Timer für Treppenlichtschaltung mit IC CMOS 4060

Ein Treppenlicht-Timer soll eine für mindestens 1 Minute Licht geben, oder sogar noch für deutlich längere Zeiten. Etwa gar 10 Minuten. Der Timer 555 ermöglicht Zeitschaltungen per RC-Glied. 1 Minute RC-Glied bedeutet einen Kondensator von 600 µF bei einem Widerstand von 100 K. Man kommt da leicht zu unhandlich großen Kondensatoren. Daher erschien dem Verfasser sinnvoll, als Timer einen CMOS Baustein 4060 zu verwenden.

Schaltplan 1:Oszillator mit Frequenzteiler CMOS 4060
Standardschaltung mit RC-Oszillator

Das IC 4060 enthält neben zwei Invertern für die RC- (oder Quarz-)Oszillatorschaltzung noch zusätzlich einen 14-stufigen Frequenzteiler. Laut Datenblatt schwingt der RC-Oszillator nach der Standard R-C- Beschaltung, wie sie im Schaltplan an den IC-Pins 9,10 und 11 dargestellt ist, mit der Periodendauer T nach der Formel

T = 2,2 * R1 * C1

Weil Interesse an einer möglichst hohen Periodendauer besteht, wählen wir hohe aber doch gut erhältliche Werte für Widerstand R und Kondensator C zum Beispiel R = 10k und C = 100nF. Dann folgt eine Periodendauer von 2,2 Millisekunden. Nach dem Ablauf von 2¹³ = 8192 Oszillatortakten also

2,2* 8192 = 18022 = Millisekunden ≅ 18 Sekunden

geht der Ausgang Q14 auf hohen Pegel und der Transistor Q2 schaltet das Treppenlicht aus. Der Frequenzteiler hat die Treppenlichtzeit von 2,2 Millisekunden auf 18 Sekunden verlängert. Das ist aber immer noch viel zu wenig für ein Treppenlicht. Wenn längere Ablaufzeiten mit dieser Schaltung gewünscht sind, müsste etwa der Widerstand R erhöht werden. Das könnte die Schaltung störanfällig machen. Also kommt die Erhöhung der Kondensatorkapazität in Betracht. Die Standardschaltung sieht leider einen ungepolten Kondensator vor. Nennenswert größere Kapazitäten sind da nicht günstig zu beschaffen. Viel günstiger wären Elkos für diesen Zweck. Sie sind aber gepolt und für die Standardschaltung nicht geeignet.

Mit einem Widerstand mehr kann ein alternativer RC-Oszillator aufgebaut werden, der sich für einen gepolten Kondensator im RC-Glied eignet.

Schaltplan 2:Oszillator mit Frequenzteiler CMOS 4060
Alternativer RC-Oszillator mit gepoltem Kondensator

Viele Menschen werden nicht sofort erkennen, wie die beiden Oszillatorvarianten funktionieren.
Sehen wir uns daher den Oszillatorteil im CMOS 4060 genauer an. Im Inneren sind zwei Invertoren hintereinandergeschaltet und an den IC-PINs 9. 10 und 11 zugänglich.

Das Schaltschema dazu:

Schaltplan 3:Oszillatorinnenschaltung von CMOS 4060
mit herausgeführten Pins

Zum Verständnis der Oszillatorfunktion eignet sich der Simulator "ltspice" - ein Windows-Programm, das unter dem Alternativ-Emulator WINE gut gestartet werden kann. In ltspice wurde der Schaltplan 2 mit wenigen Mausklicks eingegeben und mit RC-Glied vervollständigt.

