Relais mit R/S Flip Flop schalten: Wie Werte berechnen ?

[Ronn (Gast)]

Hallo,

ich bin relativ unerfahren im elektrotechnischen Bereich und versuche 
seit ein paar Tagen mir das Wissen anzueignen um mein Vorhaben(siehe 
unten) zu realisieren.

Mein Vorhaben:

Über FlipFlops, ich hatte an einen Mos4043(4xR/S FlipFlop) gedacht 
sollen Relais(Umschaltrelais) geschaltet werden. Die FlipFlops werden 
dabei von verschiedenen Tastern(Schließern) angesteuert welche jeweis 2 
Stromkreise schalten können. So soll beim Drücken von Taster 1 
ausschließlich Relais 1 schließen, bei Taster 2 ausschließlich Relais 2 
bei Taster 3 ausschließlich Relais 3 usw .

Wie weit ich mit meiner Schaltung bin(nur für einen Set und Reset Taster 
dargestellt) seht Ihr im Anhang.

Meine Fragen:
(Da ich große Schwierigkeiten habe die Datenblätter richtig zu deuten.)

Wie kann ich berechnen, wie groß die Wiederstände R1, R2, R3 sein 
müssen?
Wie kann ich berechnen, was die Freilaufdiode für Daten haben muss(bei 
verschiedenen Realis)?
Wie kann ich berechnen wie groß Q1 sein muss(bei verschiedenen IC's und 
Relais)?
(Alles natürlich auch in Abhangigkeit von der Versorgungsspannung.)

Wenn Ihr mir das erklären könntet wäre Ich sehr dankbar da ich mit der 
Auswahl der Spezifikationen der Bauteile momentan überfordert bin.

Als letztes hätte ich noch eine Frage zu Freilaufdioden:
Sind diese bei weiteren Relais, die ich von dem Relais aus meiner 
Schaltung schalten lasse auch erforderlich?

Vielen Dank

[HildeK (Gast)]

>Wie kann ich berechnen, wie groß die Wiederstände R1, R2, R3 sein
>müssen?
Bei R1 und R2 nimm einen Wert zwischen 5k und 20k, da braucht man nicht 
viel berechnen.

R3 hängt jetzt von vielem ab. Angefangen vom Relais(spulenwiderstand), 
vom verwendeten Transistor und von der Versorgungsspannung.
Zunächst muss die Versorgungspannung gewählt werden - die wird durch den 
Relaistyp vorgegeben. Dann wird über den Spulenwiderstand der Strom 
Irelais bestimmt (nach Ohm). Den sollte der Transistor, mit deutlicher 
Reserve, auch können. Im Datenblatt des gewählten Transistors steht ein 
minimaler Stromverstärkungsfaktor Bmin. Damit wird dann der notwendige 
Basisstrom berechnet, Irelais/B. Jetzt noch mit dem Faktor 2-3 
multiplizieren. Das gibt dann den gewählten Basisstrom. Jetzt mit der 
Versorgungsspannung des 4043 (minus 0.7V) und dem Basistrom den R3 
berechnen - wieder nach Ohm.

Für die Freilaufdiode gibt es nicht viel zu berechnen. Man nimmt eine 
Standarddiode, z.B. 1N4148. Sie sollte nur eine ausreichend hohe 
Sperrspannung haben - größer als die Versorgungsspannung des Relais. Das 
gilt jetzt für keinere Relais, richtig fette Teile, die sehr niederohmig 
sind, benötigen u.U. eine stärkere Diode.

Nachgeschaltete Relais schadet eine Freilaufdiode auch nicht, wenn diese 
mit Gleichspannung betrieben werden. Sie muss dran sein, wenn die 
anderen Relais auch dieselbe Versorgung nutzen. Bei Wechselspannung geht 
eine Diode nicht.

[Ronn (Gast)]

Vielen Dank erst einmal für deine Mühe.

Das mit der Diode ist mir nun klar(Sperrspannung > 
Relaisversorgungsspannung).

Als Versorgungspannung würde ich wahrscheinlich 6 Volt (DC natürlich) 
wählen.

