-, zwei- und mehrpolige. Es gibt Umschalter und Umtaster und es gibt sogar solche welche für den einen Kontakt eine Schalt- und für den andern eine Tastfunktion haben. Es gibt auch solche mit Verriegelungsmechanismus. Es gibt Miniatur-Kippschalter mit Mittelstellung, wobei in dieser Stellung beide Kontakte offen sind. Solche Miniatur-Kippschalter benötigen wir hier in diesem Elektronik-Minikurs, weil es darum geht auf drei Leitungen je ein logisches HIGH/LOW-Signal zu erzeugen, um damit drei verschiedene Schaltfunktionen zu steuern.
Die beiden Methoden Aktiv-HIGH und Aktiv-LOW
Es kommt ganz auf die nachfolgende zu steuernde Schaltung an, ob diese mit logischen HIGH- oder logischen LOW-Pegeln aktiviert werden. Ob zum Beispiel ein Relais über einen Schaltverstärker mit einem HIGH- oder LOW-Pegel eingeschaltet wird oder ob ein Tristate-Buffer (siehe Bild 3) mit HIGH- oder LOW-Pegel aktiviert wird oder ob ein Analog-Schalter das Audiosignal bei HIGH- oder LOW-Pegel zum Summenverstärker durchschaltet (siehe Bild 4).
Die Aktiv-HIGH-Methode
Bild 1 zeigt die Aktiv-HIGH-Methode. Wenn der Schalter in Stellung A
ist, liegt OUT1 auf HIGH. Derjenige Eingang des NOR-Gatters welcher mit
Punkt A des Schalters verbunden ist, liegt auf HIGH, der andere Eingang
durch den Pulldown-Widerstand R2 auf LOW. Ist
ein Eingang eines NOR-Gatters auf HIGH gesetzt, dominiert dieser und der
Ausgang ist LOW. Der logische Zustand weiterer Eingänge ist irrelevant.
Die beiden Ausgänge OUT2 und OUT3 liegen auf LOW.
Wenn der Schalter in Stellung C ist, liegt OUT3 auf HIGH und OUT1 auf
LOW. Es trifft auch hier zu, dass ein Eingang des NOR-Gatters auf HIGH
gesetzt ist, also ist wiederum OUT2 auf LOW gesetzt. OUT1 und OUT2
liegen auf LOW.
Wenn der Schalter in Mittelstellung B ist, sind beide Kontakte offen,
OUT1 und OUT3 liegen über R1 und R2 auf LOW. Damit ist der Ausgang des
NOR-Gatters auf HIGH gesetzt. OUT1 und OUT3 liegen auf LOW und OUT2 auf
HIGH.
Man muss unbedingt beachten, dass die LOW-Pegel an den beiden Ausgängen
OUT1 und OUT3 nur so niederohmig sind, wie es die Pulldown-Widerstände
ebenfalls sind. Man sollte mit OUT1 und OUT3 daher nur Eingänge steuern
welche Eingangswiderstandswerte besitzen welche mindestens zehn mal
grösser sind als R1 bzw. R2, - was bei Eingängen von CMOS-Schaltungen
auch leicht der Fall ist. Ist dies nicht möglich, müssen OUT1 und OUT3
zusätzlich gepuffert werden. Vernünftige Werte für R1 und R2 sind 10
k-Ohm bis 100 k-Ohm. Bei Batterieanwendungen muss man, um die Batterie
zu schonen, evtl. höhere Werte wählen.
Die Aktiv-LOW-Methode
Bild 2 zeigt uns die Aktiv-LOW-Methode. Wenn der Schalter in Stellung A
ist, liegt OUT1 auf LOW. Der eine Eingang des NAND-Gatter, welcher mit
Punkt A des Schalters verbunden ist, liegt auf LOW, der andere Eingang
durch den Pullup-Widerstand R2 auf HIGH. Ist ein
Eingang eines NAND-Gatters auf LOW gesetzt, dominiert dieser und der
Ausgang ist HIGH. Der logische Zustand weiterer Eingänge ist irrelevant.
Die beiden Ausgänge OUT2 und OUT3 liegen auf HIGH.
Wenn der Schalter in Stellung C ist, liegt OUT3 auf LOW und OUT1 auf
HIGH. Es trifft auch hier zu, dass ein Eingang des NAND-Gatters auf LOW
gesetzt ist, also ist wiederum OUT2 auf HIGH gesetzt. OUT1 und OUT2
liegen auf HIGH.
Wenn der Schalter in der Mittelstellung B ist, sind beide Kontakte
offen, OUT1 und OUT3 liegen über R1 und R2 auf HIGH. Damit ist der
Ausgang des NAND-Gatters auf LOW gesetzt. OUT1 und OUT3 liegen auf HIGH
und OUT2 auf LOW.
