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Operationsverstärker
und
Instrumentationsverstärker

Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

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Mein Lob gilt der übersichtlichen und schönen Darstellung und der guten didaktischen Aufbereitung. Selten werden Schaltungen so gut erklärt, dass es auch noch Spaß macht sich damit zu beschäftigen.

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Das MonoFlipflop und eine praktische Anwendung

 


Einleitung

Das Wort MonoFlipflop ist eine Wortschöpfung von mir. Dieses Wort bringt schlicht zum Ausdruck, dass hier eine CMOS-Schaltung im Spiel ist, die sowohl eine Flipflop- als auch eine Monoflopfunktion ausübt und für diese beiden Funktionen nur gerade ein einziges D-Flipflop zum Einsatz kommt. Das zweite D-Flipflop des selben IC (CD14013B oder MC14013B) dient als retriggerbares Monoflop zum Entprellen eines Tasters. Monoflop ist die Abkürzung von der Bezeichnung Monostabiler Multivibrator.

Mit diesem Inhalt lernt der Elektronikanfänger, dass man Datenblättern nicht unkritisch glauben sollte. So gibt es hier einen signifikanten Unterschied zwischen den Datenblätter der beiden Hersteller dieser beiden elektronisch kompatiblen ICs. Das zusätzlich wichtige Diagramm des einen Herstellers zeigte mir, dass die so genannte Wahrheitstabelle, welche die logischen Zustände beschreibt, unvollständig ist. Diese Tabelle wird hier mit erläuternden Worten ergänzt.

Dieser Elektronik-Minikurs startet mit einem kurzen Einblick, dass man mit gewissen digitalen CMOS-ICs auch analoge Signale verstärken kann. Dies soll ein Wink mit dem Zaunpfahl dafür sein, dass es mit etwas Fantasie und Freude an Elektronik leicht ist, mehr aus digitalen CMOS-ICs herauszuholen, als das was man in den Datenblättern und in den üblichen Application-Notes liest. Das Monoflipflop ist zwar kein Fantasieprodukt, aber ein Produkt das beim Entwurf etwas Fantasie voraussetzte.



CMOS ist flexibel

Gewisse digitale CMOS-Logikschaltungen können begrenzt sogar zur Verstärkung analoger Signale eingesetzt werden. Diese Möglichkeit kann vor allem dann interessant sein, wenn man Digitales und Analoges zusammenhängend realisieren will und die Schaltung mit wenig Bauteilen auskommen soll. Allerdings sind den verstärkenden Anwendungen Grenzen gesetzt. Der niedrige Klirrfaktor von Verstärkerschaltungen mit preiswerten Operationsverstärkern (Opamps) - z.B. LF356, TL071 oder TLC071 - kann nicht erreicht werden. Es soll hier auch nur am Rande, als Auftakt zum Hauptthema, auf diese Möglichkeit hingewiesen werden. Es geht zur Hauptsache darum die Aufmerksamkeit zu wecken, dass auch analoge Signale deshalb leicht verarbeitet werden können, weil die Widerstände von CMOS-Eingängen extremst hochohmig sind und der Arbeitspunkt bei der halben Betriebsspannung liegt. Beides trifft für TTL-ICs nicht zu.

Im alten von Elektronikern sehr geschätzte Buch Linear-Applications-Handbook von National-Semiconductor-Corporation (NSC) gibt es ein spezielles Kapitel zum Thema "CMOS-Linear-Applications". Es ist die Application-Note AN-88. AN-88 zeigt, wie man mit digitalen CMOS-ICs (Inverter) analoge Verstärkerschaltungen realisiert. NSC bietet leider keine Webseite, worauf diejenigen angewiesen sind, die das Buch nicht haben. Glücklicherweise springt Fairchild-Semiconductor mit der Application-Note AN-88 in diese Lücke. Wir beschäftigen uns mit diesem Thema in gekürzter Form mit Bild 1:

Beide Schaltungen sind AC-gekoppelte Verstärker. C1 und R2 wirken eingangsseitig je als passives Hochpassfilter erster Ordnung mit niedriger Grenzfrequenz. In der dimensionierten Schaltung 1.2 sind es etwa 1.6 Hz. Betrachten wir zunächst die Schaltung 1.1. Die starke DC-Gegenkopplung mit R1 sorgt dafür, dass sich am Ausgang eine Arbeitspunktspannung einstellt, die etwa der halben Betriebsspannung des IC entspricht. Das Verhältnis von R1 zu R2 sorgt für die AC-gekoppelte Spannungsverstärkung, die allerdings nur sehr klein dimensioniert werden kann, weil die offene Schlaufenverstärkung (Verstärkung ohne Gegenkopplung, Open-Loop-Gain) solcher CMOS-Inverter mit 10 bis 25 sehr niedrig ist. Im Vergleich dazu sind bei Opamp Werte von 100'000 und mehr die Regel. Motorola hatte diese Open-Loop-Gains an den CMOS-Logic-ICs MC14011, MC1401 und MC14007 untersucht und im McMOS-Handbook (1974) veröffentlicht. In den beiden Schaltungen in Bild 1 wird der MM74C04 eingesetzt. Dies ist der Vorläufer der Highspeed-Version 74HC04. Das Schaltbild 1.2 zeigt eine Kaskadierung von drei Invertern mit einer Open-Loop-Verstärkung von je etwa 10 bis 25, was eine Produkt-Open-Loop-Verstärkung von 1000 bis fast 16'000 ergibt. Entsprechend der Dimensionierung von R1 und R2 ergibt sich eine Closed-Loop-Verstärkung von 10.

