Autor: Thomas Schaerer

Im Fokus: Digitale Inhalte in den Elektronik-Minkursen

Thomas Schaerer

IM FOKUS ist eine neue Elektronik-Minikurs-Idee (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. Es werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse aus dem ELKO vorgestellt, wo das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Ein praktischer Anlass kann sein, wenn ich feststelle, dass in Elektronik-Foren/Newsgruppen immer wieder die selben Inhalte befragt und diskutiert werden.

Diesmal geht es um das Thema digitale Schaltungen und Projekte in den Elektronik-Minikursen. Eigentlich genügt dazu die Indexseite. Oft ist es jedoch so, dass der erste Schritt zur Lösung eines Problems, der Start einer Suchmaschine ist. Man findet u.a. rasch ein oder manchmal auch mehrere Links im ELKO, man liest diese und anderes übersieht man. Dieser Im-Fokus-Minikurs stellt alle Minikurse mit digitalen Inhalten auf einmal vor.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

Schalten und Steuern mit Transistoren III

Thomas Schaerer

In diesem dritten Elektronik-Minikurs geht es um weitere Inhalte die mit dem Schalten und Steuern mit Transistoren – BJTs (Bipolar Junction Transistor) und MOSFETs – zu tun haben. Der Fokus liegt dabei auf Logik-Ausgänge mit einem HIGH-Pegel von 3.3 V, weil dessen Bausteine mit 3.3 VDC gespeist werden. Das sind z.B. die Prozessoren moderner Einplatinen-Computer, wie der Raspberry Pi, den es hier im ELKO als Grundlagen- und Anwenderkurs von Patrick Schnabel gibt.

Bleiben wir beim Raspberry Pi. Auch hier gilt die Regel, dass man Digital-Ausgänge, wenn CMOS, möglichst wenig belasten soll. Man tut gut daran, sich gleich an diese Worstcase-Regel zu halten, dass man besser auch nur einen benutzen GPIO-Ausgang mit maximal 2 mA belastet. Das Titelbild zeigt mit der Schaltung A die einfachste Relaisschaltung mit einem BJT. Es gibt Relais mit einer Spulenleistung von nur 200 mW, die der Lage sind bis zu 10A bei einer Spannung von 230 VAC zu schalten. Ein solches Relais kommt hier zum Einsatz. Die Schaltung A ist betreffs GPIO-Strom grenzlastig. Mehr Details im Minikurs. Schaltbild B zeigt eine bessere Methode mit einem NPN- und einem PNP-BJT. Es gibt auch noch eine Variante mit zwei NPN-BJTs ohne Nachteil. Beide Schaltungen benötigen einen GPIO-Strom von nur 0.1 mA. Mehr Details im Minikurs.

Schaltung C zeigt die Möglichkeit mit einem MOSFET für niedrigen Drainstrom bis maximal 0.56 A, der bei einer Gate-Source-Spannung von 3 V ein Drain-Source-Widerstand von 1 Ohm aufweist. Beim Relaisspulenstrom von 40 mA gibt dies eine sehr niedrige Verlustspannung zwischen Drain und Source von nur 40 mV.

Schaltung D zeigt eine elegante Methode mit einem kleinen NPN-BJT und einem Leistungs-MOSFET der am Ausgang 8 Ampere schaltet. Es können durchaus auch viel mehr sein. Warum diese Methode elegant ist, erfährt man im Minikurs.

Vie Spass beim Lesen,
Euer ELKO-Thomas

Eine kurze Einführung zur Indexseite meiner Elektronik-Minikurse

Thomas Schaerer

Meine Elektronik-Minikurse werden zur Hauptsache mittels Suchmaschine erreicht. Die Leichtigkeit des Findens ist begründet in der hohen Google-Sensivität des Elektronik-Kompendium (das ELKO) und damit betrifft dies auch meine Elektronik-Minikurse.