Als Relais würde ich eines mit diesen Spezifikationen wählen:
• Max. Schaltspannung: 60 VDC / 250 VAC
• Max. Schaltleistung: 240 W / 2770 VA
• Ansprechleistung: <200 mW
• Spulenspannung: 6 VDC
• Innenwiderstand: 100 Ohm

noch offene Fragen:

- Wie wirken sich denn unterschiedliche Werte der Wiederstände R1 und R2 
aus und woher wusstest du, dass ich einen zwischen 5K und 20K nehmenm 
kann? (Ich möchte gerne das Prinzip verstehen)
- Kann ich den 4043 etwa nicht direkt an die 6 Volt anschließen (du 
schreibst 0,7V)?
- Die nachgeschalteten Relais sollen z.b. Signale von Tonabnehemern 
einer elektrischen Gitarre schalten(also wohl eher keinen Gleichstrom?) 
daher bräuchte ich für diese keine Dioden?
- Den Stromverstärkungsfaktor (Bmin) des Transistors konnte ich in den 
Datenblättern nicht finden ? Wäre super, wenn du für meine Schaltung 
einen Beispieltransistor hättest, an dem ich das dann nachvollziehen 
kann.

[HildeK (Gast)]

>- Wie wirken sich denn unterschiedliche Werte der Wiederstände R1 und R2
>aus und woher wusstest du, dass ich einen zwischen 5K und 20K nehmenm
>kann? (Ich möchte gerne das Prinzip verstehen)
Es würden auch 100 Ohm oder 100 kOhm gehen. (kleiner Hinweis: Widerstand 
schreibt man nicht mit 'ie'. Der Unterschied wird hier deutlich: "Hab 
ich fünf Bier vor mir, kann ich nicht widerstehen, habe ich fünf Bier 
hinter mir, kann ich wieder nicht stehen")

Wenn der Taster offen ist, muss der Eingang nach GND gezogen werden. Da 
die CMOS-Eingänge praktisch keinen Strom aufnehmen, reicht da bereits 
ein recht hochohmiger Widerstand. Ist er zu hochohmig, könnten leicht 
auch Störungen durch Einkopplung eine Schaltung auslösen, besonders 
dann, wenn die Leitungen zu den Tastern lang wären. Die untere Grenze 
ist nur dadurch gegeben, was deine Versorgungsspannung liefern kann, was 
dein Taster an Strom verträgt und was du bereit bist, an Energie zu 
spendieren. Also keine Formel, nur eine Betrachtung der Erfordernisse, 
äußeren Einflüsse etc.

>- Kann ich den 4043 etwa nicht direkt an die 6 Volt anschließen (du
>schreibst 0,7V)?
Die 0.7V sind die BE-Spannung des Transistors. Der 4043 kann mit 6V 
betrieben werden und liefert dann auch recht genau 6V am Ausgang. Um den 
Widerstand zu bestimmen, liegen an diesem die 6V - 0.7V an.

>- Die nachgeschalteten Relais sollen z.b. Signale von Tonabnehemern
>einer elektrischen Gitarre schalten(also wohl eher keinen Gleichstrom?)
>daher bräuchte ich für diese keine Dioden?
Du sollts ja die Dioden nicht an den Kontakten, sondern parallel zur 
Erregerspule anbringen. Und wenn du kleinste Audiosignale schalten 
willst, dann erst recht! Die beim Abschalten eines Relais entstehenden 
Spannungsspitzen werden über die Dioden abgeleitet, wenn sie nicht da 
sind, über den treibenden Transistor (der geht dabei kaputt) oder als 
Funke über das primäre Relais. Das gibt Kontaktabbrand und Störungen. 
Nur wenn das zweite Relais mit Wechselstrom (an der Erregerspule!) 
geschaltet wird, dann können Dioden zum Löschen nicht verwendet werden.
Kleine Zwischenfrage: Warum brauchst du so ein kräftiges Relais, um 
Tonsignalrelais (i.d.R. kleinste Reed-Relais) zu schalten?