Wer sich für diese Schaltungen interessiert, muss selbst etwas experimentieren. Ich habe mich, ausser mit ein paar wenigen Versuchen, nie speziell mit Verstärkern befasst, die sich aus CMOS-Invertern zusammensetzen. Ich kann daher auch nichts über die Stabilität (Tendenz zum Oszillieren, abhängig von der Verstärkung und von der kapazitiven Last am Ausgang) und Signalqualität (Total Harmonic Distortion) aussagen. Ich kann experimentell nur bestätigen, dass man mit solchen CMOS-Invertern analoge Signale verstärken kann. Aus Gründen der Stabilität darf man nur ungepufferte Inverter oder Gatter für analoge Schaltungen einsetzen. Kein B-Suffix am Ende der IC-Nummer!

Diese kurze Ausführung von CMOS-Logik-Bausteinen für den analogen verstärkenden Einsatz soll bloss deren Flexibilität zeigen. Eine Eigenschaft, die im folgenden Hauptthema sich ebenso vorteilhaft auswirkt. Es werden hier Tricks gezeigt (Bilder 5 und 6), die mit den älteren digitalen TTL-ICs nur sehr schlecht bis gar nicht realisiert werden können.



Das Doppel-D-Flipflop CD4013B oder MC14013B

Beide ICs sind elektrisch kompatibel und pinkompatibel. MC14013B wurde früher von Motorola hergestellt. Heute wird mit diesem IC die gesamte MC14xxx-CMOS-Familie von ON-Semiconductor produziert. CD4013B, ursprünglich ein Produkt von National-Semiconductor (NSC), wird aktuell mit der gesamten CD4xxx-CMOS-Familie von Texas-Instruments (TI) produziert.

Teilbild 2.1 zeigt schematisch das Doppel-D-Flipflop CD4013B, bzw. MC14013B. Das B am Schluss der Typenbezeichnung bedeutet, dass die Ausgänge gepuffert sind. Man erkennt dies, wenn man sich im Datenblatt das Logic-Diagram ansieht. Es hat zwischen der Schaltung und den Ausgängen Q und /Q zwei Inverterstufen (im roten Rechteck). Dies sind die beiden Buffer mit dem Vorteil, dass die Belastung von Q und /Q sich nicht auf die Funktionsfähigkeit der Logikschaltung auswirkt, ausser wenn einer der beiden Ausgänge auf einen Eingang geschaltet wird. Dann gilt dies für diesen Ausgang nicht mehr. Dies trifft dann zu, wenn durch eine Verbindung zwischen /Q und D ein Toggle-Flipflop (T-Flipflop) realisiert wird, wie dies Teilbild 2.2 zeigt. In diesem Fall sollte man /Q nicht zusätzlich belasten. Diese Art ein T-Flipflop zu erzeugen, ist neben dem Einsatz eines JK-Flipflop, State of the Art.

Was bedeuten in Teilbild 2.1 die Anschlüsse dieser beiden D-Flipflops? D (Data), CLK (Clock, Takt), S (Set) und R (Reset) sind Eingänge. Q ist der Ausgang, der nichtinvertierend auf den Logikpegel an D nach einem Taktsignal an CLK reagiert. Ebenso reagiert Q auf eine Triggerung an S (Q = HIGH) und an R (Q = LOW). /Q verhält sich invertierend zu Q. Das folgende Kapitel vertieft dieses Thema an Hand der so genannten Wahrheitstabelle.



Die Wahrhheitstabelle des CD4013B und des MC14013B

Bild 3 zeigt zwei Wahrheitstabellen. Die Tabelle 3.1 ist die Kopie aus dem Datenblatt des CD4013B oder des MC14013B. Die Tabelle 3.2 ist die selbe von mir erweitert. Was hat es mit dieser Erweiterung auf sich?

