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Ein/Aus mit einem Taster (Toggle)

Einmal drücken: an, nochmal drücken: aus. Toggle-Schaltung mit 74HC74 als T-Flipflop, Entprellung, Einschalt-Reset und MOSFET für eine 12-V-Last.

7 Min. LesezeitEin Aus TasterToggle SchaltungStromstoßschalter elektronischT-Flipflop

Ein Taster an der Werkbankleuchte, einer am Lüfter, einer im Treppenhaus: Einmal drücken schaltet ein, nochmal drücken schaltet aus. Ein Kippschalter würde das auch können, aber ein Taster sieht schöner aus, passt in eine Frontplatte mit Folientastatur und lässt sich parallel an mehreren Stellen anbringen. Die Elektroinstallation kennt das Prinzip als Stromstoßschalter, die Digitaltechnik als Toggle- oder T-Flipflop.

Ein Mikrocontroller kann das natürlich auch. Die Schaltung hier kommt ohne Programm aus, startet sofort, braucht im Ruhezustand nur wenige Mikroampere und schaltet über einen MOSFET eine 12-V-Last bis einige Ampere. Sie besteht aus drei Teilen: Entprellung, Flipflop und Lastschalter.

Schaltplan

Toggle-Schaltung: Taster S1 mit R1 10 kΩ, R2 18 kΩ und C1 1 μF entprellt, über IC1a (74HC14, Pin 1 nach 2) an den Takteingang Pin 3 eines 74HC74; Q-quer (Pin 6) zurück an D (Pin 2); PRE-quer (Pin 4) an +5 V; Einschalt-Reset aus C3 1 μF nach +5 V und R3 100 kΩ nach Masse über IC1b (Pin 3 nach 4) an CLR-quer (Pin 1); Q (Pin 5) über R4 220 Ω an das Gate eines IRLZ44N, R5 100 kΩ vom Gate nach Masse, Last zwischen +12 V und Drain
Entprellung links, Flipflop in der Mitte, Lastschalter rechts. Darunter der Einschalt-Reset.
  • S1, R1, R2, C1, IC1a: die Entprellung aus dem Artikel Taster entprellen. Bei jedem Druck erzeugt der Schmitt-Trigger genau eine steigende Flanke.
  • IC2a, 74HC74: ein flankengesteuertes D-Flipflop. Bei jeder steigenden Flanke am Takteingang (Pin 3) übernimmt Q den Wert, der gerade an D (Pin 2) liegt.
  • Rückführung Q̅ → D: macht aus dem D-Flipflop ein T-Flipflop. D sieht immer das Gegenteil von Q.
  • C3, R3, IC1b: Einschalt-Reset. Er hält das Flipflop nach dem Einschalten 0,1 s lang gelöscht, damit die Last aus startet.
  • P̅R̅E̅ an +5 V: Der Setzeingang wird nicht gebraucht und darf nicht offen bleiben.
  • T1, IRLZ44N, mit R4 220 Ω und R5 100 kΩ: Logic-Level-MOSFET als Low-Side-Schalter für die Last. R4 begrenzt den Umladestrom des Gates, R5 hält das Gate ohne Signal auf Masse.
  • Nicht gezeichnet: Pin 14 beider ICs an +5 V, Pin 7 an GND, je 100 nF direkt daneben. Freie Eingänge (74HC14: 5, 9, 11, 13; 74HC74: 10, 11, 12, 13) an GND oder +5 V.

So funktioniert die Schaltung

Nach dem Einschalten ist C3 leer. Sein unteres Ende folgt deshalb der Versorgung auf 5 V, IC1b gibt Low aus, und C̅L̅R̅ löscht das Flipflop: Q ist Low, die Last aus. C3 lädt sich über R3 auf, die Spannung an Pin 3 sinkt. Nach etwa 100 ms unterschreitet sie die untere Schwelle des Schmitt-Triggers, C̅L̅R̅ geht auf High und gibt das Flipflop frei.

Erster Tastendruck: Die Entprellung liefert nach rund 19 ms eine saubere steigende Flanke an Pin 3. In diesem Moment liegt an D der Wert von Q̅, also High. Q übernimmt High, der MOSFET schaltet ein. Gleich danach wechselt Q̅ auf Low, und damit auch D. Das spielt aber keine Rolle mehr, denn das Flipflop reagiert nur auf die Flanke, nicht auf die Dauer des Tastendrucks.

