Frequenz-Verdoppler mit EXOR-Gatter

Das Thema hier ergänzt und erweitert den Grundlagen- und Anwendungskurs zum Thema EXOR-Logik. Im April 2016 ging es darum, dass ein Motorradfahrer mit einer einzigen LED den linken und rechten Blinker überwachen wollte. Er bat mich um Unterstützung. Es folgte zunächst ein Lösungsvorschlag mit den integrierten CMOS-EXOR-Gattern CD4070B oder CD4030B. Dazu gehörig ein nicht geringer Aufwand betreffs Überspannungsschutz. Alternativ dazu realisierte ich eine diskrete EXOR-Schaltung mit vier bipolaren Transistoren (BJT) und geringerem Gesamtaufwand.

In diesem Elektronik-Minikurs geht es um die eigentlich gut bekannte Schaltung, wie man mit einem EXOR-Gatter einen einfachen digitalen Frequenzverdoppler realisiert. Für relativ hohe Frequenzen funktioniert das problemlos. Bei niedrigen Frequenzen zeigen sich dann unerwünschte Schwingungen, wenn die Flanke des verzögerten Eingangssignales nicht steil genug ist. Dann müsste man EXOR-Logik haben mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften. Dies gibt es jedoch nicht. Aber es gibt die alternative EXOR-Lösung mit NAND-Gattern und davon gibt es solche mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften. Siehe Titelbild oben links.

Will man mit wenig Aufwand untersuchen, wie es zur unerwünschten Oszillation kommt, wird dies genau erklärt. Die Schaltung dazu ist ganz einfach, angedeutet oben rechts im Titelbild. Will man eine EXOR-Frequenzverdopplung im höheren, für CMOS zulässigen, Frequenzbereich, geht dies auch ohne RC-Glied durch den Einsatz freier EXOR-Gatter. Mit einem Gatter erhält man eine Impulsdauer von etwas 50 ns, wenn zwei sind es 100 ns und mit drei 150 ns. Eine kleine Experimentierschaltung im Titelbild unten rechts zeigt es.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Renovation eines „Steinzeit“-Netzgerätes 0.1 – 10 VDC / 3A

Es ist ein Netzgerät aus den 1980er-Jahren mit einstellbarer Ausgangsspannung zwischen 0.1 und 10 VDC mit einem maximalen Strom von 3 A. Die Strombegrenzung ist mittels Trimmpoti genau kalibrierbar im Bereich dieser 3 A. Was den Leistungstransistor betrifft, arbeitet dieser im Low-Dropout-Modus, wenn die Spannungsdifferenz knapp ist. Mit einem Trimmpoti kann man die maximale Ausgangsspannung definieren, die man mit dem Poti auf der Frontplatte einstellen kann. Damit lässt sich vermeiden, dass z.B. TTL- oder HCMOS-Versuchsschaltungen durch zu hohe Betriebsspannung zerstört werden. Eine LED zeigt an, wenn der maximale Strom erreicht ist und die Spannungsregelung nicht mehr korrekt arbeitet. Die leicht überarbeitete Schaltung erhielt eine alternative preiswertere Referenzspannungsquelle, die man bei nicht extremer Anforderung als Referenz- und Betriebsspannung für die interne Schaltung einsetzen kann. Dies macht den allfälligen Nachbau etwas preisgünstiger. Diese Quelle arbeitet nach dem Bandgap-Prinzip. Auch ohne Interesse an einem Nachbau bietet diese Schaltung einiges.

Man kann bei einer Revision auch eine alternative Schaltung mit hoher Integrationsdichte anstreben. Es gibt dafür integrierte lineare Spannungsregler mit hoher Leistung und so spart man Bauteile. Wirtschaftlich betrachtet, ist dies oft der richtige Weg. Hier im Elektronik-Kompendium und in meinen Elektronik-Minikursen geht es um praxisbezogenes Erlernen von elektronischer Schaltungstechnik. In diesem Minikurs richtet sich der Fokus auf das Studium betreffs der Spannungsregelung, Strombegrenzung (ist auch eine Regelung), eine veränderte angepasste Darlingtonschaltung und wie realisiert man eine einfache Überlastanzeige. Interessant und lehrreich für den Elektronik-Bastler, Elektronik-Azubi und für den werdenden Elektro-Ingenieur. Mit dem praktischen Umgang von Transistoren, Dioden, Opamps als Verstärker und Komparator, Spannungsregler und passiven Bauteilen, gewinnt man an nützlicher Erfahrung.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit mittelgrossen Ringkerntrafos

