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Je nach Polarität einer angelegten Prüfspannung zieht ein Relais an. Die Ansprechspannung ist für beide Polaritäten getrennt im Breich von ca. 0,1V bis ca. 1,6V einstellbar. Die Prüfspannung, die Betriebsspannung und die Schaltspannung sind voneinander galvanisch getrennt.

Bei verschiedenen Steuerungsaufgaben kann es manchmal notwendig oder wünschenswert sein, bestimmte Schaltvorgänge von der Polarität einer sich (langsam) ändernden Spannung abhängig zu machen. Dabei soll einerseits der Schaltvorgang so früh wie möglich ausgelöst werden und andererseits soll die zu prüfende Spannung große Werte annehmen können und die Prüfspannung so wenig wie möglich belasten. Die einfache Variante mit einem Relais und einer in Reihe geschalteten Diode hat den Nachteil, dass das Relais erst bei seiner Versorgungspannung (z.B. 5V) anspricht. Wenn die Spannung weit über die Betriebsspannung des Relais ansteigt, wird es schnell überlastet.

Diese Schaltung soll bei diesem oder vergleichbaren Problemen helfen. Je nach Polarität der angelegten Prüfspannung wird ein Relais geschaltet. Liegt die Prüfspannung bei 0V ist kein Relais angezogen. Die Schaltgrenzen (Ansprechspannungen) können mit den Spindeltrimmern für beide Polaritäten getrennt im Bereich von ca. 0,1V bis ca. 1,6V eingestellt werden. Die Prüfspannung, die Betriebsspannung und die Schaltspannung sind galvanisch
voneinander getrennt. Über die Relaiskontakte können dann weitere Schaltvorgänge - ebenfalls
unabhängig von der Betriebsspannung - ausgelöst werden. Der
Betriebsspannungsbereich von 9--36V erlaubt ein Betrieb im Modellbahnbereich (12V--16V AC/DC) sowie in der Steuerungstechnik (24V DC).

Hauptbestandteil der Schaltung sind zwei als invertierende Komparatoren geschaltete Operationsverstärker (OPV). Die zu prüfende Spannung wird über den Widerstandsteiler R1/R10 den invertierenden Eingängen der OPV zugeführt.
Die interne Spannungsversorgung erfolgt über ein DC/DC-Wandler. Dadurch wird eine galvanische Trennung zwischen der Betriebsspannung und der Prüfspannung erreicht. Gleichzeitig wandelt der DC/DC-Wandler die Betriebsspannung in die interne Versorgungsspannung von +-5V um. Diese wird durch die LED's L3 und L4 angezeigt.
Die antiparallel geschalteten Z-Dioden D1 und D2 begrenzen die Spannung an den invertierenden Eingängen auf ca. 4V und schützen so die OPV's vor Zerstörung bei zu hohen Eingangspannungen. Die Kondensatoren C2 und C3 dienen der Unterdrückung von Störimpulsen und verhindern ein Flattern der Relais.
Die Referenzspannung der Komparatoren wird mit den Widerständen R2/R3 bzw. R6/R7 erzeugt. Über die Spindeltrimmer kann die Spannung in einem Bereich von 0V bis ca. 1,6V bzw. 0V bis -1,6V sehr genau eingestellt werden.
Die Komparatoren sind mit einer Hysterese bestehend aus R4/R5 bzw. R8/R9 ausgestattet. Die Hysterese sichert ein sauberes Umschalten der Ausgangsrelais am Umschaltpunkt und verhindert ein Relaisflattern.
Im Ausgangszustand (Prüfspannung 0V ) liegt am nichtinvertierenden Eingang IC1a die eingestellte Referenzspannung, die größer als 0V ist. Am invertierenden Eingang liegt die Prüfspannung mit 0V. Damit hat der nichtinvertierende Eingang gegenüber den invertierenden Eingang ein höheres Potential und der Ausgang von IC1a geht auf +U_b.
Beim IC1b liegt im Ausgangszustand (Pr"ufspannung 0V ) am nichtinvertierenden Eingang die eingestellte Referenzspannung, die kleiner als 0V ist. Am invertierenden Eingang liegt die Prüfspannung mit 0V. Damit hat der
nichtinvertierende Eingang gegenüber dem invertierenden Eingang ein niedrigeres Potential und der Ausgang von IC1b geht auf -U_b.
Angenommen, die Prüfspannung wird jetzt positiver. Steigt die Pr"ufspannung soweit an, dass sie größer als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1a wird, schaltet der Komparator IC1a von +U_b nach -U_b . Fällt die Spannug soweit ab, dass sie kleiner als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1a wird, schaltet der
Komparator IC1a wieder von -U_b nach +U_b .
Analog verhält sich IC1b bei negativer Prüfspannung. Fällt die Prüfspannung unter die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1b, schaltet der Komparator IC1b von -U_b nach +U_b . Steigt die Prüfspannung wieder soweit an, dass sie größer als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1b wird, schaltet der Komparator IC1b von +U_b nach -U_b .
Die Spannungen an den nichtinvertierenden Eingängen und damit die Umschaltspannungen können mit folgender
Formel berechnet werden. Für den Umschaltpunkt des Komparator IC1a bei steigender Spannung U_H (einschalten) gilt Gleichung Gl1, bei fallender Spannung U_L (ausschalten) Gleichnung Gl2 .


