Im Fokus: Digitale Inhalte in den Elektronik-Minkursen
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Einleitung
Im Fokus ist eine neue
Elektronik-Minikurs-Idee seit Juni 2013. Es geht darum ein Thema in den
Raum zu stellen, das von allgemeinem Fachinteresse ist. Dieses Thema
wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia eine hervorragende
einführende Erklärung, wenn es grundlegend mit Physik zu tun hat. Danach
werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse aus dem ELKO
vorgestellt, in denen das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Ein
praktischer Anlass kann es sein, wenn ich feststelle, dass in
Elektronik-Foren/Newsgruppen immer wieder die selben Inhalte gefragt und
diskutiert werden. Sehr nützlich kann auch
de.sci.electronics FAQ & Linklist
sein. Ein ganz anderer Grund für die
Im-Fokus-Minikurse sind
Hinweise auf bestehende Elektronik-Minikurse, die nicht wahrgenommen
werden, wenn man stets durch Goggle-Suche nur gerade einen
Elektronik-Minikurs "erwischt". Die Existenz der Indexseite nützt da
wenig, wenn nicht bei passender Gelegenheit auf Teile davon aufmerksam
gemacht wird.
Im Zeitalter der Mikroprozessoren, Mikrocomputern, programmierbaren
Logikbauelementen wie PLDs, FPGAs und kundenspezifisch integrierten
Schaltungen (ASICs) u.s.w. neigt man dazu anzunehmen, dass die einfachen
digital integrierten Schaltungen, wie z.B. AND-, NAND-, OR-, NOR-,
XOR-Gatter, Flip-flops, Zähler, Schieberegister, Latches etc. nicht oder
nur sehr selten noch benötigt werden. Richtig ist wohl, dass der Bedarf
in den letzten 20 Jahren enorm zurück gegangen ist. Wirft man jedoch
einen kurzen Blick in einen der renomierten Elektronik-Diskributors, wie
Farnell, sieht es ganz danach aus, dass das Interesse daran noch immer
bemerkenswert ist, denn Lagerkosten sind teuer und die leistet sich
keine Firma, wenn (fast) nichts mehr verkauft wird. Hier eine aktuelle
Momentaufnahme
aus dem Farnell-Angebot vom Dezember 2015.
Für mich bedeutet dies, dass die praxisorienterte Ausbildung betreffs
dieser einfachen Logikbausteine nach wie vor wichtig ist. Dazu bieten
sich zunächst zwei fundamentale Links. Einerseits die Grundlagen von
Patrick Schnabel hier alphabetisch geordnet
Digitaltechnik von A bis Z
und von mir ein Report zu einem
Digital-Design-Seminar
von Texas-Instruments (TI).
Dazu ist noch folgendes erwähnenswert. In den 1970er- bis mindestens
gegen Ende der 1990er-Jahre gab es von vielen Halbleiterfirmen,
organisiert durch ihre Distributoren, Seminare zum Thema
Halbleiterschaltungstechnik. Natürlich auf die Produkte dieser Firmen
bezogen. Nicht alle, aber viele dieser Eintageskurse waren sehr
lehrreich und man erhielt gute und anwendungsorientierte
Dokumentationen. Die Qualität eines Seminars war stets gegeben durch
die Fähigkeiten des Applikations-Ingenieur der Firma. Oft wurden diese
Seminare gratis oder sehr preisgünstig in firmeneigenen Räumen oder in
Hotels durchgeführt. Die Kaffeepausen und die Mittagsessen dienten auch
dem Erfahrungs- und Wissensaustausch. Wer von den älteren "Semestern"
erinnert sich noch daran...?
Die nachfolgend gezeigten Elektronik-Minikurse zeigen unterschiedliche
einfache und aufwendigere Anwendungen. Dabei geht es längst nicht nur um
digitale Vorgänge. Es sind Schaltungen vorhanden, wo digitale Bausteine
zur Steuerung analoger Vorgänge dienen. Auch die Steuerung mit der
230VAC-Netzspannung ist ein beliebtes Thema. Hier jeweils mit einem
Relais als Schnittstelle.