Verwendet man nur schon mittelgrosse Ringkerntrafos im unteren 100-VA-Bereich, gibt es Probleme. Ohne Begrenzung des Einschaltstromimpulses ist das Einschalten bei korrektem Stromwert einer superträgen Schmelzsicherung im Primärkreis unmöglich. Bei einem solchen Ringkerntrafo müsste eine superträge Schmelzsicherung mit einem überhöhten Stromwert, also deutlich höher als der primäre Trafo-Nennstrom, eingesetzt werden. Damit ist allerdings der Trafo bei Überlast unzureichend geschützt. Die thermische Auswirkung davon kann gefährliche Folgen haben. Auch wenn man diesen Trick noch so oft in elektrischen oder elektronischen Geräten sieht, er ist nicht erlaubt. Man beachte das Titelbild für den weiteren Text.

Bilder 1 und 2: Die leider immer wieder gezeigte Schaltung mit einem  vorgeschalteten Leistungswiderstand zur Primärwicklung, der nach einer kurzen Verzögerungszeit mittels Relaiskontakt überbrückt wird, ist ebenfalls untauglich. Warum das so ist, ist genau beschrieben und auch warum es mit einem Leistungs-NTC, so genannter Heissleiter, erlaubt ist und warum trotzdem die zeitverzögerte Überbrückung des NTC mittels
Relaiskontakt vorteilhaft und empfehlenswert ist.

Bild 3: Kommen grosse Ringern- oder auch andere Trafos im kVA-Bereich zum Einsatz, empfiehlt sich eine ganz andere Methode. Während der Einschaltphase wird der Eisenkern vormagnetisiert. Danach folgt beim vollen Einschaltvorgang die erste Sinushalbwelle in entgegengesetzter Richtung zur vorherigen Richtung der Vormagnetisierung. Dies vermeidet die Eisenkernsättigung. Wie das funktioniert erläutert ein Artikel mit dem Titel „Sanfter Start durch Vormagnetisierung“ (Firma EMEKO).

Den Link zur Webseite der Firma EMEKO hatte ich wegen Renovation temporär ausgeschaltet. Nun ist der Link wieder aktiv mit zusätzlichen Informationen. Die für den Minikurs wichtigen Inhalte habe ich gelesen und neu als Link reingestellt. Diese Informationen zu lesen sind auch interessant und lehrreich wenn man keinen Bedarf hat ein Produkt zu kaufen. Das ist meine einzige Motivation, warum ich EMEKO in diesem Elektronik-Minikurs erwähne. Es ist selbstverständlich für den Eigenbedarf nicht verboten, selbst eine Schaltung zu realisieren, die nach dem selben Prinzip der Vormagnetiesierung arbeitet. Eine gute praktisch Übung wäre dies auf jeden Fall. Eine Schaltung kann man mit Fug und Recht bei EMEKO nicht herunterladen. Dies wäre ja auch nicht der Sinn der Übung…

Bild 2: Benötigt man für isolationskritische medizinische Anwendungen einen mittelgrossen Ringkernrafo, gilt ebenfalls die NTC-Relais-Methode als die geeignete Wahl. Dies allerdings mit dem Unterschied, dass, wegen der galvanisch sicheren Trennung, die NTC/Relais-Steuerung nur auf der Primärseite des Trafo erfolgen darf. Zum Einsatz kommt ein kleines Kondensator-Netzteil (C-Netzteil).

