Ein Verstärker knackt beim Einschalten laut in den Lautsprechern, weil sich seine Versorgung erst stabilisieren muss. Eine Pumpe soll erst anlaufen, wenn die Steuerung hochgefahren ist. Ein Netzteil soll seinen Einschaltstrom erst über einen Widerstand begrenzen und ihn nach einer Sekunde überbrücken. Allen gemeinsam ist eine Aufgabe: etwas einige Sekunden nach dem Einschalten zuschalten, ohne Mikrocontroller und ohne Programm.
Das Zeitglied ist ein RC-Glied. Der Kondensator lädt sich nach dem Einschalten langsam um, und wenn seine Spannung eine Schwelle erreicht, schaltet die Last. Damit der Schaltpunkt sauber und eindeutig ist, sitzt dazwischen ein Schmitt-Trigger. Hier baust du eine Einschaltverzögerung für ein Lautsprecherrelais an 12 V.
Schaltplan
- C1, 33 μF, und R1, 100 kΩ: das Zeitglied. C1 ist ein Aluminium-Elko, der Pluspol liegt an +12 V. R1 ist ein gewöhnlicher Festwiderstand.
- D1, 1N4148: entlädt C1 beim Ausschalten schnell, damit die nächste Verzögerung wieder voll abläuft.
- IC1A, CD40106B: ein invertierender Schmitt-Trigger aus der CMOS-Familie 4000. Er läuft direkt an 12 V und braucht praktisch keinen Eingangsstrom.
- T1, BS170: ein kleiner N-Kanal-MOSFET als Low-Side-Schalter für die Relaisspule.
- K1, Relais 12 V: schaltet mit seinem Schließer den Lautsprecher zu. Die Spule nimmt etwa 30 mA auf.
- D2, 1N4148: die Freilaufdiode für die Relaisspule.
So funktioniert die Schaltung
Einschalten. Beim Einschalten ist C1 leer, und ein leerer Kondensator überträgt einen Spannungssprung voll. Der Eingang 1A springt deshalb mit der Versorgung auf 12 V. Der Schmitt-Trigger sieht high und gibt low aus; T1 sperrt, das Relais bleibt offen.
Ablauf der Zeit. Über R1 fließt Strom, C1 lädt sich auf, und die Spannung am Eingang sinkt nach der bekannten Kurve aus Kondensator an Gleichspannung:
Schalten. Erreicht sie die untere Schwelle UN des Schmitt-Triggers, kippt der Ausgang auf high. T1 leitet, das Relais zieht an. Die Hysterese des Schmitt-Triggers sorgt dafür, dass der Ausgang nicht zittert, obwohl sich der Eingang nur langsam durch die Schwelle bewegt. Ein normaler Inverter oder ein MOSFET direkt am RC-Glied würde hier eine Weile im Zwischenbereich hängen – das Relais flattert, und der Transistor wird warm.
Ausschalten. Fällt die Versorgung weg, fällt die obere Seite von C1 auf 0 V. Seine Ladung drückt den Eingang dabei unter Masse. D1 leitet ab −0,7 V, entlädt C1 innerhalb von Millisekunden über die Versorgung und schützt nebenbei den Eingang des ICs. Ohne D1 bliebe nach einer kurzen Unterbrechung Ladung in C1, und beim Wiedereinschalten wäre die Verzögerung zu kurz.
Dimensionierung
Die Aufgabe: Das Relais soll etwa 3 s nach dem Einschalten anziehen. Ob es 2 oder 4 s sind, ist egal; zu kurz sollte es nicht werden.
1. Schwelle aus dem Datenblatt. Der CD40106B ist für 10 V und 15 V spezifiziert. Für die untere Schwelle UN nennt das Datenblatt bei 25 °C:
| Versorgung | min. | typ. | max. |
|---|---|---|---|
| 10 V | 2,5 V | 3,9 V | 5,2 V |
| 15 V | 4,0 V | 5,8 V | 7,4 V |
Linear dazwischen gerechnet ergibt das bei 12 V etwa 3,1 V, 4,7 V und 6,1 V.
2. Zeitkonstante. Aus der Gleichung oben folgt die Verzögerung
(siehe Logarithmus). Mit dem typischen Wert ist ln(12 V / 4,7 V) ≈ 0,95, also muss τ ≈ 3 s / 0,95 ≈ 3,2 s sein.
