Autor: Thomas Schaerer

Ich stelle während einigen Jahren fest, dass u.a. im Forum des Elektronik-Kompendium immer wieder die selben Fragen betreffs Fensterkomparator und Präzisions-Schmitt-Trigger auftauchen. Ich antworte meist mit einem Hinweis auf die interne Schaltung des 555-Timer-IC. Ich erwähne dabei stets die CMOS-Version LMC555 und TLC555, weil die alte bipolare Version, z.B. NE555, überholt ist. Ich verweise auf einen ganz speziellen Elektronik-Minikurs zum Thema 555-Timer-IC und 230-VAC-Netzspannungs-Synchronisation. In dieser Schaltung dient der Fensterkomparator und das RS-Flipflop des LMC555 oder TL555 als Schmitt-Trigger. Ich weise zusätzlich darauf hin, dass man diese IC-interne Schaltung als Vorlage für einen eigenen Entwurf nutzen soll. Diese ständigen Wiederholungen solcher Fragen und Antworten motivierten mich diesen Elektronik-Minikurs zu schreiben und dabei erst noch zu zeigen, dass mit der Verwendung eines Quad-Opamp (Operationsverstärker = Opamp) oder Quad-Komparator (schnellere Anwendung) kein zusätzliches RS-Flipflop, benötigt wird. Man benötigt für den Präzisions-Schmitt-Trigger also nur gerade ein einziges IC.

Hier geht es um langsame Anwendungen, wie das Erfassen von quasistationären Signalen. Es sind elektrische Spannungungen, die z.B. von Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeit- und andern physikalischen Sensoren erzeugt werden. Die Steuerungs- bzw. Regelmechanismen sind daher ebenfalls langsamer Natur. Deshalb kommen hier preiswerte Opamps und keine Komparatoren zum Einsatz. Favorit ist hier der tradionsreiche und berühmte Vierfach-Opamp LM324 von National-Semiconductor, von dem es aber auch einen kleineren Bruder, den LM358 mit nur zwei integrierten Opamps, gibt. Beide ICs sind elektrisch pro Opamp identisch. Diese beiden ICs sind auch sehr unproblematisch um mit den hier gezeigten Schaltungen zu experimentieren, unproblematisch z.B. bezüglich Schwingneigung. Ich hoffe, dass dieser Elektronik-Minikurs viele Fragen zu diesem Thema beantworten wird und den einen oder andern dazu anregt mit den Schaltungen zu experimentieren.

• Vom Fensterkomparator zum Präzisions-Schmitt-Trigger

Dieser Elektronik-Minikurs wurde inhaltlich in dem Sinne erweitert, dass schrittweise, allerdings in groben Zügen, erklärt wird, wie ein Fensterkomparator arbeitet. Ein späterer neuer Elektronik-Minikurs wird noch einmal den Fensterkomparator thematisieren, wobei es dann darum gehen wird, wie man mit einem einfachen Trick den einen Triggerwert solange speichert bis der andere angesprochen wird. Damit erreicht man mit einer ganz andern Methode die Schmitt-Trigger-Funktion, wie sie z.B. im 555-Timer-IC realisiert ist. Allerdings mit dem Unterschied zum 555-Timer-IC, dass die Triggerspannungen selbst definiert werden können und es braucht einen zusätzlichen Komparator und Opamp und kein extra RS-Flipflop. Der zusätzliche Komparator oder Opamp kann Teil eines Vierfach-Opamp- oder Vierfach-Komparator-IC sein. Es gibt dann noch eine weitere hübsche Anwendung, doch diese Überraschnung will ich jetzt noch nicht verraten…

Neu ist in diesem grossen Update, dass auf die Unterschiede zwischen Operationsverstärkern und Komparatoren eingegangen wird. Warum macht es Sinn einen Komparator anstelle eines Opamps einzusetzen, wenn die Komparatorfunktion verlangt wird? Warum gibt es viele Komparatoren mit Open-Collector- bzw. Open-Drain-Ausgängen? Was ist eine Wired-And- und eine Wired-OR-Verknüpfung und warum kann in einer Schaltung, je nach Betrachtungsweise, beides sein? Mit Monoflops und One-Shots kann man Eingangsimpulse verlängern. Worin aber unterscheiden sich die Funktionen dieser beiden Prinzipen? Zur Anwendung kommt ein One-Shot zur Realiserung einer minimalen Impulsbreite zwecks Ansteuerung einer LED, damit das Aufblitzen deutlich auch dann erkennbar ist, wenn die ereignisbedingte Impulsbreite für das Aufblitzen der LED viel zu kurzzeitig wäre. Zentraler Baustein für diese One-Shot-Funktion ist ein HCMOS-Schmitt-Trigger-Gatter. Wir betrachten was mit dem Drainstrom geschieht, wenn durch den langsamen Ladevorgang des Timing-Kondensators, die Spannung sich am Eingang des Gatter langsam durch die halbe Betriebsspannung bewegt. Der Inhalt ist also vielseitig. Ich wünsche allgemein viel Spass!

• Vierkanal-Übersteuerungsanzeige mit LEDs

Im Vordergrund dieses Elektronik-Minikurses steht das Prinzip des diskret aufgebauten astabilen Multivibrators. Es werden die beiden Grundschaltungen mit zwei NPN-Transistoren und mit zwei komplementären Transistoren vorgestellt. Es wird dabei besonders auf das Problem eingegangen, was passiert, wenn die Betriebsspannung höher als etwa 6 VDC ist. Es gibt ein Problem mit der maximalen inversen Basis-Emitter-Spannung, die wie eine Zenerdiode wirkt und der Transistor dies nicht besonders schätzt. Es wird gezeigt, wie man dieses Problem elegant vermeiden kann.