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung, Teil I und II

Dieser Elektronik-Minikurs besteht aus zwei Teilen, bzw. aus zwei Links. Der erste Teil befasst sich damit, dass man keine kostspieligen Rail-to-Rail-Opamps benötigt, wenn man auf der Leitung der positiven Betriebsspannung den Strom detektieren möchte mittels eines Opamp in der Funktion als Komparator. Ein echter Komparator käme auch in Frage, ist aber nicht nötig. Warum dies möglich ist, liest man ausführlich im Theorie-Teil. Ebenso wird angedeutet, dass dies auch für eine negative Betriebsspannung gilt. Der Unterschied der verwendbaren Lowcost-Opamps liegt in deren Eingangsbeschaltung. Man beachte das Titelbild vor dem Weiterlesen…

Bild 1: Wenn der Strom von +Ue via Rs nach +Ua so klein ist, dass die Spannung über Rs niedriger ist als die Flussspannung der Schottky-Diode SD, erzeugt Opamp A an Uc eine Spannung von beinahe 0V (GND). Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Strom soweit ansteigt, dass die Spannung über Rs die Flussspannung von SD überschreitet. Da schaltet Uc auf beinahe +Ue. Diese Logik-Steuerspannung Uc (c = control) eignet sich grundsätzlich für beliebige Anwendungen. Hier geht es um eine elektronische Sicherung.

Bild 2: Nachteilig in Bild 1 ist, dass die Spannungsreferenz nicht deutlich niedriger ist als die Flussspannung von SD (~0.2V), weil bei der Detektion eines hohen Stromwertes setzt es für Rs einen Leistungswiderstand voraus. Dazu kommt, dass  die Spannung +Ua deutlich stromabhängig ist und der Maximalstrom ist nicht einstellbar. Abhilfe schafft die einfache Konstantstromquelle aus R1, R2, T und LED. Die Temperaturdrifts von T und LED kompensieren sich ausreichend genug für diese Anwendung, jedoch nicht für eine präzise Strommessung. Mit dem Trimmpot P kann man die Schaltschwelle (maximaler Strom) calibrieren. Mit dieser Methode kann man leicht im 10-mV-Bereich verlustarm arbeiten. NEU: Es wird abschliessend in Teil 2 noch eine alternative Lösung mittels Bandgap-Referenzspannung vorgestellt.

Bild 3: Hier kommt die Stromsensor-Schaltung von Bild 2 mit dem Unterschied zum Einsatz, dass die Eingänge von Opamp A vertauscht sind. Uc ist beinahe +Ub im Betriebszustand und wird beinahe 0V (GND) zum Auslösen der Sicherungsfunktion. Das Relais unterbricht den Stromkreis. Nach der Beseitigung von Überlast oder Kurzschluss an +Ua, setzt man mit der Taste EIN die Schaltung wieder in Betrieb und das Relais schaltet ein. Anstelle eines Relais ist NEU! auch ein Power-MOSFET eine Option. Dazu und alles Andere (z.B. dimensionierbare Trägheit), detailliert beschrieben, in den folgenden beiden Links. Man beginnt mit den theoretischen Grundlagen in Teil 1 und man fährt fort mit der praktischen Anwendung in Teil2.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Der Transistor-LED- und der FET-Konstantstromzweipol

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses wurde erweitert und gewisse Teile davon differenzierter beschrieben. Ein Konstantstromzweipol hat, wie die Bezeichnung sagt, nur zwei Pole. Er eignet sich also dann, wenn nur zwei Anschlüsse zur Verfügung stehen, – z.B. als Ersatz für einen Widerstand, weil ein konstanter Strom gefordert ist.

Im ersten Teil wird gezeigt, wie man einen solchen recht präzisen Konstantstromzweipol mit bipolaren Transistoren und LEDs realisieren kann und im zweiten Teil erfolgt die Methode mit Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs). Diese Schaltung ist besonders einfach, besteht sie doch nur gerade aus einem JFET und einem einzigen Widerstand. Dafür ist diese Anwendung weniger genau. Diese Methode gibt es auch in integrierter Ausführung. Man nennt diese Bauteile Feldeffekt-, Konstantstrom- und Stromregeldioden, weil der Strom nur in eine Richtung, von Drain nach Source, fliessen darf.

Neu mit diesem Update sind die Beiträge „LED-ON-ANZEIGE FÜR VARIABLE BETRIEBSSPANNUNG“ und „SCHALTBOX FÜR NETZGERÄTE“.