Zweiter Tastendruck: Jetzt liegt an D ein Low. Bei der nächsten Flanke übernimmt Q dieses Low, die Last geht aus, und D wird wieder High. So wechselt der Ausgang bei jedem Druck seinen Zustand.

Zeitverlauf: CLR-quer ist nach dem Einschalten etwa 103 ms Low; drei Tastendrücke erzeugen drei verzögerte Taktflanken; Q geht bei der ersten auf High, bei der zweiten auf Low, bei der dritten wieder auf High
Jede steigende Taktflanke kehrt den Ausgang um. Wie lange du drückst, ist egal.

Ohne Entprellung würde die Schaltung jeden Prellimpuls als Tastendruck werten. Bei vier Impulsen landet sie wieder im alten Zustand, bei fünf im neuen: reiner Zufall. Weil das T-Flipflop die Frequenz am Takt halbiert, ist es zugleich die Grundzelle jedes Frequenzteilers.

Dimensionierung

1. Entprellung. R1 = 10 kΩ, R2 = 18 kΩ und C1 = 1 μF übernimmst du aus Taster entprellen: Im ungünstigsten Fall vergehen 11 ms bis zur Flanke, typisch 19 ms.

2. Einschalt-Reset. Die Spannung an Pin 3 fällt nach dem Einschalten wie bei jedem RC-Glied von 5 V ab. C̅L̅R̅ wird frei, wenn sie die untere Schwelle UT- erreicht:

tReset = R3 · C3 · ln UUT-

Mit τ = 100 kΩ · 1 μF = 100 ms und dem typischen UT- = 1,78 V:

tReset = 100 ms · ln 5 V1,78 V = 103 ms

Mit den Grenzen aus dem Datenblatt (UT- zwischen etwa 1,0 V und 2,7 V bei 5 V) liegt die Zeit zwischen 61 ms und 161 ms. Das reicht, bis ein üblicher Spannungsregler seine 5 V stabil liefert.

Rechner

Kondensator laden und entladen

Zeitkonstante τ
1 s
5 τ
5 s
Spannung nach t
3,16 V
Strom nach t
184 µA
Zeit bis Zielspannung
1,61 s
+U₀5 Vt = 0R10 kΩi+C100 µF0τ2 τ3 τ4 τ5 τ63 % bei τ5 V0uCZeit t3,16 V

uC(t) = U₀ · (1 − e−t/τ), Laden ab 0 V. τ = R · C. Ideale Bauteile: Innenwiderstand der Quelle, Leckstrom und Toleranz von C sind nicht berücksichtigt. Nach 5 τ ist der Vorgang zu über 99 % abgeschlossen. Blauer Punkt: Spannung nach der Zeit t, grüner Ring: Zielspannung.

3. MOSFET. Die Last soll ein 12-V-LED-Streifen mit 2 A sein. Der IRLZ44N verträgt 55 V und 47 A und ist für 5 V Gate-Spannung spezifiziert: RDS(on) ≤ 25 mΩ. Der Ausgang des 74HC74 liefert unbelastet praktisch die vollen 5 V.

PV = I2 · RDS(on) = (2 A)2 · 0,025 Ω = 0,1 W

4. Gate-Widerstand. Beim Umschalten muss das Gate umgeladen werden, kurz wie ein Kurzschluss gegen Masse. R4 begrenzt diesen Spitzenstrom auf 5 V / 220 Ω ≈ 23 mA, knapp unter den 25 mA, die ein HC-Ausgang verträgt. Mit 48 nC Gate-Ladung dauert das Umschalten wenige Mikrosekunden, für eine Last, die einmal pro Tastendruck schaltet, völlig unerheblich.