Der
555-Timer-IC,
obwohl er ein logisches Ausgangssignal erzeugt, ist hier nur
schwach fokussiert. Dies, weil er nicht die selbe Bedeutung hat,
wie die digitalen CMOS-, HCMOS- und HCTMOS-IC-Familien. Die CMOS-Version
LMC555 oder TLC555 dient hier einerseits zur
230VAC-Netzfrequenz-Synchronisation und als Taktgeber für die digitalen
Schaltkreise.
Textlegende:: Der Text unter "Stichworte" und die digitalen ICs
im Text sind mit blauer Farbe hervorgehoben. Die ICs der digitalen
CMOS-, HCMOS- und HCTMOS-Familien sind zusätzlich unterstrichen.
Minikurs-Projekte - Digitales im Fokus
Tristate-Logik, Grundlage und Praxis:
Dieser Kurs erweitert die Logik-Grundlagen des ELKO, beschrieben in
Digitaltechnik.
Die Tristate-Schaltung im Vergleich zu Gatter-Schaltung zeigt, dass das
Umschalten von digitalen Spannungen mit Tristate-Treibern einfacher zu
realisieren ist. Ohne die Tristate-Funktion sind komplexe
Bus-Schaltungen praktisch nicht möglich.
Stichworte: 74HC125 * 74HC126 *
74HC00 *
Pullup-, Pulldown-Widerstand, ... :
Pullup-, Pulldown-Widerstand, Massnahmen zur Entstörung bei langer
Leitung, Openkollektor, Wired-OR und Latchup-Risiken.
Das richtige Dimensionieren dieser Widerstände und die Entstörung von
digitalen Schaltungen, wenn Schalter oder Taster mit langen Leitungen
weit entfernt sind. Unterschiede der Pullup- und Pulldown-Widerstände
zwischen CMOS- und TLL-Anwendungen. Wie arbeitet ein
Schottky-Transistor. Pullup- und Pulldown-Widerstände im Batteriebetrieb
und unbenutzte Logik-Eingänge ohne Pullup- und Pulldown-Widerstände.
Schaltungen mit Openkollektor-Ausgängen und die Wired-OR-Verbindung.
Latchuprisiken wenn die Betriebsspannungen ungleich sind.
Stichworte: Pullup * Pulldown * Optokoppler *
RS-Flipflop * Der prellfreie Schalter/Taster * Schmitt-Trigger * CMOS
vs. TTL * LS-TTL * Schottky-Transistor * Störsicher mit langer Leitung *
Batteriebetrieb * Elektrostatischer Einfluss * Logikeingänge unbenutzt
*
Das RS-Flipflop und die elegante Entstörung: Ein
quasidiskret realisiertes RS-Flipflop mit NAND- oder NOR-Gates kann man
wirksam gegen Störimpulse mit sehr kleinen Impulszeiten
desensibilisieren. Oft auch als Nadelimpulse bezeichnet. Der Trick
besteht darin, dass man in einem der beiden Rückkopplungspfade ein
RC-Verzögerungsglied einbaut. Dies ist das Haupthema. Dazu gehört aber
auch die Methode einer einfachen Auto-Resetschaltung mit einem
zusätzlichen NAND- oder NOR-Gate. Vorgestellt wird im Fokus der
Entstörung von RS-Flipflops eine etwas exotische Version mit einem
Opamp...
Stichworte: RS-Flipflop * RS-Flipflop mit Opamp
* D-Flipflop * CMOS * HCMOS * Schmitt-Trogger * Entstören * Nadelimpulse
* Auto-Reset * Latchup-Effekt *
Dreistufiger Umschalter mit einfachem Kippschalter:
Man nehme einen Kippschalter mit Mitte-Nullstellung, etwas Logik und man
hat einen 3-stufigen Umschalter für Logik- und Analogsignale. Die
Aktiv-HIGH und Aktiv-LOW-Methode. Einsatz von Tristate-Treibern sorgt
für einfache Schaltung. Die Methode mit Analogschaltern. Umschalten von
drei Relais, diskret mit Transistor und Dioden oder integriert.
Stichworte: 74HC02 * 74HC126 *
74HC4316 * TLC271 * BC550 * BS170 * 1N914 * 1N4148 *
Vom Logikpegelwandler zum Impulsgenerator (Endstufe):
Ein Logikpegelwandler wandelt die Spannung eines Logikpegels in einen
Logikpegel mit einer anderen Spannung. Dies kann mittels Transistoren,
Komparatoren oder sogar auch mit Analog-Switches
(CMOS-Transmissions-Gate) realisiert werden. Und damit ist es auch
möglich eine Endstufe für einen Impulsgenerator zu bauen.
