Das universelle Relais-Schaltmodul, Teil 2

Die internen Dioden an jedem Eingang begrenzen die Spannung auf den Bereich Vss - 0,7 V bis Vdd + 0,7 V. Bei einer Betriebsspannung von 5 V werden also keine Spannungen unter -0,7 V und über 5,7 V zugelassen. Es besteht daher kaum eine Gefahr mehr für die dünne Gate-Isolierung der Eingangstransistoren. Aber man muss unbedingt dafür sorgen, dass der maximale Strom durch die Schutzdioden begrenzt wird. Viel mehr als etwa 1 mA sollte hier niemals fließen.

CMOS-ICs kennen oft den sog. Latchup-Effekt. Die Schutzdioden an den Eingängen bilden ungewollt einen Thyristor, der durch einen zu großen Diodenstrom gezündet werden kann. Das führt dann zu einem großen Strom über die Betriebsspannungsanschlüsse. Wer sich schon einmal völlig unerwartet an einem CMOS-IC die Finger verbrannt hat, ist wahrscheinlich ein Opfer dieses Latchup-Effekts geworden.

In der Bastelkiste findet sich vielleicht CMOS-IC, das man sowieso nicht mehr braucht. Damit kann man versuchen, den gefürchteten Zustand mit Absicht herbeizuführen. Die folgende Schaltung erinnert an einen Aufbau mit einem Thyristor. Ein kurzer Stromstoß aus dem Elko kann den parasitären Thyristor zünden und die Lampe einschalten. Allerdings unterscheidet sich die Zündfreudigkeit der ICs unterschiedlicher Hersteller.

Für den normalen Einsatz muss man alles daran setzen, den Latchup-Fall zu verhindern. Lange Leitungen an CMOS-Eingängen sind aber immer ein Risiko. Oft reicht eine versehentliche Berührung, wenn jemand statische Ladungen trägt. Oder ein in der Nähe einschlagender Blitz kann einen großen Spannungsimpuls auf der Leitung erzeugen. Manchmal reichen sogar die Schaltfunken größerer Maschinen, um einen CMOS-Eingang zu beschädigen.

Es gibt unterschiedlich aufwendige Methoden, Spannungsimpulse von den Eingängen fernzuhalten. Am einfachsten ist der Einsatz von hochohmigen Reihenwiderständen mit ca. 100 kOhm. Da die Eingänge selbst sehr hochohmig sind, ändern die Widerstände nichts an der Funktion, solange es nicht um sehr große Signalfrequenzen geht.

Die folgende Schaltung zeigt den Einsatz der Schutzwiderstände für jeden Eingang des 4027. Damit erreicht man eine gute Sicherheit gegen versehentliche Zerstörung durch Fremdspannung an den Eingängen. Zugleich wird hier auch versucht, die Schaltung mit einem einfachen RC-Glied zu entprellen.

Die Sicherheit gegen Störungen ist nun gegeben. Die Entprellung ist allerdings noch nicht ausreichend. Mit sehr guten Schaltern funktioniert es zwar einwandfrei, in vielen Fällen jedoch nicht. Für einen Schalter mit längerer Prellzeit müsste man die Zeitkonstante erhöhen, also den Kondensator oder seinen Parallelwiderstand vergrößern. Die kurze Zeit zwischen den einzelnen Prellvorgängen reicht dann nicht, um den Kondensator ausreichend zu entladen. Der CMOS-Eingang erkennt einen eindeutigen High-Pegel.

Aber eine große Zeitkonstante führt zu einer geringen Steilheit der abfallenden Flanke. Damit kommt der Clockeingang nicht zurecht. Es entstehen wieder Fehler. Man kann also mit dieser einfachen Entprellung im Einzelfall Erfolg haben, es ergibt sich jedoch keine sichere Lösung.

Die richtige Lösung ist, einen Schmitt-Trigger vorzuschalten. An seinem Ausgang entstehen immer eindeutige Rechtecksignale. Einen Schmitt-Trigger kann man aus einem CMOS-Puffer und zwei Widerständen aufbauen. Der 4027 enthält zwei JK-Flipflops, von denen eines bisher unbenutzt blieb. Unter ganz bestimmten Umständen arbeitet die Schaltung auch als Puffer. Wenn nämlich R und S gleichzeitig hochgesetzt werden, ist der Q-Ausgang grundsätzlich gesetzt. Damit ist der S-Eingang der Eingang des nachgebildeten Puffers, wenn R hochliegt.

Und wenn der erste Prototyp gut funktioniert, wird eine Platine entworfen. Doch dazu mehr in der nächsten Folge.