Elektronik-Minikurse: Diverse technische Infos

Meist findet man meine Elektronik-Minikurse direkt via Suchmaschine. Ein gewisser Nachteil besteht darin, dass man das Inhaltsverzeichnis (die Index-Seite) nicht zu sehen bekommt. Grundsätzlich ist das vorteilhaft, weil man sogleich am Ziel ist. Will man trotzdem das Inhaltsverzeichnis besuchen, ist das kein Problem, weil im Header aller Minikurse hat man per Link den direkten Zugriff zum Inhaltsverzeichnis. Zusätzlich hat es Links zur Philosophie der Minikurse, zum Thema Leserfragen und zu einem Vorwort mit dem Titel „Simulieren und Experimentieren“. Und, last but not least, gibt es das Kapitel „Diverse technische Infos“.

In diesem Kapitel gibt es Infos, die z.T. viele Minikurse betreffen, wie z.B. Hinweise zu den Spannungsangaben und zur DC-Entkopplung. Darauf folgen Hinweise zu positivem und negativem Strom in Bezug zu Stromsenken und Stromquellen. JFETs spielen eine bedeutende Rolle. Sehr beliebt ist der BF245 (A bis C) bis er obsolet erklärt wurde. Es gibt Alternativen, genauer erklärt in einem Minikurs.

Neu ist das Kapitel „(Trimm-)Potentiometer, optimal eingesetzt“. Realisiert man das Potmeter als variablen Widerstand, empfiehlt es sich aus Gründen der Betriebssicherheit den Schleifer-Anschluss mit einem der Fixanschlüsse zu verbinden. Warum dies so ist und warum diese Verbindung dort sein sollte, wo die Impedanz am niedrigsten ist, z.B. GND, informiert dieser aktuelle Beitrag:

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Master-Slave-Netzschalter mit Elektronik und Relais

Dieser Elektronik-Minikurs besteht seit Juni 2003. Die Schaltung damals war eine andere. Im April 2010 erneuerte ich sie mit zwei Versionen. Die eine Version ermöglicht den Einsatz eines Relais mit einer Spulen-Nennspannung von 48 VDC, die andere mit einer Spulen-Nennspannung von 220 VAC. Beide Relais werden verlustarm, direkt mit der 230VAC-Netzspannung, betrieben. Für die 230VAC-Version realisierte ich für meinen Bedarf ein Printlayout mit dem Programm SPRINT von Abacom. Mehr Infos zur Reproduktion des Printlayout liest man im Minikurs.

Das aktuelle Update wurde angeregt durch einen Leser, der die Schaltung nachbauen will, wobei der Standbystrom des Mastergerätes mit etwa 100 mA recht gross sein kann. Man beachte das Titelbild. R1 ist der Messwiderstand des Stromsensor. Dieser wird bei diesem hohen Standbystrom so niederohmig, dass im eingeschalteten Zustand des Mastergerätes die Verlustleistung an R1 mit 1.1 W so gross wird, dass der Widerstand ein 2-Watt-Typ sein sollte. Dies wäre noch kein Problem.

Es gibt allerdings dann ein Problem, wenn die Schaltschwelle variabel einstellbar sein soll, – auch ein Wunsch des Lesers. Mit einem Kleinleistungs-Potmeter geht das. Will man diese Möglichkeit haben mit einem kleinen Trimmpotmeter, liegt der maximale Standbystrom bei 45 mA. Da genügt ein Trimmpotmeter mit einer zulässigen Leistung von maximal 1/2 W. Alle Details dazu liest man in dieser Update-Version im Untertitel „VERLUSTLEISTUNG VON R1 BEI HÖHEREM STANDBY-STROM“.

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas


Schalten und Steuern mit Transistoren II: Der Sättigungs- und der Miller-Effekt!