Zu dieser Erweiterung kommt man entweder durch eigenes Experimentieren mit dem CD4013B oder MC14013B, oder man liest das Datenblatt des MC14013B, weil da gibt es ein Diagramm das im Datenblatt des CD4013B fehlt. Im Datenblatt zum MC14013B gibt es Figure 2 mit dem Titel: Dynamic-Signal-Waveforms (Set, Reset, Clock and Output). Dieses Diagramm ist hier in Teilbild 3.4 unterhalb "Wahrheits-Tabelle erweitert" (Teilbild 3.2) wiedergegeben.

Die folgende Erklärung zur erweiterten Wahrheitstabelle schreitet von Zeile zu Zeile:

Zeilen 1 und 2: Die steigende Flanke des Taktsignales am CLK-Eingang überträgt den logischen Zustand am D-Eingang zum Q-Ausgang und invertiert zum /Q-Ausgang. Mit diesen beiden Zeilen ist leicht erkennbar wie man aus einem D-Flipflop ein T-Flipflop realisiert: Man verbindet den Ausgang /Q mit dem Dateneingang D. Dadurch ändert sich nach jeder steigenden Taktflanke am CLK-Eingang der logische Zustand am D-Eingang. Die Folge davon ist, dass eine solche Schaltung die Taktfrequenz (CLK) halbiert. Q und /Q erzeugen die halbe Taktfrequenz als zeitsymmetrisches Recktecksignal (Tastgrad = 0.5) bei periodisch konstantem Taktsignal. /Q ist zu Q stets invertiert. Das Funktionieren der Frequenzteilung setzt voraus, dass die beiden Eingänge S (Set) und R (Reset) inaktiv, d.h. auf LOW gesetzt sind. Auch dies zeigen die Zeilen 1 und 2.

Zeile 3: Auch hier sind die beiden Eingänge S und R inaktiv, also ebenfalls auf LOW gesetzt. D ist mit einem Kreuz markiert. Dies bedeutet, dass es keine Rolle spielt ob an D ein LOW- oder ein HIGH-Pegel anliegt. Dem ist so, weil CLK mit der fallenden Flanke keine Auswirkung auf die logischen Zustände der Ausgänge Q und /Q hat. Deshalb werden diese Ausgänge, bezüglich des logischen Pegels, ebenfalls mit Q und /Q bezeichnet. Es gelten ganz einfach die Logikpegel welche gerade anliegen. Das bedeutet schliesslich nichts anderes, dass das Flipflop nur auf die eine, hier die steigende Flanke triggert. Genau genommen ist Zeile 3 redundant, weil ein Flipflop das auf beide Flanken triggert, keinen Sinn macht.

Zeile 4: Eingang R ist aktiv (HIGH) und logisch korrekt muss S inaktiv (LOW) sein. CLK und D haben Kreuze und das bedeutet, dass es egal ist ob an CLK eine aktive steigende Flanke erfolgt und/oder an D ein HIGH- oder LOW-Pegel anliegt, weil es passiert einfach nichts. Der HIGH-Pegel an R drückt dem D-Flipflop seinen Stempel auf, in dem dieser bestimmt, dass Q solange auf LOW bleibt, wie R auf HIGH liegt.

Zeile 5: Eingang S ist aktiv (HIGH) und logisch korrekt muss R inaktiv (LOW) sein. CLK und D haben Kreuze und das bedeutet, dass es egal ist ob an CLK eine aktive steigende Flanke erfolgt und/oder an D ein HIGH- oder LOW-Pegel anliegt, weil es passiert auch hier nichts. Der HIGH-Pegel an S drückt dem D-Flipflop seinen Stempel auf, in dem dieser bestimmt, dass Q solange auf HIGH bleibt, wie S auf HIGH liegt.

Zeilen 6 und 7: Diese beiden Zeilen wiederholen in einem gewissen Sinne die beiden Zeilen 4 und 5, die jedoch unvollständig sind. An den Eingängen R und S sieht man hier Impulse anstelle von Logikpegeln. Ein kurzzeitiger HIGH-Impuls an R setzt das D-Flipflop zurück, Q ist LOW und /Q ist HIGH. Ein kurzzeitiger HIGH-Impuls an S setzt das D-Flipflop, Q ist HIGH und /Q ist LOW. Voraussetzung für diese Funktion ist, dass CLK auf LOW liegt. Man betrachte dazu bitte das Impuls-Diagramm 3.4 unterhalb der erweiterten Wahrheitstabelle 3.2. Man sieht dort, dass die RS-Flipflop-Funktion nur möglich ist wenn CLK auf LOW liegt.

Zeile 8: Wenn R und S auf HIGH sind, dann sind auch Q und /Q auf HIGH gesetzt sind. Es spielt dabei, wie in den Zeilen 4 und 5, keine Rolle was dabei an CLK und/oder D geschieht.