In Tabelle 2 sind einige Umschaltspannungen abhängig von U_ref aufgelistet.

Uref	UH	UL
0,0V	0,12V	-0,12V
0,2V	0,32V	0,07V
0,4V	0,51V	0,26V
0,6V	0,71V	0,46V
0,8V	0,90V	0,65V
1,0V	1,10V	0,85V
1,2V	1,29V	1,04V
1,4V	1,49V	1,24V
1,6V	1,68V	1,43V

Die Ausgänge der Komparatoren sind über die Widerstände R11 und R12 zusammengeschaltet. Durch diese Zusammenschaltung werden am Knotenpunkt der beiden Widerstände (Ausgang) 3 Ausgangszustände erreicht (Tabelle 2).

	IC1a	IC1b	Ausgang
1.	-Ub	-Ub	-Ub
2a.	+Ub	-Ub	0V
2b.	-Ub	+Ub	0V
3.	+Ub	+Ub	+Ub

Das Leiterplattenlayout wurde mit dem Programm SPRINT-Layout der Fa. Abacom (http://www.abacom-online.de) erstellt.
Die Datei kann auch ohne die Software direkt zur Herstellung der Leiterplatte genutzt werden. Bei der Bestellung z.B. im  Conrad-Leiterplattenservice (http://www.conrad-leiterplattenservice.de) wird das SPRINT-Format direkt unterstützt. Die Datei kann somit bei der Bestellung direkt hochgeladen werden.
Möchten Sie die Leiterplatte komplett selbst herstellen, finden Sie das Platinenlayout im Anhang.

Zuerst werden die niedrigen Bauteile wie die Widerstände R1, R2, R4, R5 und R7 - R18, die Dioden D1 - D6, die Brücke Br1 und der Gleichrichter Gl1 eingelötet. Die Widerstandswerte sind über Farbringe kodiert. Mit Hilfe der Tabelle 6 können die Werte ermittelt und entspechend der Stückliste eingelötet werden. Bei den Dioden ist auf die richtige Polarität zu achten. Die Kathode ist immer mit einem Ring gekennzeichnet. Der Gleichrichter Gl1 ist lagerichtig einzusetzen. Die mit ~ gekennzeichneten Anschlüsse m"ussen zur Buchse Bu2 zeigen.

Als nächstes können die Kondensatoren C2, C3 und C4 eingesetzt und verlötet werden.

Danach folgt der IC-Sockel für IC1 und die Transistoren T1 und T2. Die Markierung des IC-Sockels zeigt dabei zu den 3poligen Buchsen Bu3 und Bu4. Die Tranistoren sind mit der abgeflachten Seite, wie auf dem Bestückungsdruck angegeben, einzusetzten.

Nun wird der Kondensator C1 eingesetzt. Bei Elektrolytkondensatoren ist, wie bei Dioden, auf die Polarität zu achten. Der Pluspol des Kondensators ist bei radialen (liegenden) Kondensatoren meist mit einer Einkerbung gekennzeichnet. Bei axialen (stehenden) Kondensatoren ist der Minuspol gekennzeichnet.