Stichworte: DG419 * LM319 * LM339 * TL071 *
BD139 * BD140 *
Elektronischer Unterspannungswächter mit
Auto-Reset-Funktion: Einfache diskrete Schaltung welche auf die
minimale DC-Spannung vor dem Spannungsregler reagiert. Schaltung mit
CMOS-Schmitt-Trigger und Schaltung Voltage-Supervisor
TL7702B und TL7705B.
Anwendung in einer CMOS-Umgebung.
Stichworte: CD4584B * CD4016B *
74HC14 *
Komplexere Minikurs-Projekte mit digitalen Schaltkreisen
Einfach realisierbare Vierkanal-Übersteuerungsanzeige
mit LEDs. Erweiterbar! Interessanter Trick von Kombination digitaler und
anloger ICs.
Stichworte: Elektromyographie (EMG) * SC-Filter
* LM339 (Komparator) * 74HC132 47HC14 (HCMOS:
Schmitt-Trigger) * Fenster-Komparator * LM385-2.5 Bandgap *
Akku-Betriebsspannung-Ausschaltverzögerung mit CMOS-Invertern,
MOSFET und DIL-Leistungsrelais:
Zwei Methoden einer Langzeitausschaltverzögerung mit einem Schaltstrom
bis 16 A (230 VAC) und einer Steuerleistung von nur 0.2W.
Stichworte: BS170 * CD4584B *
MC14584B * CD40106B * 1N914 * BC550
Der analoge Schalter II:
Das MOSFET-Transmissions-Gate grundsätzlich und am Beispiel des
Quad-Analog-Switchs MC14066/CD4066.
Wichtige technische Infos zur MC14xxx/CD4xxx-CMOS-Familie. Moderner
CMOS-Analogschalter mit Logikpegelshifter und ein praktischer
Einsatz.
Das MonoFlipflop und eine praktische Anwendung: Das
Monoflop kann, einmal gestartet, mit einem zweiten Impuls am selben
Eingang, vorzeitig zurückgesetzt werden. Diese Schaltung hat die
Eigenschaft eines Toggle-Flipflop und eines Monoflop und für diese
beiden Funktionen benötigt es ein einziges D-Flipflop
(CD4013B). Das zweite D-Flipflop dieses
IC dient als retriggerbares Monoflop zum Entprellen eines Tasters.
Zwei unterschiedliche Arten der Retriggerns werden hier deutlich mit
einem Diagramm thematisiert. Praktische Anwendung:
Batteriebetriebene kleine Testschaltungen.
Stichworte: MM74C04 (CMOS-Iverter ohne
Buffer) * CD4013B(MC14013B) * Pullupwiderstand *
Pulldownwiderstand * BC550 * BC560C * 1N914 *
Langzeit-Timer-Schaltungen mit den
Frequenzteilern CD4020B und CD4040B:
Hochstabiler Langzeittimer mit mittelfrequentem Taktoszillator und
Frequenzteiler mit hohem Teilungsfaktor und netzfrequenzsynchroner, in
Stufen einstellbarer Langzeittimer.
Stichworte: Variabler Timer: 1 bis 10 Minuten *
Variabler Timer 1 bis 10 Stunden * Netzfrequenzsynchonisierter
Fixzeit-Timer *
Erst das Modem, dann der Router...
R O U T E R - D E L A Y:
Diese Schaltung ist in diesem Index-Segment, weil das Timer-IC
CD4541B zum Einsatz kommt, der eine
gewisse Ähnlichkeit hat zu den beiden Frequenzteiler-IC
CD4020B und
CD4040B. Allerdings hat der
CD4541B den Nachteil, dass die
Frequenzteilung nur sehr grob einstellbar ist, jedoch die Beschaltung
für eine Verzögerungs- oder Timerschaltung (Monoflop-Funktion) ist sehr
viel einfacher. Die Titel sagt worum es bei dieser Schaltung geht. Der
Router sollte stets verzögert nach dem Modem eingeschaltet werden. Es
ist eine sehr praktische Anwendung, die für viele Internet-User, welche
das Flair haben Elektronik nachzubauen und verstehen zu lernen, sehr
nützlich sein kann.