Der erste Schritt zum MonoFlipflop

Teilbild 4.1 zeigt die typische Funktionsweise eines Toggle-Flipflop (T-Flipflop), realisiert mit einem D-Flipflop durch die Verbindung von /Q mit D. Jede steigende Flanke des Taktsignales an Ue (CLK) ändert den Logikpegel an Ua (Q). Jedesmal wenn Ua auf HIGH gesetzt ist, besteht zusätzlich die Möglichkeit mit der Reset-Taste diesen HIGH-Pegel auf LOW zurückzusetzen. Dies illustriert der zweite Resetimpuls im Diagramm 4.2. Voraussetzung dafür, dass die Reset- und auch eine Setfunktion korrekt arbeitet, ist, dass Ue (CLK) in diesem Moment auf LOW ist. Man muss daher dafür sorgen, dass die Taktimpulse nur aus feinen Nadelimpulsen im Mikrosekunden-Bereich bestehen. Das ist leicht mit einem RC-Glied zu realisieren, wie wir noch sehen werden im Kapitel "Prellfreies ansteuern des MonoFlipflop".

Wenn die Reset-Taste nicht gedrückt ist, setzt der Pulldownwiderstand R1 den Reseteingang R auf LOW. Über Pullup- und Pulldownwiderstände lesen wir mehr im Elektronik-Minikurs:



Das MonoFlipflop

Anstelle der Reset-Taste und des Pulldownwiderstandes in Teilbild 4.1 sieht man hier in der Schaltung (Teilbild 5.1) ein RCD-Netzwerk, bestehend aus R1, R2, D und C1, zwischen Q-Ausgang und R-Eingang. Dieses Netzwerk erzeugt die Monoflop-Funktion. Die beiden Diagramme 5.2 und 5.3 erklären wie die Schaltung des MonoFlipflop funktioniert.

Monoflop: Diagramm 5.2 zeigt was geschieht, wenn die Taktperiode an Ue (CLK) grösser ist als die Impulsdauer an Ua, die durch die Zeitkonstante R1*C1 definiert ist. Mit der steigenden Flanke des ersten Taktimpulses an Ue wird das T-Flipflop gesetzt und der Ausgang Ua (Q) geht auf HIGH (= +Ub). Nun beginnt C1 sich über R1 aufzuladen. Durch die zunehmende Ladung von C1 steigt die Spannung UR (R für Reset) am Reseteingang. Übersteigt UR etwa die halbe Betriebsspannung +Ub/2, wird das T-Flipflop zurückgesetzt. Ua (Q) geht auf LOW, der Ausgangsimpuls von etwa 5 Minuten ist beendet und C1 entladet sich sehr schnell über D und R2 (~60 ms). R2 dient nur zum Schutz der Elektronik des Q-Ausganges vor zu hohem C1-Entladestrom ohne R2. Damit ist der Anfangszustand für den nächsten Taktimpuls an Ue (CLK) wieder hergestellt. Der Wert von R2 ergibt sich aus dem maximal zulässigen Pin-Strom des CD4013 von 10 mA (Maximum-Ratings DC or Transient). Diese 10 mA treten bei +Ub = 18 VDC (ebenfalls Maximum-Ratings) auf, wenn C1 bei der maximal möglichen Ladespannung von +Ub über D und R2 entladen wird. Bei niedrigerer Betriebsspannung +Ub kann man den Wert von R2 reduzieren, falls unbedingt notwendig.

Mono- und Flipflop: Diagramm 5.3 zeigt was geschieht, wenn vor Ablauf der Monoflop-Impulszeit ein weiterer Taktimpuls an Ue eintrifft? Dann wirkt die Funktion des T-Flipflop und der Ausgang Ua (Q) wird vorzeitig auf LOW zurückgesetzt. Mit dem nächsten Takt an Ue wieder auf HIGH und mit dem übernächsten wieder auf LOW. Fazit: Ist die Taktperiode an Ue kürzer als die Monoflop-Impulszeit, arbeitet die Schaltung als T-Flipflop, ist sie grösser, arbeitet sie als Monoflop. Daher nenne ich diese Schaltung MonoFlipflop. Damit kann man eine weitere Schaltung oder ein Gerät einschalten, verzögert automatisch abschalten lassen oder mit der selben Taste vorzeitig abschalten, aber jederzeit auch wieder erneut einschalten.

Mit einem zusätzlichen Schalter S kann man die verzögerte Abschaltung (Monoflop-Funktion) unterbinden, weil dadurch der Reset-Eingang auf LOW gesetzt wird. In diesem Fall hat man ein reines Toggle-Flipflop. Auf diese Weise bleibt die an Ua angeschlossene Schaltung so lange in Betrieb, bis man ein weiteres Mal die Taste an Ue betätigt.