Das ursprüngliche Thema dieses Elektronik-Minikurses war und ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren (BJT) zum schnellen Schalten von Spannungen mit kleinen Strömen. Man kann universelle Transistoren einsetzen, die hauptsächlich für niederfrequente analoge Anwendungen (Verstärker, Filter) gedacht sind, sofern die niedrige Schaltgeschwindigkeit genügt. Was bei diesen NF-Transistoren täuscht, ist die oft hohe Transitfrequenz von mehr als 100 MHz. Man denkt da leicht, das sind ja nur 10 ns und damit lässt sich leicht auch ein schnelles Ein- und Ausschalten von Spannungen realisieren. Aber ganz so einfach ist das nicht. Da muss man schon Transistoren suchen, welche Wertangaben in den Einschalt-(Turn-On-Time), Speicher- (Storage-Time) und Ausschaltzeiten (Turn-Off-Time) enthalten und diese Werte müssen, wenn notwendig, im 10ns-Bereich oder sogar darunter liegen.

In einem späteren Update wurde das Thema zum Schalten mit Transistoren mit MOSFETs erweitert. Speziell dann wenn man mit hohem Eingangswiderstand schalten will, gibt es das Problem mit dem Miller-Effekt. Diesen gibt es natürlich ebenso beim BJT und auch bei den Vakuum-Röhren von anno dazumal. Jedes verstärkende Element hat dieses Problem. Ein weiterer Geschwindigkeitsdämpfer ist der Sättigungs-Effekt beim BJT. Wie man damit umgeht, liest man in diesem Minikurs und ist hier im Titelbild mit Bild A2 angedeutet. Kombiniert man die beiden Schaltungen A1 und A2 zu einer Schaltung A3, löst man beide Probleme zugleich. Man reduziert den Miller-Effekt und den Sättigungs-Effekt. Wozu der unkonventionelle Widerstand R? dient, liest man ebenfalls in diesem Minikurs.

AKTUELLES UPDATE: Hier wird eine Methode vorgestellt, wie man beim Runterschalten von Ue auf GND, mit Hilfe eines zusätzlichen PNP-Transistors (BJT), Ladungsträger aus der Basis des schaltenden NPN-Transistors ausräumen kann. Bild B2 unterscheidet sich von Bild B1, dass zusätzlich der Millerkiller-Kondensator zum Einsatz kommt, um den Miller-Effekt zu reduzieren. Dies betrifft signifikant den Einschaltvorgang des Schalt-NPN-Transistor  und zwar so sehr, dass z.B. eine Flankenzeit von 1 µs auf 50 ns reduziert wird mit einer Kapazität von nur 1 nF. Es gibt dazu ein praktisches Experiment.

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Opamp/Komparator oder 555er-CMOS: Toggle-Flipflop und Prellfrei-Schaltung

Ursprünglicher Auslöser zu diesem Elektronik-Minikurs, zum Thema mit einem CMOS-555-Timer-IC ein Toggle-Flipflop mit prellfreiem Tasten zu realisieren, war eine Diskussion im ELKO-Forum mit dem Titel „Problem mit FlipFlop“ vom 19.06.2012 von Erhard. Diesen Thread findet man leicht mit der Eingabe dieses Titel im Suchfenster in irgend einer Seite im Elektronik-Kompendium (das ELKO). Olit, ein fleissiges und aktives Forum-Mitglied, hatte eine prima Idee, die ich im Versuch mit einem Steckboard testete. Danach folgten in drei Bildern einige Erweiterungen und eine genaue Beschreibung der Funktionsweise. Dieses Olit’sche 555-Toggle-Flipfop ist natürlich auch zu sehen.

Dazu kam eine weitere Möglichkeit, mit einem Opamp oder Komparator ebenfalls ein Toggle-Flipflop zu realisieren. Sinn macht so etwas dann, wenn in einem analogen Schaltteil, auf einem PCB-Board, ein einzelner Opamp eines Dual- oder Quad-Opamp nicht benötigt wird und dieser gerade für ein Toggle-Flipflop nützlich sein kann, dessen Ausgang z.B. für den digitalen Teil der Schaltung benötigt wird.

UPDATE: Neu dazu gekommen sind Prellfrei-Schaltungen, also Schaltungen die das Prellen von mechanischen Kontakten unterdrücken. Dazu gibt es bekanntlich unterschiedliche Methoden. Hier wird gezeigt wie das mit einem Komparator (oder Opamp) funktioniert und worauf es ankommt, wenn damit schnelle digitale Logik-ICs getaktet werden sollen. Das selbe wird gezeigt mit einem CMOS-555-Timer-IC LMC555 oder TLC555. Das Titelbild hier illustriert diese Thematik. Die drei Bilder erklären im Prinzip schon alles. Die genaue Beschreibung liest man im Minikurs.

