Lab-tips: analoge schakelingen

(gepubliceerd op 01-01-2018)

U kunt toch nog een heleboel schakelproblemen op een eenvoudige en elegante manier oplossen met analoge elektronica. Met deze tien tips kunt u uw voorraadje weerstanden, dioden, transistoren en condensatoren weer activeren.

Onderdrukken van schakelklikken

Schakelaars in geluidsapparatuur kunnen voor veel ellende zorgen. Als u klikken hoort op het moment dat u een schakelaar omschakelt, betekent dit dat niet alle contacten van de schakelaar op dezelfde spanning staan. Er kunnen dan bij het schakelen korte stroompjes vloeien, die de klikken of zelfs ploppen uit de luidsprekers veroorzaken.
De oorzaak van het probleem is geschetst in het bovenste schema van onderstaande figuur. Een omschakelaar S1 is opgenomen tussen de uitgang van een trap en de ingang van de volgende. Beide signalen worden via condensatoren uit- en ingekoppeld. In de getekende stand van de schakelaar in contact c nergens mee verbonden, hangt dus vrij in de lucht. Door de lekweerstand van de condensator C1 zal de spanning op contact c gelijk worden aan de spanning UA. Hetzelfde geldt voor het moedercontact, dat opgeladen zal worden tot de spanning UB.
Als u nu de schakelaar in stand c zet zal er opeens een rechtstreekse verbinding tussen de twee condensatoren tot stand komen. Als UA niet gelijk is aan UB (en dat zal meestal het geval zijn) zal er een korte, maar flinke stroom door de twee condensatoren gaan vloeien, totdat de spanningen op het moedercontact en contact c van de schakelaar S1 aan elkaar gelijk zijn. Het is deze stroom die de schakelklik veroorzaakt.
In het onderste schema is de eenvoudige oplossing voor dergelijke problemen geschetst. Alle contacten van de schakelaar worden via grote weerstanden (100 kΩ tot 1 MΩ) met de massa verbonden. Deze waarden zijn zeer laag vergeleken met de lekweerstanden van de condensatoren. Het gevolg is dat er geen gelijkspanningen over de weerstanden worden opgebouwd en dat alle schakelaarcontacten op 0 V staan. Bij het schakelen kunnen er dus geen stromen vloeien en de schakelklikken of -ploppen blijven afwezig!

Het onderdrukken van schakelklikken. (© 2018 Jos Verstraten)

Maximale gelijkspanning uit een signaal afleiden

Soms moet u kleine signaalspanningen gelijkrichten, bijvoorbeeld voor het aansturen van een LED-meter. U kunt dan natuurlijk gaan versterker en nadien traditioneel gelijkrichten, maar het kan ook eenvoudiger. In onderstaande figuur is een speciale gelijkrichter getekend, die zoveel mogelijk gelijkspanning uit een wisselspanning haalt.
De eerste trap, C1/D1, is een zogenoemde clamp-kring. Deze kring zorgt ervoor dat de wisselspanning van de ingang 'vastgeplakt' wordt aan de massa. De werking is als volgt. Het wisselspanningssignaal aan de ingang verloopt symmetrisch ten opzichte van de massa, dus een halve periode positief en een halve periode negatief. De condensator C1 zal in principe deze symmetrische wisselspanning ongehinderd doorlaten. Als de spanning op de rechter aansluiting van de condensator echter negatief wil worden, dan gaat de diode D1 geleiden. De geleidende diode zorgt ervoor dat de rechter aansluiting van de condensator met de massa verbonden wordt. De spanning op dat punt kan dus niet lager worden dan ongeveer -0,6 V, de geleidingsspanning van de diode. De symmetrische wisselspanning aan de ingang wordt door de clamp-schakeling omgezet in een asymmetrische, waarvan de negatieve toppen 'vastgeplakt' worden op een niveau van -0,6 V. De rest van het signaal verloopt volledig positief. De maximale positieve signaalspanning wordt dus ongeveer verdubbeld.
De tweede trap van de schakeling, D2/C2/R1, vormt een traditionele gelijkrichter die deze verdubbelde positieve signaalspanning op de bekende manier gelijkricht en omzet in een positieve gelijkspanning over de condensator C2.