Jetzt sind die LED's L1 - L4, und die Spindeltrimmer R3 und R6 an der Reihe. Die LED's haben zwei unterschiedlich lange Anschlußdräte. Der Längere ist dabei immer die Anode, der Kürzere die Kathode. Das Gehäuse ist außerdem an der Kathode abgeflacht.

Zum Schluß kommen die Buchsen Bu1, Bu2, Bu3 und Bu4, der DC/DC-Wandler N1 sowie die Relais K1 und K2.

Setzen Sie nun noch den Operationsverstärker IC1 lagerichtung in die Fassung.

Nach Abschluß der Bestückung ist die gesamte Leiterplatte nochmals auf Fehler zu überprüfen. Kontrollieren Sie, ob alle Bauteile richtig eingesetzt sind, ob sich Draht- oder Lötzinnreste auf der Platine befinden. Daduch können unliebsame Kurzschlüße entstehen. Kontrollieren Sie, ob alle Lötstellen sauber verlötet und keine kalten Lötstellen entstanden sind.

Zur einwandfreien Funktion der Schaltung ist ein Abgleich erforderlich.

1. Rrennen Sie den Baustein von der Betriebsspannung oder schalten Sie die Betriebsspannung aus.
2. Drehen Sie die beiden Spindeltrimmer R3 und R6 gegen den Uhrzeigersinn, bis zum Anschlag (max. 24 Umdrehungen).
3. Schließen Sie den Baustein an die Bertriebspannug an, bzw. schalten Sie sie ein.
4. Stellen Sie die Prüfspannung auf 0V und schließen Sie sie an den Baustein an.
5. Erhöhen Sie die Prüfspannung, bis ein Relais anzieht.
6. Verringern Sie die Prüfspannung wieder auf 0V. Das Relais bleibt angezogen.
7. Drehen Sie jetzt den Spindeltrimmer neben dem angezogenen Relais solange im Uhrzeigersinn, bis das Relais abfällt.
8. Ändern Sie die Polarität der Prüfspannung.
9. Wiederholen Sie die Schritte 5-7 mit dem anderen Trimmer und dem anderen Relais.

Der Baustein ist damit am Empfindlichsten eingestellt. Das heißt, die Ausgänge werden bei geringstmöglicher Spannung geschaltet. Sollte dies nicht gewünscht sein, kann der Abgleich auch auf eine höhere Ansprechspannung (max. 1,6V) erfolgen. Gehen Sie dazu wie folgt vor.

1. Trennen Sie den Baustein von der Betriebsspannung oder schalten Sie die Betriebsspannung aus.
2. Drehen Sie die beiden Spindeltrimmer R3 und R6 im Uhrzeigersinn bis zum Anschlag (max. 24 Umdrehungen).
3. Schließen Sie den Baustein an die Bertriebspannug an, bzw. schalten Sie sie ein.
4. Stellen Sie die Prüfspannung auf die Ansprechspannung ein (max. 1,6V) und schließen Sie sie an den Baustein an. Ein Relais zieht an.
5. Drehen Sie die den Spindeltrimmer neben dem Relais gegen den Uhrzeigersinn, bis das Relais abfällt.
6. Drehen Sie die den Spindeltrimmer neben dem Relais im Uhrzeigersinn, bis das Relais anzieht.
7. Ändern Sie die Polarität der Prüfspannug und wiederholen Sie die Schritte 4 und 6 mit dem anderem Trimmer und dem anderen Relais.

Damit ist der Abgleich abgeschlossen. Die Schaltung kann eingebaut und in Betrieb genommen werden.

[1] Mietke, Detlef: Vom Elektron zur Elektronik: Der OPV als Komparator. http://www. lektroniktutor.de/analog/kompar.html.

[2] Schaerer, Thomas: Vom Fensterkomparator zum Präzisions-Schmitt-Trigger (LM324, LM358, LM385). http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/wincst.htm.

[3] Wikipedianer: Wikipedia: Operationsverstäker. http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker.