Schaltplan 2a: Schaltplanvariante für die ltspice-Simulation

Als LTSPICE - Modell für die Simulation der Invertoren wurde der Operationsverstärker "UniversalOpamp2" eingesetzt. Tatsächlich verhält sich doch ein Operationsverstärker, dessen +Eingang auf den Pegel der halben Versorgungsspannung gelegt wird, wie ein Inverter. Für diejenigen, die nicht in die Geheimnisse der SPICE - Modelle von LTSPICE eindringen, sondern das System aus der Box benutzen wollen, sind Versuche angesagt. Zum Modell "UniversalOpamp2" sind in der Bibliothek von LTSPICE zahlreiche Alternativen denkbar. Viele Modelle der Operationsverstärker aus dem Angebot von Linear Technology sind verfügbar. Manche funktionieren in der Simulation dieser Schaltung, viele aber auch nicht. Auch der idealisierte Operationsverstärker "Opamp1" und der "Inverter" bewähren sich nicht für die Simulation des Oszillators nach Schaltplan 2a. Bei den idealisierten Oerationsverstärkern/Invertoren wird der Grund auch schnell einsichtig. Als Zwischenergebnisse der Simulation können Spannungen von vielen 1000 Volt in der Schaltung erreicht werden, da die idealisierten Bauteile keine Begrenzung durch die Versorgungsspannung im Modell drin haben. Auch ist zu beobachten, dass die Simulationen mit den zu steilen Flanken der Ideal-Bauelemente Probleme haben können und nach langen Rechenzeiten oft nicht zu einem Ende konvergieren.

Wie gesagt: Mit dem Modell "UniversalOpamp2" klappt die Simulation der Oszillatorschaltung sofort.

LTSPICE Simulation des RC-Oszillators nach Schaltplan 2a

Aus dem simulierten Oszillogramm folgt genau die Periodendauer 2,2 Millisekunden, die laut Datenblatt für die Standardschaltung für den Oszillatorteil des IC CMOS 4060 zu erwarten war.

Oszillatorschaltung für gepolte Elektrolytkondensatoren

Auch die Oszillator-Schaltung 2 kann mit LTSPICE simuliert werden.

Schaltplan 3a: Schaltplanvariante mit Elko im RC-Glied in ltspice-Simulation

LTSPICE Simulation des RC-Oszillators nach Schaltplan 3a

Aus dieser simulierten Oszillation lässt sich eine Periodendauer von 4,52 Millisekunden erkennen. Zum Vergleich wurde das Analogon dieser Schaltung mit einem Baustein CMOS 4060 tatsächlich aufgebaut.

Lochraster-Aufbau von Schaltung 3a

Eagle-Entwurf für Lochraster-Aufbau von Schaltung 3a

Die Realschaltung schwingt mit einer Periodendauer von von 6 Millisekunden. Also etwas langsamer als der Simulator mit gleicher Bestückung. Mit dem Oszilloskop ließ sich auch die Ursache finden: Die erste Inverterstufe hat einen in der Schaltung merkbaren Innenwiderstand, der den Ladestrom des Kondensators C verringert und einen vergleichsweise geringen Verstärkungsfaktor, wodurch ebenfalls die Umladung des Kondensator verlangsamt wird. Man muss also mit längeren Periodendauern rechnen, als in der Simulation bei gleicher Beschaltung mit Widerständen und Kondensator.

Zum weiteren Vergleich der Schaltungen 2a und 3a wurde das typische RC-Glied mit R=10k und C=100n simuliert. Die Standardschaltung (2a) ergibt, wie oben gesagt eine Periodendauer von von 2,2 Millisekunden. Mit den Hilfswiderständen R1 = 47k und R2 = 100k findet der Simulator für die Schaltung von Typ 3a eine Schwingungsperioden-Dauer von 3,3 Millisekunden. Auch hier die Verlängerung der Periodendauer.

Es soll nicht verschwiegen werden, dass in Schaltung für gepolte Kondensatoren (3a) Die Hilfswiderstände R1 und R2 durchaus einen deutlichen Einfluss auf die Periodendauer ausüben. Versuche mit dem Simulator haben gezeigt, dass eine Schwingung nur in Gang kommt, wenn die Bedingung R1 < R2 eingehalten wird. Die Periodendauer wird umso stärker verkürzt, je ungleicher die Widerstände R1 und R2 gewählt werden. Wenn der Oszillator nicht anschwingt, kann es sich lohnen, einen kleinen Kondensator gegen Erde an den Minuseingang des ersten Inverters vorzusehen. Auch ein Stützkondensator für die Versorgungsspannung verbessert die Schwingungseignung der Schaltung.