Maximale gelijkspanning uit een signaal afleiden. (© 2018 Jos Verstraten)

Stuurtrap voor zware belastingen met minimaal verlies

Als u flinke belastingen moet schakelen die gevoed worden uit vrij lage spanningen, zou u in principe gebruik kunnen maken van een als emittervolger geschakelde Darlington. Maar tussen de basis en de emitter van een dergelijke dubbele transistor staat een spanningsverschil van ongeveer 1,4 V. Dat betekent dat de spanning op de emitter maximaal gelijk is aan de voedingsspanning minus 1,4 V. Als u uit 12 V voedt, stelt u dus vast dat de belasting meer dan 10 % minder spanning krijgt dan ter beschikking staat.
Door de schakeling van onderstaande figuur toe te passen hebt u geen hinder van spanningsverlies. Wél moet u er rekening mee houden dat de schakeling inverterend werkt. Stel dat de basis van T1 positief wordt gestuurd. Er staat dan geen spanningsverschil tussen basis en emitter en de transistor spert. Er vloeit geen collectorstroom, T2 ontvangt geen basissturing en spert ook. De belasting, in dit geval een lamp, wordt niet gestuurd.
Als u de ingang naar de massa trekt ontvangt transistor T1 via de weerstand R1 basissturing uit de voeding. Deze halfgeleider gaat naar verzadiging, de collectorstroom levert de basisstroom voor T2. Ook deze transistor gaat naar verzadiging, met als gevolg dat er slechts ongeveer 100 mV over het onderdeel blijft staan. De lamp wordt nu gevoed uit bijna de volledige voedingsspanning.

Stuurtrap voor zware belastingen met minimaal verlies. (© 2018 Jos Verstraten)

Eenvoudige tiptoets met CMOS-poorten

Deze tiptoets bestaat uit een klein metalen plaatje, zo groot als een dubbeltje. Dit plaatje wordt met de ingangen van een Schmitt-trigger poort uit een CD4093BE verbonden. Deze ingangen gaan via een vrij hoge weerstand naar de massa.
Als u de toets niet aanraakt staan de ingangen via de weerstand R1 op 'L'. Dit signaal wordt geïnverteerd door de poort, zodat op punt [B] een 'H' staat. Ondertussen is echter de condensator C1 via de weerstand R2 uit de voedingsspanning opgeladen tot 'H' (punt [C]). Dit signaal wordt geïnverteerd door de tweede poort, die een 'L' op de uitgang levert.
Stel nu dat u de tiptoets aanraakt. De ruimte om ons heen zit vol elektromagnetische velden. Het belangrijkste en sterkste veld is dat van de 50 Hz netspanning. Alleen in de vrije natuur zal dat veld niet aanwezig zijn, maar u kunt er zeker van zijn dat in ieder gebouw een sterk 50 Hz veld rondraast. Dat veld wekt in het menselijke lichaam een inductiespanning op. Als u dus de zeer hoogohmige tiptoets aanraakt, zal deze geïnduceerde spanning ook op de tiptoets komen en vandaar over de weerstand R1. De ingangen van de Schmitt-trigger N1 poort worden opeens gestuurd met een wisselspanning van 50 Hz. Het gevolg is dat op de uitgang van de poort, signaal [B], een blokgolf ontstaat met een frequentie van 50 Hz. Als dit signaal 'H' is, gebeurt er verder niets. Als dit signaal echter even later 'L' wordt, gaat de diode D1 geleiden. Deze diode zal de condensator C1 eventjes ontladen, zodat de spanning over dit onderdeel daalt. Deze ontlaadstroom is groter dan de laadstroom die via de weerstand R2 wordt aangevoerd. Het gevolg is dat na een fractie van een seconde de spanning over de condensator gedaald is tot onder de drempel van de Schmitt-trigger poort N2. De uitgang van deze poort wordt 'H'.
Besluit: als u de tiptoets aanraakt zal de uitgang van de schakeling een mooie 'H' leveren, die door digitale schakelingen verwerkt kan worden.
Na het loslaten van de tiptoets gaat de uitgang van de eerste poort uiteraard weer naar 'H'. De diode spert en de condensator C1 wordt weer door de weerstand R2 opgeladen tot de voedingsspanning. De uitgang van de tweede poort gaat naar 'L'.

Eenvoudige tiptoets met CMOS-poorten. (© 2018 Jos Verstraten)

Elektronische analoge omschakelaar met CMOS IC

Het elektronisch schakelen van signalen heeft in veel moderne apparatuur de oude mechanische schakelaars vervangen. In onderstaande figuur is een zeer inventieve elektronische omschakelaar getekend, waarvoor slechts één IC en twee weerstanden noodzakelijk zijn.
Hart van de schakeling is een CD4066BE, de beroemde analoge schakelaar uit de CMOS-stal. Dit IC wordt gevoed tussen +9 V en -9 V, zodat u analoge signalen met een top-tot-top waarde van ongeveer 15 V zonder vervorming kunt verwerken.