In einem weiteren Schritt wandelt sich der komplementäre astabile Multivibrator zum Tongenerator. Mit dem Tastverhältnis wird die Lautstärke definiert. Eine einfache Komparatorschaltung misst den Leitungswiderstand. Der Ausgang schaltet den Tongenerator ein und aus. Dies ist die ganze Schaltung des Print- und Verdrahtungstesters.

• Von der Blinkschaltung zum Print- und Verdrahtungstester

Der Sinn der hier angedeuten Schaltung zeigt sich, wenn man ein kleines batteriebetriebenes Gerät realisiert, das nur wenig Energie verbraucht. Man kann sich dann kaum eine LED-Betriebsanzeige leisten, weil alleine diese LED vielleicht mehr Leistung verbraucht, als die Nutzschaltung selbst. Nun könnte man eine sogenannte Lowcurrent-LED verwenden, welche sich mit einem kleinen Strom von etwa 2 mA gerade noch begnügt. Allerdings fällt eine statische Anzeige kaum auf, wenn das Gerät in einem hellbeleuchteten Raum herumliegt. Jedoch etwas das einmal pro Sekunde kurz aufblitzt, fällt selbst dann auf, wenn man nicht direkt hinschaut. Dazu kommt, dass diese Schaltung in der Lage ist zu erkennen, wenn das Leben der Batterie zu Ende geht und sie kann in diesem Zustand einer nachfolgenden Schaltung mitteilen, dass kurz vor dem Lebensende der Batterie noch etwas besorgt werden muss, wie z.B. eine Datensicherung.

Lerninhalte: Wie kann man auf elegante Art und Weise eine LED mit relativ grossem Strom bei kleiner Batteriekapazität aufblitzen lassen, und diesmit nur ganz geringen Strom- und Spannungsimpulsen auf der Batteriespannungsleitung, sodass die damit betriebene Nutzschaltung nicht gestört werden kann? Wie ist es möglich, für diese Schaltung den altbekannten und traditionsreichen 555-Timer in CMOS-Version einzusetzen? Warum wirkt sich die selbe relative Stromänderung auf die LED weniger deutlich als bei einem Glühlämpchen in der Helligkeit aus? Eine Lowcurrent-LED und eine Highefficiency-LED sind nicht zwingend dasselbe! Eine blinkende Glimmlampe und der dazu gehörenden einfachen Schaltung, vor mehr als 40 Jahren!

• 555-CMOS: Sparsame Batteriebetriebsanzeige mit Lowbatt-Funktion

Es ist ein elektronischer Indikator, der den Ladezustand einer Batterie prüft, wobei dieser Indikator Teil eines Gerätes sein kann und selbst nur eine nebensächliche aber trotzdem wichtige Funktion erfüllt. Diese Schaltung kann auch an einen Blei-Akku angepasst werden.

Warum der Name RAINBOW? Es kommt eine Zweifarben-LED zum Einsatz. Die Batteriespannung wird an einem Komparator mit einer Dreieckspannung verglichen. Daraus resultiert ein impulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal, das die LED ansteuert. Das Tastverhältnis bestimmt, durch das Verhältnis der Mischung der Farben rot und grün, die Leuchtfarbe der LED. Grün oder gelbgrün bedeutet, dass die Batterie okay ist, gelb zeigt halbe Ladung und orange bis rot bedeutet, dass eine Batterie gewechselt oder ein Bleiakku geladen werden muss. Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus eignen sich nicht! Eine RC-Schaltung bewirkt, dass die LED beim Einschalten des Batterie-Indikators stets immer erst rot leuchtet und dann sich das Farbenspektrum, in etwa einer halben Sekunde, in die der Batterieladung entsprechende Farbe ändert. Dies erleichtert zusätzlich das Abschätzen des Batterieladezustandes beim Drücken der Taste TEST.

Was ist neu?

Der Text wurde wesentlich überarbeitet. Er geht mehr in’s Detail der Schaltung als vor diesem Update. Am Anfang dieses Elektronik-Minikurses wird auch ein wenig der typisch kleine altbekannte Batterie-Indikator nach dem Funktionsprinzip des Drehspulinstrumentes thematisiert. Es passt als historische Vorlage für den elektronischen RAINBOW-Batterie-Indikator, weil er ebenso die Farben grün, gelb und rot zur Indikation benutzt, wenn auch nicht in der Form des fliessend spektralen Übergangs.

Lerninhalte

Netzteil mit quasidirkretem Aufbau. Dies bedeutet, ein Opamp als Regelverstärker, alles andere besteht aus Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und einer Bandgap-Spannungsreferenz. Es ist ein Low-Dropout-Netzteil. Der minimale Spannungsabfall zwischen Batterie und Betriebsspannung beträgt weniger als 0.15 VDC. Ein Dreieckgenerator ist mit zwei Opamps realisiert, wobei der eine als Schmitt-Trigger und der andere als Integrator wirkt. Dann folgt die oben erwähnte Komparatorschaltung, die das impulsbreitenmodulierte Rechtecksignal erzeugt. Für all dies ist ein einziger Quad-Opamp im Einsatz. Eine LED-Treiberschaltung übernimmt dieses Rechtecksignal und erzeugt ein gleiches Signal mit genügend Strom um die Zweifarben-LED zu steuern. Es kommt zum Ausdruck, dass das Farbenspektrum dadurch entsteht, dass die Frequenz des Farbenwechsels der LED so hoch ist, dass die Augen nur noch das integrale Mischprodukt der Farbanteile rot und grün wahrnehmen. Daher eine gewisse Annäherung an die Farben eines Regenbogens…

• RAINBOW,der elektronische Batterie-Indikator