Wenn man stets auf diese Weise zielorientiert Elektronik-Minikurse erreicht, kann es leicht geschehen, dass man den Header übersieht, obwohl jeder Elektronik-Minikurs den selben Header, mit den selben informativen Links, enthält. Dies passiert deshalb so leicht, weil man auf ein Thema fixiert ist. Dieser Beitrag soll auf diesen Header und auch auf die Indexseite mit der grossen Übersicht zu weiteren Elektronik-Minikursen hinweisen, die z.T. ebenfalls zum interessierten Thema passen. Mehr dazu und zu zwei Spezialthemen in diesem Beitrag hier:

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Konstantstromquelle mit LED und Transistor oder mit Bandgap und Opamp

Thomas Schaerer

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Was ist das Thema dieses Elektronik-Minikurses? Eine kurze historische Rückblendung als Einleitung zeigt, wie man vor bald einmal hundert Jahren Quasi-Konstantstromquellen nur mit hoher Spannung und einem großen Vorwiderstand erzeugen konnte, wenn im Verhältnis zu diesem der Arbeits-Lastwiderstand relativ niederohmig ist. Danach folgt die schrittweise Einführung wie man mit Transistor und Diode, jedoch mit deutlich niedrigerem Temperaturdrift mit Transistor und LED Konstantstromquellen realisieren kann.

Das Kapitel EINFACH UND DOCH VIELSEITIG! ist neu überarbeitet. In den Titelbildern 2.1 und 2.2 ist das Update-Thema angedeutet. Es geht darum, dass es in der elektronischen Schaltungstechnik Stromquellen und Stromsenken gibt. Die in Elektronikkursen und in vielen Fachdokus gezeigte Konstantstromquelle mit einem NPN-Transistor (Titelbild 2.1), in die ein konstanter Strom, gemäß konventioneller Stromflussrichtung von Plus nach Minus, hinein fließt, wird in der Regel als Stromquelle bezeichnet, obwohl diese Schaltung in Wirklichkeit eine Stromsenke ist. Die Schaltung in Titelbild 2.2 mit PNP-Transistor verdient alleine die Bezeichnung Stromquelle. Eine Stromquelle sendet einen Strom, eine Stromsenke empfängt einen Strom. So einfach ist das, – eigentlich.

In der Tat ist es so, dass u.a. auch ich in meinen Elektronik-Minikursen für die Schaltung nach Bild 2.1 die Bezeichnung Stromquelle verwende. Soviel an dieser Stelle. Weitere Details zu dieser Thematik liest man im Update-Text. Es geht dabei auch um die Bezeichnung positiver und negativer Strom, analog zu positiver und negativer Spannung. Das kann leicht Verwirrung stiften. Entwirrend wirkt es dann, wenn man diese Angelegenheit nicht nur aus dem formalistisch physikalischen Aspekt, sondern auch etwas assoziativ und praktisch betrachtet…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Schalten und Steuern mit Transistoren II

Thomas Schaerer

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Das Thema dieses Elektronik-Minikurses ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren 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 deutlich darunter liegen.

Es gibt zwei Probleme mit denen man sich betreffs hoher Schaltgeschwindigkeit auseinandersetzen muss. Es ist der Sättigungseffekt, den es zu vermeiden gilt und es ist die Millerkapazität, die man kompensieren muss. Ob man überhaupt solche Transistorschaltungen einsetzen will, ist abhängig von der Anwendung. Gibt es eine solche Einheit nur einmal in einer Schaltung, kann sie sich eignen, sonst lohnt es sich nach passenden ICs Ausschau zu halten. Ein schneller Komparator kann durchaus zweckmässig sein oder eine passende Treiberschaltung, bei der es gleich mehrere Einheiten in einem Gehäuse gibt. Aber das ist hier nicht das Thema. Hier geht es um Grundlagen, die leicht in eine Transistorschaltung umsetzbar sind.