3. Bauteile wählen. Der Widerstand sollte nicht zu groß sein, weil der Leckstrom des Elkos sonst die Rechnung verfälscht. Mit R1 = 100 kΩ und C1 = 33 μF:
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
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.
4. Streubereich prüfen.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| C1 | 33 μF, 25 V, Aluminium-Elko | Pluspol an +12 V; für engere Toleranz ein Folienkondensator |
| R1 | 100 kΩ, 0,25 W | |
| D1, D2 | 1N4148 | D1 Kathode an Pin 1, D2 Kathode an +12 V |
| IC1 | CD40106B | 3 bis 18 V; unbenutzte Eingänge an VSS legen |
| T1 | BS170 | 60 V, 500 mA, TO-92 |
| K1 | Relais 12 V, Spule ca. 400 Ω | Kontakte für den Lautsprecherstrom ausgelegt |
Varianten
Genauer mit dem NE555. Beim NE555 hängen beide Schwellen fest an 1/3 und 2/3 der Versorgung. Die Zeit ist dann 1,1 · R · C – unabhängig von der Versorgung und vom Exemplar. Wie das geht, steht unter NE555 als Monoflop.
Ausschaltverzögerung. Soll das Relais nach dem Abschalten eines Steuersignals noch eine Weile anbleiben, lädt das Signal C1 über eine Diode schnell auf, und R1 entlädt ihn langsam. Das Prinzip ist dasselbe, nur die Richtung ist umgekehrt.
Reset für Mikrocontroller. Mit kleineren Werten, etwa 10 kΩ und 10 μF, hält dieselbe Schaltung einen Reset-Eingang beim Einschalten kurz fest; siehe Power-on-Reset.
Einschaltstrom begrenzen. Ein Relais, das einen Vorwiderstand im Netzteil nach einer Sekunde überbrückt, ist ein typischer Einsatz; siehe Einschaltstrombegrenzung.
Ohne IC. Ein Darlington-Transistor direkt am RC-Glied geht auch, schaltet aber schleichend und hängt stark von der Temperatur ab. Für einfache Anwendungen ohne Anspruch an den Schaltpunkt reicht das.
Typische Fehler
- Elko verpolt: Der Pluspol gehört an +12 V, nicht an den Eingang. Verpolt steigt der Leckstrom stark, und die Zeit wird unberechenbar.
- D1 vergessen: Nach kurzem Aus- und Wiedereinschalten zieht das Relais sofort an. Teste die Schaltung genau so, mit einer Unterbrechung von einer halben Sekunde.
- Langsam ansteigende Versorgung: Braucht das Netzteil selbst eine Sekunde, um hochzulaufen, überträgt C1 keinen sauberen Sprung, und die Verzögerung wird kürzer. Miss die Versorgung beim Einschalten mit dem Oszilloskop.
- Zu großes R: Mit 1 MΩ und 3,3 μF ergibt sich zwar dieselbe Zeitkonstante, aber Leckströme und Feuchtigkeit auf der Platine verschieben den Schaltpunkt deutlich.
- Offene Eingänge am CD40106B: Die fünf unbenutzten Inverter schwingen sonst und ziehen Strom. Lege ihre Eingänge an VSS.
Selbsttest
Wie lang ist die typische Verzögerung mit R1 = 220 kΩ und C1 = 22 μF an 12 V?
τ = 4,84 s, t = 4,84 s · 0,95 ≈ 4,6 s.
Warum sitzt ein Schmitt-Trigger zwischen RC-Glied und Transistor?
Der Eingang ändert sich nur langsam. Ohne Hysterese hinge der Ausgang lange im Zwischenbereich, und das Relais würde flattern.
Wozu dient D1?
Sie entlädt C1 beim Ausschalten schnell und schützt den Eingang vor negativer Spannung. Ohne sie wäre die Verzögerung nach einer kurzen Unterbrechung zu kurz.
Welche Zeitkonstante brauchst du für 10 s Verzögerung mit dem typischen Wert?
τ = 10 s / 0,95 ≈ 10,5 s, etwa 100 kΩ und 100 μF.
Warum ist die Verzögerung ungenau, obwohl R und C genau bekannt sind?
Die Schaltschwelle des CD40106B streut zwischen Exemplaren um mehr als ±1 V; sie geht über den Logarithmus direkt in die Zeit ein.