Man muss unbedingt beachten, dass die HIGH-Pegel an den beiden
Ausgängen OUT1 und OUT3 nur so niederohmig sind, wie es die
Pullup-Widerstände ebenfalls sind. Man sollte mit OUT1 und OUT3 also nur
Eingänge steuern welche Eingangswiderstandswerte besitzen welche
mindestens zehn mal höher sind als R1 bzw. R2, - was bei Eingängen
von CMOS-Schaltungen auch leicht der Fall ist. Ist dies nicht möglich,
müssen OUT1 und OUT3 zusätzlich gepuffert werden. Vernünftige Werte für
R1 und R2 sind 10 bis 100 k-Ohm. Bei Batterieanwendungen muss man, um
die Batterie zu schonen, evtl. höhere Werte wählen.
Wir steuern eine Tristate-Umschaltung für digitale Signale
Wir benutzen die Umschaltung von Bild 1 mit der Aktiv-HIGH-Methode zur Ansteuerung einer Tristate-Umschaltstufe. Was Tristate-Logik ist, lernt man im Elektronik-Minikurs Tristate-Logik, Grundlage und Praxis ausführlich und praxisnah. Derjenige Tristate-Steuereingang der auf HIGH gesetzt ist, schaltet dessen Tristate-Gatter ein. Im vorliegenden Beispiel werden drei rechteckförmige Taktsignale mit drei unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet. Wenn der Kippschalter in Stellung A ist, ist das Tristate-Gatter A aktiv und am Ausgang erfolgt die Frequenz von 1 kHz. Die Ausgänge der andern beiden Tristate-Gatter sind hochohmig. Liegt der Kippschalter in Stellung B, ist das Tristate-Gatter B aktiv und am Ausgang erfolgt die Frequenz von 2 kHz. Liegt der Kippschalter in Stellung C, ist das Tristate-Gatter C aktiv und am Ausgang erfolgt die Frequenz von 4 kHz.
Wir steuern drei Analogschalter für Wechselspannungs-Signale
Bild 4 zeigt uns wie man Wechselspannungs- z.B. Audiosignale umschalten
kann. Es sind dies die Wechselspannungssignale AC1 bis AC3. Dazu benutzt
man sogenannte Analog-Switches.
Man beachte den Operationsverstärker OV. Die Verbindung des
nichtinvertierenden Einganges mit GND verrät, dass OV symmetrisch
gespiesen wird. Gegeben sei eine Betriebsspannung von ± 5 VDC. Der
Betriebsspannungsbereich der digitalen HCMOS-ICs liegt zwischen 2 VDC
und 6 VDC. Daher eignen sie sich für den TTL-Ersatz mit einer
Betriebsspannung von 5 VDC. Der HCMOS-Analogswitch 74HC4316 hat jedoch
einen erweiterten Betriebsspannungsbereich zwischen 2 VDC und 12 VDC.
Also kann man ihn ebenso symmetrisch mit ± 5VDC betreiben.
Der Analog-Switch ist dann geschlossen, wenn sein Steuereingang auf
HIGH liegt und das bedeutet hier +5 VDC. Gesperrt ist der
Analog-Switch dann, wenn der Steuereingang auf GND liegt. Damit man
ihn überhaupt mit TTL-Logiksignalen steuern kann, enthält er
sogenannte Level-Translators. Dieses IC enthält zusätzlich einen
Enable-Eingang. Liegt dieser auf logisch HIGH, sind die Steuereingänge
unwirksam und alle vier Analog-Switches im IC sind offen. Dies erlaubt
auf einfachste Weise zusätzliche ICs in dem Sinne parallel zu
schalten, dass man sehr viele Eingangssignale umschalten und auf einen
Mischer (OV) kombinieren kann.
Kleiner Praxishinweis: Wenn es der Aufbau der Schaltung auf der Platine
erlaubt, sollte man erst die Widerstände R3 bis R5 an den invertierenden
Eingang schalten und danach mit diesen Widerständen die Analogswitches
verbinden, so wie es Bild 4 illustriert. Damit reduziert man
Störsignaleinkopplung und Schwingneigung des Operationsverstärkers OV.
Weiter sollte man R1 bis R3 nicht zu niederohmig wählen. Es empfehlen
sich Werte im 10- oder 100-kOhm-Bereich. Bei solchen Werten wirkt sich
der niedrige Innenwiderstand der Analog-Switches nicht mehr signifikant
aus. Bei einer Betriebsspannung von 10 VDC (hier ±5 VDC) hat er einen
Wert von etwa 75 Ohm. Dieser Wert variiert aber auch noch abhängig von
den momentanen Spannungswerten des Wechselspannungssignales. Wählt man
zu niedrige Werte von R3 bis R5, erhöht dies die Amplitudenverzerrung am
Ausgang.
Thomas Schaerer, 26.08.2001 ; 29.04.2002 ; 14.03.2003(dasELKO) ; 18.12.2003 ; 22.02.2006