Viel Spass und Gruss
Euer ELKO-Thomas


TRANSIENT-PULSE-CONVERTER

Ein TRANSIENT-PULSE-CONVERTER? Was kann das wohl sein? Es ist eine Schaltung, die mit Hilfe eines Rechteck-Signalgenerators dazu dient, mit Impulsen digitale Schaltungen zu testen. Aber beginnen wir damit, was eine Transiente ist. Es gibt unterschiedliche Erklärungen. Die häufigste Vorstellung ist die der steilen Flanke von einem Impuls, jedoch keinesfalls die langsame Auf- oder Entladung eines Kondensators. Aber wieso eigentlich nicht, weil transient hat einfach nur etwas mit Durchschreiten zu tun. Eine Spannung, beginnend von einem fixen Spannungswert (z.B. GND) zu einem andern (z.B. +5V) oder in umgekehrter Richtung, ist eine transiente Spannung. Die lateinische Sprache leitet den Begriff Transiente von transire ab, und dies bedeutet so viel wie durchqueren oder durchziehen. Dies trifft auch auf Bild 1 zu. Mit einer Zeitkonstante von 1s wird der Kondensator auf- und entladen. Die ansteigende und die fallende Flanke an Ua sind Transienten. Ebenso natürlich die steilen Flanken der Rechteckspannung an Ue. Der TRANSIENT-PULSE-CONVERTER ist prinzipiell nichts anderes, als aus einer ansteigenden oder fallenden Spannungsflanke (Transiente) einen Impuls zu erzeugen und dazu benötigt man z.B. ein Monoflop, wie dies Bild 2 zeigt. Der Impuls selbst besteht natürlich aus zwei Spannungsflanken (Transienten).

Bild 3 zeigt zwei Arten von Monoflops. Zum leichteren Verständnis sind diese beiden Monoflops quasidikret mit HCMOS-Gatter und HCMOS-Inverter realisiert und im Minikurs entsprechend erklärt. Es hat damit zu tun, dass die eine Schaltung als Monoflop und die andere als One-Shot bezeichnet wird, obwohl beide (fast) das selbe tun. Im übertragenen Sinne geben sie auf einen Knopfdruck (Trigger, Auslöser) einen Schuss (Impuls) ab. Trotzdem besteht zwischen den beiden Schaltungen ein funktioneller Unterschied, der je nach Anwendung eine wichtige Bedeutung haben kann.

Die Schaltung des TRANSIENT-PULSE-CONVERTER, mit einigen Zusatzfunktionen, ist das Produkt aus der Zeit, als die TTL-Logik von grosser Bedeutung war. Diese Schaltung ist beschrieben und nachbaubar. Die LS-TTL-ICs sind noch alle erhältlich, evaluiert in drei Elektronik-Distributoren. Bild 3 zeigt den One-Shot mit HCMOS-ICs. Der One-Shot in HCMOS eignet sich für den Ersatz des TTL-Monoflop 74LS221 mit dem Vorteil, dass die minimal einstellbare Impulszeit 20 ns statt 40 ns beträgt. Es liegt beim interessierten Leser anstelle einfach nur nachzubauen, selbst die ganze Schaltung in HCMOS zu modernisieren.

Bild 4 zeigt wie einfach eine Logik-Pegel-Wandlung sein kann vom ausgangsseitigen TTL- oder HCMOS-Logikpegel zur noch moderneren LVCMOS-Logik (+Ub = 3.3 VDC). Beim TTL-Ausgang geht’s sogar mit nur einem Widerstand (Teilbild 4.1). Diese innere TTL-Schaltung eines Inverters (7404) bietet dem modernen Azubi und Studenten einen kurzen Einblick in einen Teil des digitalen Elektronik-Alltag der 1970er-Jahre. Ab 1980 begann das Zeitalter des CMOS.

Viel Spass und Gruss vom
ELKO-Thomas