Keine hohe Präzision: Wenn lange Impulszeiten zum Einsatz kommen sollen, benötigt man für C1 eine grosse Kapazität und für R1 einen grossen Widerstand. Für C1 kommen dann vorzugsweise hochqualitative Tantal-Elkos in Frage, damit der Leckstrom möglichst niedrig bleibt. Der Lecksstrom eines Tantalelko ist aber meist immer noch so gross, dass die Berechnung mit der RC-Zeitkonstante in Bezug auf die Triggerschwelle zu ungenau ist. Die Impulsdauer ist wegen dem Reststrom des Tantalelko meist etwas grösser als man erwartet. Man muss meist mit R1 empirisch abgleichen. Eine Timerschaltung dieser Art taugt nur, wenn die Toleranz der Impulsdauer keine grosse Rolle spielt, - wie z.B. für eine automatisch verzögerte Abschaltung eines batteriebetriebenen Gerätes.



Prellfreies ansteuern des MonoFlipflop - Definitive Schaltung

Würden wir den CLK-Eingang (Ue) des MonoFlipflop in Bild 5 direkt mit einer Taste (EIN/AUS-Taste mit R1 in Bild 6) steuern, würde das MonoFlipflop durch das Kontaktprellen mehrfach gesetzt und zurückgesetzt. Die Schaltung wäre so unbrauchbar. Daher wird hier in Bild 6 das zweite D-Flipflop des CD4013B oder MC14013B als Entprell-Monoflop (D-FF1) eingesetzt. Ein reines Monoflop also. Auch das geht ganz einfach mit einem D-Flipflop. Man setzt den D-Eingang konstant auf HIGH und die erste steigende Taktflanke am CLK-Eingang setzt den Q-Ausgang auf HIGH. Solange man allerdings die Taste drückt, fliesst ein Strom durch R6 in die Basis zum NPN-Transistor T1. Dadurch schliesst seine Kollektor-Emitter-Strecke C1 kurz. C1 wird durch R2 erst dann aufgeladen, wenn die Taste losgelassen wird und T1 öffnet. Die Ladung von C1, und somit die Zeit bis zum Reset, dauert nach Loslassen der Taste etwa 100 ms. Lange genug damit das Prellen beim Öffnen der Taste nicht wirksam werden kann. Der HIGH-Pegel auf Q bleibt solange man die Taste drückt plus diese 100 ms, wie es die kleine Impulsgraphik in Bild 6 zeigt. Man kann auf R6 und T1 verzichten, wenn man dafür die Zeitkonstante R2*C1 wesentlich grösser wählt. Sie sollte dann minimal eine Sekunde betragen, denn die Taste muss vor dem Ende des 1s-Impulses minus die Prellzeit der Taste losgelassen werden. Wartet man zu lange, riskiert man beim Loslassen der Taste eine unerwünschte prellende Impulsfolge zum CLK-Eingang des Langzeit-MonoFlipflop.

R6 ist so hochohmig gewählt, dass ein Entladestrom von C1 über T1, alleine wegen dessen Stromverstärkung, ausreichend begrenzt bleibt. Dadurch wird T1 von einem zu hohen Stromimpuls wirksam geschützt.

Taktflanken: An dieser Stelle möchte ich noch ganz wichtig darauf hinweisen, dass langsame analoge Spannungsänderungen nur an pegelsensitiven Eingängen, wie beim Set- oder Reseteingang, zulässig sind, jedoch auf gar keinen Fall an flankensensitiven Eingängen, wie bei Takteingängen (CLK)! Das Datenblatt schreibt bei solchen Eingängen meist auch ganz klar vor wie gross die maximalen Flankenanstiegs- und Flankenabfallzeiten (Maximum Clock Rise- and Falltime) sein dürfen. Beim CD4013B und MC14013B sind es 10 µs bei einer Betriebsspannung von 10 VDC.

Das Entprell-Monoflop ist eine etwas exotische Methode mechanisch erzeugte Impulse zu entprellen. Es geht dabei nicht um eine Schaltung mit geringst möglichem Aufwand. Es steckt das Lernziel zugrunde, schaltungstechnisch etwas dazu zu lernen, das unüblich aber trotzdem sinnvoll ist. Gerade dann, wenn z.B. ein mechanischer Kontakt, den man unbedingt einsetzen muss, eben nur in der Form einer Arbeitskontaktes zur Verfügung steht. Wenn man mit einem Umschaltkontakt oder Umtaster arbeiten kann, geht's auch mit weniger Aufwand mit einem RS-Flipflop.