50-Hz-Notchfilterbank in SC-Filter-Technik (Teil 2):
Es geht um einen PLL-Frequenzmultiplier, der die Taktfrequenz der
SC-Filter mit der 50-Hz-Netzfrequenz synchronisiert. Auch interessant
für Leute die nur etwas zur PLL-Technik erfahren wollen!
Stichworte: PLL-Prinzip * Frequenzmultiplier *
Tristate * 50-Hz-Notchfilterbank * LMC555 * LM317 * LM337 * CD4046B
(MC14046B) *
Sinusgeneratoren und der SC-Sinusgenerator:
Der Weg führt über den Wien-Robinson-Oszillator, über unterschiedliche
Methoden der taktfrequenzgenerierten Sinusspannungen bis zur Methode
mittels SC-Tiefpassfilter, die ebenfalls taktfrequenzgesteuert und
leicht realisierbar ist.
Stichworte: Funktionsgenerator *
Frequenzsynthesizer * Sinusgenerator mit Schieberegister *
Sinusgenerator mit (E)EPROM * Direkte Digital Synthese (DDS) * Aus
Rechteck wird Sinus * SC-Sinusgenerator * CD4040B
(MC14040B) * CD4013B (MC14013B) * LTC1063
(SC-Tiefpass) * TL071 * LF356 *
PLL-Frequenzsynthesizer mit digitalem Potentiometer:
Frequenzbereich zwischen 0.5 Hz und 5 MHz. Digitales Potmeter mit
Beschleunigung: Schnelles Drehen bewirkt überproportional schnelle
Frequenzänderung. Langsames Drehen ermöglicht Feinabstimmung.
Blockierung der Abstimmung mittels Schalter.
Stichworte: COPAL-ELECTRONICS-RES20-50-200-164T
* 74HC14 * 74HC132 * 74HC4538 * 74HC191 *
74HC4046 * MC145151-2 * 74HC125 * 74HC390 *
BC560 * EXO3 (progr. Quarzgenerator) * TL7705 *
PLL-Frequenzsynthese und ein spezielles Problem: Die
Self-Biasing-Verstärkerschaltungen des CD4046B
(MC14046B) und des 74HC4046
haben ein heikles Problem. Sehr wichtig für alle Anwender dieser
ICs!!!
Stichworte: Frequenzmultiplier *
Phasenkomparator* VCO * Loop-Tiefpassfilter * Phasenjitter *
Self-Biasing-Amplifier * PLL * 50Hz-netzfrequenzsynchron * LMC555
*
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit
dem CD4046B/MC14046B:
Alleine nur schon für den Gebrauch des VCO lohnt sich der Einsatz dieses
PLL-IC CD4046B oder
MC14046B! Man lernt seine Vielseitigkeit
in der Praxis kennen, wie z.B. die leichte Dimensionierung des
Verhältnisses der maximalen zur minimalen Frequenz am VCO-Ausgang mit
nur zwei Widerständen. Es folgt eine komfortable VCO-Schaltung mit
Wechselspannungseingang. Sie eignet sich dafür, aus einem arithemtischen
Mittelwert eine Frequenz mit Rechtecksspannung (d/T=0.5) zu erzeugen.
Einsatzeignung z.B. eine EMG-Biofeedbackschaltung. Einleitend zu dieser
VCO-Thematik wird gezeigt wie man selbst, mit einem NAND-Gatter mit
Schmitt-Trigger-Eigenschaft, einen VCO realisieren kann. Ist gar nicht
schwierig...
Stichworte: VCO * Schmitt-Trigger *
Rechteckgenerator * Frequenzteiler * Synchrongleichrichter *
Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit
Ringkerntrafos, ohne Trafo-Sekundärspannung... :
Die Elektronik wird direkt aus der 230-VAC-Netzspannung betrieben. Das
Relais muss keine zusätzliche galvanische Trennung sicherstellen, weil
die Speisung der Einschaltstrombegrenzung erfolgt nicht durch eine
Sekundärspannung des Netztrafo. Besonders geeignet für medizinische
Anwendungen!
Stichworte: CD4584 (MC14584) -
Schmitt-Tigger-NAND-Gatter
Thomas Schaerer, 19.12.2012