Die Schaltung in Bild 1 ist mit einem CMOS-IC des Typs 4093 aufgebaut, einem vierfachen NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger (IC1). Dieser Baustein kann Versorgungsspannungen von bis zu 15 V standhalten, mehr als genug für meine Zwecke. Jeweils zwei der Gatter steuern parallel geschaltet die Gates von IRL1404-Leistungs-MOSFETs (Q1, Q2) an.

Bild 1. Die Einschaltzeit dieses Timers liegt bei etwa 100 Minuten, wenn er an einer 12-V-Batterie betrieben wird. Der zweite Timer zeigt die Batteriespannung für etwa 3 Sekunden an.

Am Eingang der Gates IC1A und IC1B befindet sich besagtes RC-Netzwerk mit dem sehr hochohmigen Widerstand R3 und dem „dicken“ 1-mF-Kondensator C1. Die Werte sind so gewählt, dass bei einer Betriebsspannung von 12 V eine Zeitkonstante von ungefähr 100 Minuten erreicht wird.

Der Timer wird über einen gefederten SPDT-Wechseltaster mit Mittelstellung bedient (zwei getrennte Taster könnten die Batterie kurzschließen, wenn man sie gleichzeitig drückt). Im Ruhezustand liegen die Eingänge der Gatter IC1A und IC1B auf high; die Ausgänge sind low und der Transistor sperrt. Damit bleibt die Last CN2 (der Verstärker) abgeschaltet. Drückt man den Taster nun in Richtung R2, liegt low am Schmitt-Trigger, dessen Ausgang auf high kippt und über den Transistor den Verstärker an die Batteriespannung legt. Gleichzeitig lädt sich C1 dank des niedrigen Wertes von R2 sehr rasch auf.

Lässt man den Taster los, sorgt die Spannung über C1 dafür, dass der Verstärker an der Batterie verbleibt. C1 entlädt sich, aber wegen des hohen Wertes von R3 nur sehr langsam. Nach etwa 100 Minuten (wegen der hohen Toleranz des Elkos ist der Timer nicht besonders präzise) ist die Schwelle erreicht, bei der der Schmitt-Trigger wieder zurück kippt, so dass der Transistor die Last wieder von der Batterie trennt. Der Abschaltvorgang lässt sich manuell auf einen Wimpernschlag beschleunigen, wenn man den Taster kurz in die andere Richtung gen R1 antippt.

Um die verbleibenden NAND-Gatter (IC1C/D) nicht zu verschwenden, beschloss ich, ein Voltmeter hinzuzufügen, das den Batteriestatus anzeigt. Dies geschieht aus Energiespargründen aber nur für 2...3 s nach dem Einschalten des Verstärkers. C2 und R4 liefern das Timing für diese Funktion. Wenn Q1 eingeschaltet wird, lädt sich C2 über R4 auf und aktiviert das Voltmeter über Q2. Sobald C2 vollständig aufgeladen ist, schaltet sich das Voltmeter wieder aus. C2 entlädt sich über die Last (den Verstärker) und R4, wenn die Last ausgeschaltet wird.

Das Voltmeter (Bild 2) ist ein Exemplar mit Miniatur-Sieben-Segment-LED-Anzeige, wie man es in vielen Online-Shops zu niedrigen Kosten erhält. Ich habe verschiedene Typen getestet und eine Stromaufnahme von nur 6 mA bis 16 mA festgestellt. Bei der kurzen Anzeigedauer hat das Voltmeter also nur geringe Auswirkungen auf die Standzeit der Batterie. Das gewählte Voltmeter besitzt eine runde schwarze Kunststoffblende, ideal für eine einfache Frontplattenmontage.

Bild 2. Der auf einer Platine aufgebaute Abschalttimer mit dem EIN-AUS-EIN-Taster und dem gewählten Frontplatten-Voltmeter.

Der gewählte MOSFET kann problemlos mit allen möglichen Stromanforderungen von Batterieschaltungen umgehen, da er sich laut Datenblatt für Ströme bis zu 100 A einsetzen lässt. Er kann Gate-Source-Spannungen bis 20 V verarbeiten, wobei die Gate-Schwellenspannung (VGS(th)) zwischen 1,0 V und 3,0 V liegt. Der Schmitt-Trigger-Eingang in den NAND-Gattern sorgt dafür, dass beide MOSFETs entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet werden, was eine minimale Stromaufnahme garantiert. Mein Multimeter kann Ströme bis hinunter zu 100 nA messen, aber Tests ergaben, dass die Stromaufnahme im ausgeschalteten Zustand unter diesem Wert lag.

Der Drain-Source-Einschaltwiderstand der MOSFETs beträgt weniger als 6 mΩ, was bedeutet, dass die Schaltung wenig Einfluss auf den Verstärker hat und dass die Anzeige im Voltmeter tatsächlich die wahre Batteriespannung widerspiegelt. Die MOSFETs stecken Ströme bis 800 mA kaltlächelnd weg, so dass ich keinen Kühlkörper verwenden musste. Sollten größere Lasten an die Schaltung angeschlossen werden, könnte dies aber sehr wohl nötig sein. Ich sah auch keinen Bedarf für eine Diode in meiner Anwendung, aber wenn man eine induktive Last versorgen möchte, sollte man eventuell zwischen Drain und Source eine 1N4007 „falsch herum“ einbauen, um Q1 vor Rück-EMF zu schützen.

 

(190030-02)

 

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