Im Kapitel "Der erste Schritt zum MonoFlipflop" wird bereits darauf hingewiesen, dass die Impulsdauer (der HIGH-Pegel) am Takteingang des Langzeit-Monoflipflop kurz sein muss in Relation zur Taktperiode, weil ein Reset oder Set nur wirksam werden kann, wenn in diesem Moment der Takteingang auf LOW ist (Teilbild 3.4). Dies erreicht man mit der passiven Differenzierschaltung aus C3 und R7 in Bild 6. Die Zeitkonstante beträgt 4 µs. Der kleinere negative Impuls (kleine Graphik) wird durch die begrenzende Wirkung von D3 erzeugt. Dieser Impuls ist auf dem Oszilloskop kaum sichtbar, da die D3*C3-Zeitkonstante, wegen dem enorm niedrigen differenziellen Innenwiderstand von D3, extrem klein und der Quellwiderstand des Q-Ausganges des vorangehenden D-FlipFlop ebenso sehr klein ist in Relation zu R7. Wegen der sehr kleinen Ladungsenergie von C3 besteht kein Anlass für einen Seriewiderstand um die Entladungs-Stromspitze von C3 zu begrenzen. Gemäss Datenblatt zum CD4013B oder MC14013B beträgt die minimale Impulsdauer des Taktsignales bei einer Betriebsspannung von +5 VDC 200 ns. Mit 1 µs ist das schon sehr sicher, hier sind es etwa 4 µs.



Zwei unterschiedliche Methoden von retriggerbaren Monoflops!

Bild 7 illustriert diese beiden unterschiedlichen Methoden. Wie das retriggerbare Dual-Monoflop CD4538B bzw. MC14538B arbeitet, zeigt das Diagramm 7.1. Als Grundlage dafür dient das Diagramm Theory of Operation des CD4538B bzw. MC14538B. Die Monoflop-Zeitdauer (Tmf = Time-monoflop) wird durch das RC-Glied Rx und Cx bestimmt. Bei diesem integrierten Monoflop ist die Tmf so definiert, dass die Tmf exakt dem Wert der Rx*Cx-Zeitkonstante entspricht. Das bedeutet, dass die punktierte X-Achse zwischen +Ub und GND zwar im mittleren Abstand gezeichnet ist, in Wirklichkeit jedoch bei 0.63*Ub liegt. Darum steht dort "siehe TEXT". Der CD4538B bzw. MC14538B arbeitet so, dass mit jedem Retrigger-Impuls (ansteigende Flanke durch Druck auf Taste DT) die Tmf neu startet, unabhängig davon wie lange die Taste gedrückt wird. Das sieht man gut daran, dass unmittelbar mit dem Monoflop-Start oder Monoflop-Restart (ansteigende Flanke), die Ladekurve von Cx beim GND-Pegel neu beginnt. Man beobachte dazu das Diagramm mit den Tasten-Impulsen 1 bis 4. Tastenimpuls 1 zeigt, dass dieser kürzer dauert als die Tmf von z.B. einer Sekunde. Tastenimpuls 2 startet ebenfalls die Tmf. Dieser Vorgang wird allerdings durch den Tastenimpuls 3 abgebrochen (darum Tmf*) und die Tmf startet neu bis zum Schluss, definiert durch Rx*Cx. Das ist der typische Retrigger-Vorgang dieses Monoflop-IC.

Tastenimpuls 4: Hier drückt jemand länger auf die Taste, als erlaubt ist. Nämlich länger als die Tmf dauert. Dies hat zur Folge, dass das Monoflop, mit der scheinbar fallenden Flanke beim Öffnen der Taste, bereits wieder gestartet wird. Dies passiert, weil der mechanische Kontakt auch beim Öffnen prellt und nach der ersten fallenden mindestens eine neue steigende Flanke erzeugt, bevor die letzte fallende Flanke zum stabilen LOW-Pegel führt. Diese störende steigende Flanke löst die Tmf aus, obwohl diese hier unerwünscht ist und in einer folgenden Schaltung zu massiven Problemen führen kann. Im Detail-Diagramm "zeitgedehnt" sieht man den Vorgang besser. Man kann dieses Problem hier nur unbefriedigend vermeiden in dem man den Wert von Tmf erhöht. Allerdings macht sich dies in einer auffallenden Reduktion der maximal möglichen Tastfrequenz bemerkbar.

Das Diagramm 7.2 bezieht sich auf die Schaltung Entprell-Monoflop in Bild 6 mit dem Einsatz des Dual-D-Flipflop CD4013B oder MC14013B.