Bauteilliste

BezeichnerWert/TypHinweis
IC174HC146 × Schmitt-Inverter; a: Entprellung, b: Reset
IC274HC742 × D-Flipflop; zweite Hälfte frei, Eingänge festlegen
S1Taster, Schließerauch mehrere parallel
R1, R210 kΩ, 18 kΩEntprellung
C1, C31 μF, X7R ≥ 25 VEntprellung, Reset
R3100 kΩReset-Zeit
R4, R5220 Ω, 100 kΩGate-Widerstand, Gate-Pull-down
T1IRLZ44NLogic-Level, TO-220
C4, C5100 nFAbblockung an beiden ICs

Varianten

Mehrere Taster. Weitere Taster schaltest du einfach parallel zu S1. Jeder wechselt den Zustand, wie beim Stromstoßschalter im Treppenhaus. Bei langen Leitungen helfen ein kleinerer R1 (etwa 2,2 kΩ) und ein Kondensator direkt am Eingang.

Relais statt MOSFET. Für Wechselspannung oder potenzialfreie Kontakte steuert Q einen Transistor mit Relais an, siehe Relais am Arduino ansteuern. Für Lasten am Pluspol mit fester Masse nimmst du den P-MOSFET als High-Side-Schalter.

CD4013 für 12 V. Der CD4013 aus der 4000er-Reihe ist ebenfalls ein doppeltes D-Flipflop und läuft direkt an 12 V. Mit CD40106 als Schmitt-Trigger sparst du den 5-V-Regler; das Gate bekommt dann 12 V und jeder MOSFET schaltet voll durch. Achtung: Der CD4013 erlaubt am Takteingang nur Flanken von höchstens 10 μs bei 10 V, ein RC-Glied direkt am Takt geht also nicht.

Selbsthaltung mit dem Mikrocontroller. Soll derselbe Taster das ganze Gerät einschalten, auch den Mikrocontroller, brauchst du eine Selbsthalteschaltung mit MOSFET, bei der der Controller sich selbst wieder abschaltet. Das ist eine andere Schaltung als diese.

Zwei Taster. Willst du getrennte Taster für An und Aus, genügt ein RS-Flipflop aus NAND-Gattern ohne Entprellung.

Typische Fehler

  • Schaltet manchmal zweimal: Die Entprellung fehlt oder ist zu knapp. Am Oszilloskop siehst du am Takteingang mehrere Flanken pro Druck.
  • Startet mal an, mal aus: Der Reset fehlt oder ist zu kurz. Typisch nach kurzem Aus- und Wiedereinschalten: C3 hatte keine Zeit, sich zu entladen. Eine Diode (1N4148) parallel zu R3, Kathode an Pin 3, entlädt ihn beim Abschalten schneller über die fallende Versorgung.
  • Offene Eingänge: Ein offener P̅R̅E̅ oder C̅L̅R̅ lässt das Flipflop bei Berührung kippen. Auch die freie zweite Hälfte des 74HC74 braucht feste Pegel.
  • Rückführung von Q statt von Q̅: Dann übernimmt das Flipflop immer den Wert, den es schon hat, und reagiert gar nicht.
  • MOSFET wird warm: Ein Standard-MOSFET wie der IRF540N ist erst bei 10 V Gate-Spannung voll durchgeschaltet. An 5 V bleibt er halb offen und heizt.

Selbsttest

Warum wird D mit Q̅ verbunden?

Dann liegt an D immer das Gegenteil des aktuellen Zustands. Mit jeder Taktflanke übernimmt Q dieses Gegenteil und wechselt.

Spielt es eine Rolle, wie lange du den Taster hältst?

Nein. Das Flipflop reagiert nur auf die steigende Flanke beim Drücken; Loslassen erzeugt eine fallende Flanke, die nichts bewirkt.

Was passiert ohne Entprellung, wenn der Taster beim Drücken dreimal prellt?

Das Flipflop sieht drei oder mehr Flanken und wechselt entsprechend oft. Ob die Last danach an oder aus ist, hängt davon ab, ob die Zahl gerade oder ungerade ist.

Wie lange dauert der Einschalt-Reset mit R3 = 47 kΩ (typische Schwelle)?

47 ms · ln(5 / 1,78) ≈ 49 ms.

Warum genügt beim IRLZ44N die Gate-Spannung von 5 V?

Er ist ein Logic-Level-Typ, sein Durchlasswiderstand ist für 5 V Gate-Spannung spezifiziert.