>- Den Stromverstärkungsfaktor (Bmin) des Transistors konnte ich in den
>Datenblättern nicht finden ? Wäre super, wenn du für meine Schaltung
>einen Beispieltransistor hättest, an dem ich das dann nachvollziehen
>kann.
Nimm einen BC337.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/3/06i96k727i3oloo2gis1ozg0jlyy.pdf
Den gibt es als -16, -25 und -40. Diese Zahlen kennzeichnen die typische 
Stromverstärkung (in dem Datenblatt als hFE bezeichnet, manchmal auch 
als B oder Beta). Mit dem -16 ist der minimale Wert dann B=100.
Dein Relais hat 6V und 100 Ohm, benötigt also 60mA. 60mA/100 gibt 0.6mA. 
Zur sicheren Durchsteuerung kommt jetzt noch ein Faktor 2-3 (oder auch 
5), ergibt 2mA (es rechnet sich leichter :-)). (6V-0.7V)/2mA ergibt rund 
2,7kOhm für den R3. Fertig. Wegen der Sicherheitsfaktoren wäre auch ein 
1k, 2.2k, oder ein 3.3k genauso verwendbar gewesen.
Normalerweise hätte ich das geschätzt - das hätte dir aber sicherlich 
noch weniger gebracht ...

Siehe auch (alles als Support in diesem Forum):
Standardbauelemente
Basiswiderstand
Transistor

[Ronn (Gast)]

Danke !

Dein Beitrag hat mir sehr geholfen.

Zu dem Relais:
Ich denke es würde auch ein schwächeres gehen, jedoch kann ich nicht 
wirklich sagen, was für Spannungen anliegen und dachte mir: stärker 
schadet nicht, außerdem ist das ausgewählte Relais noch recht günstig zu 
haben.
Wenn es aus irgendwelchen Gründen jedoch vorteilhaft ist ein kleineres 
Relais zu nutzen würde ich mich auch hier gern belehren lassen :-) .

Vielen Dank für deine Hilfe nochmal

[HildeK (Gast)]

Wenn ich dich richtig verstanden habe, willst du mehr als ein Relais 
verwenden, um (kleine) Audiosignale zu schalten.

IMHO nicht notwendig ist es, diese Relais zu kaskadieren. Schalte diese 
Audio-Signal-Relais doch direkt mit dem Transistor! Je nach 
Wicklungswiderstand gehen da mehrere parallel. Wenn diese zusammen 
zuviel Strom benötigen, dann hilft auch ein n-MOSFET anstatt eines 
normalen Transistors.

Noch einfacher könnte es sein, einfach sogenannte bistabile Relais zu 
verwenden. Da gibt es zweierlei Ausführungen: welche mit zwei Wicklungen 
für Ein und Aus und welche, die hier weniger geeignet sind, mit einer 
Wicklung, die man zum Umschalten umpolen muss. Bei ersteren kannst du 
ohne weitere Beschaltung die Taster direkt anschließen - keine Rs, kein 
4043, kein Transistor und sie brauchen nur kurz Strom, wenn umgeschaltet 
wird.
Oft sind diese auch mit zwei (Umschalt-)Kontakten erhältlich, so dass 
zwei Signalleitungen gleichzeitig geschaltet werden können.
Die sind häufig in der Größe etwa eines DIL16 zu finden. Suche mal nach 
'bistabile Relais' oder 'SDS'. Conrad und Reichelt sollten welche im 
Programm haben. Zugegeben, ich bin gerade zu faul, um dir eine 
Bestellnummer herauszusuchen ....

Achte bei der Auswahl nicht auf große Spannungs- und Strombelastbarkeit, 
sondern eher auf Begriffe wie 'Kleinsignal', 'Signalrelais', 'NF-Relais' 
o.ä. Hermetisch gekapselte Kontakte sind eigentlich auch ein Muss.
Mit Relais für große Ströme wirst du auf Dauer nicht glücklich, denn die 
brauchen zur Kontaktreinigung einen Mindeststrom mit etwas Funkenflug 
beim Schalten. Bei Audiosignalen hörst du sonst im Laufe der Zeit 
bereits kleine mechanische Erschütterungen als Krachen wegen des höher 
werdenden Übergangswiderstandes.

>... außerdem ist das ausgewählte Relais noch recht günstig zu
>haben.
Ja sicher. Aber es muss dem Zweck angepasst sein. Sonst erfüllt es die 
Funktion nur unzureichend. Zugegeben, meine Vorschläge sind vielleicht 
etwas teurer. Solltest du aber mit der Gitarre auf die Bühne gehen, dann 
rate ich dir dringend zur besseren Lösung!

>würde ich mich auch hier gern belehren lassen :-)
Ich will dich nicht belehren - du erhälst einige Fakten, Hintergründe 
und Hinweise zum selber Nachdenken und Verstehen.