Schon der Tastenimpuls 1 macht es deutlich. Mit der steigenden Flanke an CLK, wird C1 sofort entladen. Das bleibt so, solange CLK auf HIGH ist, d.h. die Taste gedrückt wird. Dafür sorgt der Transistor T1, der die Ladung von C1 verhindert. Erst beim Loslassen der Taste (CLK = LOW), beginnt der C1-Ladevorgang durch R2. Tmf hat einen Wert von nur 100 ms und das genügt um die viel kürzere Prelldauer zu überbrücken. Es spielt dabei keine Rolle wie lange man auf die Taste drückt. Immer dann wenn man sie loslässt, startet die Tmf zum Entprellen. So hat man es selbst in der Hand, bzw. im Finger, wie schnell man hintereinander drückt. Bei einer Tmf von 100 ms beträgt die maximale Tastfrequenz 10 Hz. Diese Monoflop-Schaltung ist flankengetriggert mit dem D-Flipflop eines CD4013B oder MC14013B und pegelgetriggert durch die Steuerung mit dem zusätzlichen Transistor T1. Der CLK-Eingang dieses D-Flipflop reagiert auf das Prellen des schliessenden Tastenkontaktes nicht, weil der CLK kann den Q-Ausgang nur auf HIGH setzen, gemäss dem dauerhaften HIGH-Zustand des D-Einganges. Dieser Prellvorgang hat einen jedoch unbedeutenden Einfluss auf T1. Die Prelldauer beim Öffnen des Kontaktes DT verzögert den Start der Ladung von C1 geringfügig. Dadurch kann die Tmf ganz wenig länger dauern als entsprechend der Dimensionierung von R2 und C1 (Bild 6).

Betrachten wir auch hier im Diagramm 7.2 die Tastenimpulse von 1 bis 4. Bei den Tastenimpulsen 1 und 4 sieht man wie erst nach dem Ende des Tastendrucks die Ladung von C1 durch R2 beginnt. Das Ende des HIGH-Pegels am Q-Ausgang tritt ein, wenn die C1-Ladekurve +Ub/2 knapp überschreitet. Typisch für einen CMOS-Eingang ohne Schmitt-Trigger-Funktion. Die Zeit zwischen dem Ende des Tastendrucks (CLK = LOW) und dem Reset (Q von HIGH nach LOW) ist die Monoflop-Zeit (Tmf = Time-monoflop). Hier sind es etwa 100 ms. Die Tastenimpulse 2 und 3 zeigen wie die Retrigger-Funktion arbeitet. Der Tastenimpuls 3 erfolgt vor dem Ende des Tmf, die durch R2*C1 bestimmt ist. Darum an dieser Stelle die Bezeichnung Tmf*. Tmf* liest man an der selben Stelle auch im Diagramm 7.1 bei der selben Situation, wo wegen dem Retrigger die Tmf vorzeitig zurück gesetzt wird.

Zwischen dem Ladevorgang von Cx im Diagramm 7.1 zum Ladevorgang von C1 im Diagramm 7.2 gibt es einen signifikanten Unterschied. Im Diagramm 7.1 wird Cx nach dem Ende des Tmf weiter geladen. Die Cx-Spannung approximiert +Ub. Die Entladung folgt beim Beginn des Tastendrucks mit sofortigem anschliessendem Aufladen. Anders beim Diagramm 7.2. und Bild 6. Hier wird am Ende des Tmf C1 über D1 und R3 nach Q (jetzt LOW) entladen. Wenn später die Taste gedrückt wird, folgt u.U. noch eine Rest-Entladung durch T1. Unter Umständen deshalb, weil die Entladung von C1 über D1 und R3 nur so lange blitzschnell (C1*R3 = 180 µs) dauert, bis an C1 die D1-Schwellenspannung erreicht ist. Unterhalb dieser Spannung beginnt D1 zu sperren und die Restentladung von C1 erfolgt langsamer über R2 nach Q (jetzt LOW). Dies verschlechtert die Reproduzierbarkeit des Tmf nicht, weil bei jedem Start dieses retriggerbaren Monoflop immer erst C1 durch T1 restlos entladen wird. Da in Diagramm 7.2 (Bild 6) die Tmf mit 100 ms sehr kurz ist, könnte man auch auf D1 und R3 verzichten, wenn die Tastfrequenz sehr niedrig ist, z.B. maximal alle paar Sekunden eine Betätigung der Taste. Die Teil- und Restentladung erkennt man an kleinen Abstufungen mit den Bezeichnungen y und z (z = Taste DT gedrückt).



Die Katze aus dem Sack

Bild 8 zeigt wozu die Schaltung in Bild 6 eingesetzt werden kann. Die Schaltung aus Bild 6 ist in Bild 8 eingebettet. Der Ausgang Ua steuert den NPN-Transistor T1 und dieser den PNP-Transistor T2, der die nachfolgende batteriegespiesene Kleinschaltung, angeschlossen an +Ub, mit der 9-VDC-Blockbatterie verbindet.

Ein Druck auf die Taste schaltet die nachfolgende Schaltung ein und ein zweiter Druck wieder aus. Erfolgt kein zweiter Tastendruck innerhalb der Monoflopzeit Tmf von etwa 5 Minuten, beendet diese Monoflopfunktion die Betriebsdauer der nachfolgenden Schaltung. Diese 5 Minuten können durch Variation von R4 und/oder C2 (Bild 6) verändert werden.