De stuuringang van de schakelaar IC1a ontvangt het bedieningssignaal van het systeem. Dat is een signaal dat ofwel +9 V is, ofwel -9 V. Stel dat dit signaal -9 V is. De elektronische schakelaar IC1a staat dan open, met als gevolg dat er geen stroom door de weerstand R1 kan vloeien. De bovenste aansluiting van dit onderdeel staat op een spanning van -9 V. Het gevolg is dat ook de elektronische schakelaars IC1b en IC1d open staan. Er vloeit geen stroom door de weerstand R2, de onderste aansluiting van dit onderdeel staat op +9 V. De elektronische schakelaar IC1c sluit, met als gevolg dat ingangssignaal IN1 wordt doorverbonden met de uitgang.
Als u de stuurspanning op +9 V zet, sluit IC1a. De positieve voedingsspanning komt dan op de bovenste aansluiting van weerstand R1 te staan. De schakelaars IC1b en IC1d sluiten, zodat het ingangssignaal IN2 nu naar de uitgang doorgekoppeld wordt. Door het sluiten van IC1b wordt de onderste aansluiting van de weerstand R2 met de -9 V verbonden. Schakelaar IC1c opent, zodat het ingangssignaal IN1 niet op de uitgang verschijnt.

Elektronische analoge omschakelaar met CMOS IC. (© 2018 Jos Verstraten)

LED voeden uit de 230 V wisselspanning

Het zal niet vaak voorkomen, maar als u in een bepaalde toepassing de behoefte hebt een LED'je rechtstreeks uit de 230 V van het net te voeden, dan kunt u daarvoor de schakeling van onderstaande figuur toepassen. De condensator C1 van 100 nF tot 450 nF moet een exemplaar zijn met een doorslagspanning van minstens 630 V. De wisselspanningsimpedantie van dit onderdeel zorgt ervoor dat er een wisselstroom van ongeveer 10 mA door de schakeling vloeit. De diode D1 sluit de negatieve halve perioden kort, zodat de LED D2 alleen gevoed wordt met de positieve halve perioden. De kleine weerstand R1 van 47 Ω zorgt voor een onderdrukking van de grote stroompiek die kan ontstaan als de ongeladen condensator opeens met de 230 V van het net wordt verbonden.

Een LED voeden uit de 230 V wisselspanning. (© 2018 Jos Verstraten)

Bipolaire elco namaken met gewone elco's

Bipolaire condensatoren zijn condensatoren die een zeer hoge waarde hebben, maar toch niet volgens de elektrolytische technologie zijn gemaakt. Dergelijke onderdelen zijn niet gepoold, hebben dus geen + en -, met als gevolg dat zij aangesloten kunnen worden op een wisselspanning. Bipolaire condensatoren worden voornamelijk gebruikt in scheidingsfilters in luidsprekercombinaties en bij sommige elektromotoren. Het nadeel van deze speciale condensatoren is dat zij nogal prijzig zijn en niet overal verkrijgbaar.
Met twee normale elektrolytische condensatoren en twee dioden kunt u zélf een bipolaire condensator samenstellen volgens het schema in onderstaande figuur. Als u een bipolaire condensator van 47 µF nodig hebt, moet u twee elco's van 100 µF in anti-serie schakelen. De twee dioden zorgen ervoor dat de elco's nooit invers gepolariseerd kunnen worden.
Stel bijvoorbeeld dat de linker aansluiting van de schakeling positief is ten opzichte van de rechter aansluiting. De positieve spanning staat dan op de + van C1. De diode D2 gaat geleiden en sluit C2 kort, zodat de - van C1 met de negatieve spanning wordt verbonden.

Bipolaire elco namaken met gewone elco's. (© 2018 Jos Verstraten)

Thyristor als geheugen gebruiken (1)