[4] Wikipedianer: Wikipedia: Widerstand. http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_(Bauelement).

für die Internetversion
[5] Umwandlung der LaTeX-Formeln in .gif-Dateien: http://www.codecogs.com/latex/eqneditor.php

Widerstände
R1, R2, R4, R7, R8, R10 - R14	10k
R3, R6	Trimmer 5k
R5, R9	820k
R15 - R18	820
Kondensatoren
C1	47µF
C2, C4	100nF
C3	2,2µF
Dioden
Gl1	B40D
D1, D2	Z-Diode 3,9V
D3-D6	1N4148
L1 - L4	LED grün
Halbleiter
IC1	LM358
T1	BC546
T2	BC556
Sonstiges
N1	IM2405S
K1, K2	Relaus 5V
Bu1, Bu2	2polige Buchse
Bu2, Bu4	3polige Buchse

Leiterplatte
Conrad Leiterplattenservice (http://www.conrad-leiterplattenservice.de)

Lagenzahl:	1
Abmessungen:	100x61mm
Basismaterial:	FR4, 35µmCu, 1,6mm
Stopplack:	Ja
Bestückungsdruck:	Ja
Oberfläche:	HAL
Layoutvorgaben:	Leiterbahnstärke >= 0.150mm Bohrdurchmesser >= 0.3mm
Überlieferung:	Nein
E-Test:	Nein
Lieferzeit:	8 AT
Dateiformat:	SPRINT
Projektname:	Polaritaetsdekoder

Bauelemente
Conrad Electronik (http://www.conrad.de)

Bauteil	Menge	Bestellnummer	Bemerkungen
B40D	1	501204-05
1N4148	4	162280-05
Z-Diode 3,9V	2	180068-05
47µF	1	446133-05
100nF	2	453099-05
LED grün	4	145971-05
BC546	1	154997-05
BC556	1	155080-05
LM358	1	174440-05
Relais 5V	2	505145-05
IC-Fassung	1	189502-05
Buchse 2pol.	2	729949-05
Buchse 3pol.	2	729957-05

Farnell über HBE-Shop (http://www.hbe-shop.de)

Bauteil	Menge	Bestellnummer	Bemerkungen
10kOhm	10	9341110	Mindestbestellmenge 10 St
820Ohm	4	9342265	Mindestbestellmenge 10 St
820kOhm	2	9342290	Mindestbestellmenge 10 St
5kOhm Trimmer	2	9608737
2,2µF	1	1744834	Mindestbestellmenge 5 St
IM2405S	1	1738177

Die Widerstände sind durch Farbringe gekennzeichnet. Je nach Anzahl der Ringe haben die Ringe folgende Beudeutung:

bei Widerständen mit 4 Ringen bedeuten:
1. Ring --> erste Ziffer des Wertes
2. Ring --> zweite Ziffer des Wertes
3. Ring --> Zehnerpotenz des Faktors
4. Ring --> Toleranz

bei Widerständen mit 5 Ringen bedeuten:
1. Ring --> erste Ziffer des Wertes
2. Ring --> zweite Ziffer des Wertes
3. Ring --> dritte Ziffer des Wertes
4. Ring --> Zehnerpotenz des Faktors
5. Ring --> Toleranz

bei Widerständen mit 6 Ringen bedeuten:
1. Ring --> erste Ziffer des Wertes
2. Ring --> zweite Ziffer des Wertes
3. Ring --> dritte Ziffer des Wertes
4. Ring --> Zehnerpotenz des Faktors
5. Ring --> Toleranz
6. Ring --> Temperaturkoeffizient

Der Widerstandswert ergibt sich aus den Ziffern multpliziert mit einem Faktor. Der Faktor ist dabei eine Potenz der Zahl 10. Die Ringe gelb-violett-rot-braun ergeben 47 * 10^2 = 4700 Ohm = 4,7 kOhm bei einer Toleranz von +- 1%.

Farbe	Wert	Toleranz	Temperaturkoeffizient
(keine)	--	+- 20%	--
silber	-2	+- 10%	--
gold	-1	+- 5%	--
schwarz	0	--	200*10-6 K-1
braun	1	+- 1%	100*10-6 K-1
rot	2	+- 2%	100*10-6 K-1
orange	3	--	15*10-6 K-1
gelb	4	--	25*10-6 K-1
grün	5	+- 0,5%	--
blau	6	+- 0,25%	10*10-6 K-1
violett	7	+- 0,1%	5*10-6 K-1
grau	8	+- 0,05%	--
weiß	9	--	--