Wozu braucht es die Kleinleistungsdiode D1? Sie dient dem Verpolungsschutz. Man kann eine 9-VDC-Blockbatterie zwar falsch gepolt nicht einsetzen, aber kontaktieren eben schon und dies würde ausreichen um die Schaltung zu zerstören. Mit dem Kurzschlusstrom durch D1 wird dies wirksam verhindert. Die zweite Kleinleistungsdiode D2 verhindert, dass ein kurzzeitiger Rückstrom von +Ub über T2 und T1 in die Schaltung (Bild 6) fliessen kann. Dies ist möglich, wenn die Batterie ausgeschaltet oder von der Schaltung getrennt wird, und sich Elkos in der externen Schaltung entladen. Das gilt auch hier für C3.

Durch die Wahl eines leistungsfähigeren Transistors T2 kann auch ein grösserer Strom an +Ub ein- und ausgeschaltet werden, wobei dann auch die Schaltung mit T1 angepasst werden müsste. Damit beim Einschalten der nachfolgenden Schaltung der Spitzenladestrom in C3, der, je nach angeschlossener Schaltung, auch einen grösseren Wert haben könnte, für T2 nicht gefährlich hoch wird, sorgt die Stromanstiegsverzögerung, bestehend aus R1, C2 und R2. Diese Schaltung "federt" den Ladevorgang von C3 genügend ab. Auch mit dieser "Abfederung" lässt sich experimentieren. C3 ist an gezeigter Stelle nicht zwingend nötig, falls die Folgeschaltung ausreichend kapazitive Blockmassnahmen enthält.

Ausblick: Die gesamte Schaltung ist beliebig modifizierbar. Es ist auch möglich anstelle des bipolaren Transistors T2 einen Lowpower-MOSFET (p-Kanal) einzusetzen, wobei man beachten muss, dass bei einer Batterie- oder Netzteilspannung von 9 VDC und weniger, R_ds_on nicht optimal sein kann. Natürlich muss man dann auch den ganzen Rest der Schaltung anpassen. Dies in diesem Elektronik-Minikurs zu vertiefen, würde den Rahmen sprengen.



Ist die Schaltung im ausgeschalteten Zustand wirklich stromlos?

Wenn T1 und T2 in Bild 8 offen sind, ist +Ub spannungsfrei und stromlos bei angeschlossener Last. Aber wie sieht es mit der Schaltung in Bild 6 aus? Dazu noch einmal die Schaltung in Bild 6:

Langzeit-MonoFlipflop D-FF2: Im inaktiven ausgeschalteten Zustand ist Ua auf LOW-Pegel, also identisch mit GND. Durch R4 fliesst kein Strom und der Reseteingang R ist durch R4 und durch die vollständige Entladung von C2 eindeutig auf LOW gesetzt. /Q liegt auf HIGH und ist mit D verbunden. Deswegen fliesst aber kein Strom, weil ein CMOS-Eingang bei korrektem Logikpegel immer extremst hochohmig ist, vorausgesetzt die Schaltung steht unter Betriebsspannung +Ub. Der CLK-Eingang ist mit R7 auf LOW gesetzt.

Entprell-Monoflop D-FF1: Die selben Überlegungen betrifft die Monoflopschaltung im linken Teil in Bild 6. Die Taste ist im Ruhezustand offen und der CLK-Eingang ist mit R1 auf LOW definiert. Q ist auf LOW, weil ein HIGH-Pegel zuvor, durch das Aufladen von C1 ein HIGH auf den Reset-Eingang legt und einen Reset auslöst, Q auf LOW setzt und C1 entladet. Der Reset-Eingang ist wegen R2 und Q = LOW ebenfalls auf LOW gesetzt. Somit fliesst nirgends ein Strom, ausser der vernachlässigbar niedrige Reststrom in die Speisung des IC, der gemäss Datenblatt mit maximal 2 µA bei 25 Grad Celsius angegeben ist. Bei einer Batteriekapazität von 400 mAh, welche für eine 9-VDC-Block-Alkalimanganbatterie typisch ist, beträgt die theoretische Lebensdauer, wenn die Schaltung inaktiv ist, 200'000 Stunden, was beinahe 23 Jahre sind, - wäre da der Selbstentladungsstrom der Batterie nicht höher als diese 2 µA.



Datenblätter, Application-Notes und Grundlagen



Thomas Schaerer, 06.05.2001 ; 29.04.2002 ; 14.03.2003(dasELKO) ; 17.12.2003 ; 04.12.2004 ; 14.02.2006 ; 15.12.2008; 11.11.2012 ; 04.08.2014 ; 02.03.2015a