Vaak hebt u een alarmschakelingetje nodig, dat bijvoorbeeld een LED of een zoemertje stuurt als aan bepaalde alarmvoorwaarden voldaan wordt. In eerste instantie denkt u dan uiteraard aan het inzetten van een flip-flop met een reset-schakelaar. Maar, het kan eenvoudiger!
In onderstaande figuur is een alternatieve schakeling getekend, waarbij gebruik wordt gemaakt van een thyristor als geheugenelement. Natuurlijk hebt u hiervoor geen zware thyristor nodig, zoals gebruikt in dimmers. Er bestaan diverse uitvoeringen die een maximale stroom van 100 mA kunnen schakelen en in een kleine behuizing zitten. Deze zijn ideaal voor deze toepassing.
De werking is als volgt. U activeert het alarm door een positieve puls op R1 te zetten. Deze stuurt een ontsteekstroom in de gate van de thyristor. Het onderdeel ontsteekt en de zoemer LS1 wordt gestuurd. Ook na het wegvallen van de puls blijft de schakeling actief. De stroom door de thyristor is immers zo groot dat de houdstroom overschreden wordt en de thyristor, ook na het wegvallen van de gate-sturing, in geleiding blijft.
Wilt u het alarm uitschakelen, dan drukt u even op de drukknop S1. Hierdoor wordt de thyristor kortgesloten, zodat de stroom nul wordt en het onderdeel naar sper gaat. Na het loslaten van de drukknop valt het alarm dus uit.
Het enige nadeel van deze schakeling is dat het alarm blijft afgaan als u de drukknop indrukt. Eerst als u de drukknop weer loslaat wordt de zoemer uitgeschakeld. Bij normale schakelingen met een flip-flop valt het alarm onmiddellijk af als u de drukknop bedient.

Een thyristor als geheugen gebruiken (1). (© 2018 Jos Verstraten)

Thyristor als geheugen gebruiken (2)

In onderstaande figuur wordt een tweede toepassing gegeven, waarbij een laagvermogen thyristor wordt gebruikt als geheugen. De thyristor D2 wordt nu gebruikt als set/reset flip-flop, die het starten en stoppen van een teller controleert.
Bij het inschakelen van de voeding is de thyristor uiteraard gesperd. De positieve voeding dringt via de weerstand R3 en de LED D1 door tot de reset van de teller. Deze wordt gereset en kan dus niet tellen.
Door het even indrukken van de drukknop S2 ontlaadt de condensator C1 zich over de gate van de thyristor. Dit onderdeel wordt in geleiding gestuurd, zodat de reset van de teller met de massa verbonden wordt. Ook na het loslaten van de drukknop blijft deze toestand bestaan. De stroom die via de weerstand R3 en de LED D1 door de thyristor vloeit is immers groter dan de houdstroom. De 'L' op de reset zorgt ervoor dat de teller kan gaan tellen.


Nadat de teller een bepaald aantal pulsen geteld heeft, levert een diodeschakeling een positieve puls af. Deze puls stuurt via de weerstand R2 de transistor T1 even in geleiding. Deze actie sluit de thyristor kort. De stroom gaat naar nul, de thyristor gaat naar sper. Hierdoor gaat de spanning op de reset naar 'H', zodat de teller reset en de schakeling weer in rust is.
Dit eenvoudige systeem kunt u bij een heleboel schakelingen, al dan niet in aangepaste vorm, toepassen.

Een thyristor als geheugen gebruiken (2). (© 2018 Jos Verstraten)

Relais met houdcontact vervangt flip-flop

Een relais kan de functie van elektronisch geheugen vervullen. De meeste kleine relais hebben twee contacten. Vaak hebt u slechts één contact nodig, zodat het tweede ongebruikt blijft. Dit tweede contact kunt u op een heel eenvoudige manier als houdschakelaar inzetten, zodat het relais aangetrokken blijft en u een flip-flop kunt uitsparen.
In de schakeling van onderstaande figuur moet u een apparaat via een relais met het net verbinden. Het apparaat moet ingeschakeld worden als een transistor even in geleiding wordt gestuurd. Door het drukken op een drukknop moet het apparaat weer uitgeschakeld worden.
U hebt dus een geheugen nodig waarbij u natuurlijk onmiddellijk aan een flip-flop denkt. Maar dank zij de tweede schakelaar van het relais kunt u dat onderdeel uitsparen. Het even in geleiding sturen van de transistor T1 bekrachtigt het eerste, kleine relais Ry1. De schakelaar Ry van dit relais zet de spoel van het zwaardere schakelrelais Ry2 onder spanning. De twee schakelaars van dit relais komen op. De rechter schakelaar verbindt het apparaat met het net. De linker zorgt er echter voor dat de spoel van het relais met de voeding verbonden blijft. Ook na het weer openen van Ry1 zal Ry2 dus bekrachtigd blijven.
Die situatie kan opgeheven worden door even op de drukknop S1 te drukken. Deze drukknop heeft een normaal gesloten contact, dat opent als u op de knop drukt.

Een relais met houdcontact vervangt een flip-flop. (© 2018 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
Koop uw FNIRSI apparatuur bij Banggood