Beim aktuellen Update steht der MOSFET im Fokus. Es geht dabei um den Widerspruch zwischen dem hochohmigen Schalten eines MOSFET und dem Millereffekt, der u.U. so sehr bremsen kann, dass die Gefahr der Überhitzung oder Zerstörung des MOSFET besteht. Es beginnt mit dem neuen Kapitel „DAS SCHALTEN VON MOSFETS UND DER MILLER-EFFEKT“. Der Inhalt lässt sich leicht mit einer eigenen Versuchsschaltung nachvollziehen. Ein kleines Experiment, das sich lohnt.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

 

UPDATE: Vom passiven RC- zum passiven RCD-Hochpassfilter/Differenzierer

Thomas Schaerer

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Wozu und wie vielseitig ein einfaches passives Hochpassfilter bzw. passiver Differenzierer aus einem Kondensator und einem Widerstand zum Einsatz kommt, ist bekannt. Wozu aber zusätzlich eine zum Widerstand parallel geschaltete Diode gut sein soll, dürfte weitgehend unbekannt sein. Zunächst sei angedeutet, dass dies Sinn macht, wenn eine unterschiedliche Lade- und Entladezeit des Kondensators erwünscht ist. Dabei stellt sich sogleich die Frage, wozu man sowas benötigt. Eine zeitsymmetrische Rechteckspannung (Tastgrad = 0.5) von z.B. 5 V am Eingang eines RC-Differenzierers, hat am Ausgang eine Spannung von ± 2.5 V mit unverzerrter Rechteckspannung, wenn die Frequenz der Rechteckspannung mindestens zehn mal grösser ist als der Reziprokwert der RC-Zeitkonstante. Warum dies so ist, liest man anschaulich mit einer Bilderfolge im Kapitel WAS GESCHIEHT BEI HÖHEREN FREQUENZEN DER RECHTECKSPANNUNG?.

Die Diode parallel zum Widerstand bewirkt, dass der Kondensator durch den Widerstand geladen und durch die Diode zur Hauptsache entladen wird. Die Entladung erfolgt extrem viel schneller, weil der „Widerstand“ der Diode im leitenden Zustand sehr klein ist. Daraus folgt, dass bei genügend hoher Frequenz der Rechteckspannung, diese am Ausgang zu der am Eingang praktisch keinen Unterschied zeigt. Der aufmerksame Leser denkt sich sogleich, wozu es denn überhaupt ein Hochpassfilter, bzw. Differenzierer braucht, wenn kein Unterschied sich bemerkbar macht. Die Antwort dazu liegt in der Frequenz der eingangsseitigen Rechteckspannung und verstehen kann man es im Gesamtkontext dieses Elektronik-Minikurses. Es beginnt mit dem Kapitel DIODE IM FILTER…

Das Titelbild kurz erklärt: Teilbild A links zeigt den passiven Hochpass/Differenzierer mit den Ein- und Ausgangsspannungen, wenn die Frequenz der Rechteckspannung sehr viel kleiner ist als der Reziprokwert der RC-Zeitkonstante. Teilbild A rechts zeigt, was die Diode parallel zum Widerstand bewirkt. Teilbild B zeigt die Wirkung wenn die Frequenz sehr viel grösser ist als der Reziprokwert der RC-Zeitkonstante. Das was die Lupe in Teilbild A rechts genau zeigen will und warum in Teilbild B rechts der LOW-Pegel leicht unter dem GND-Pegel liegt, erklärt dieser Elektronik-Minikurs ebenfalls.

Das Update besteht in einer Verbesserung der gesamten Erklärung und im Fokus auf die Anwendung eines VCO-Ausganges, dessen Frequenz eine kleine Lautsprecher-Endstufe mit einem MOSFET steuert. Siehe dazu Teilbild C. Der RCD-Diffenzierer dazwischen verhindert unnötigen Stromverbrauch des Lautsprechers, wenn die VCO-Frequenz 0 Hz erreicht und die VCO-Spannung zufällig im HIGH-Pegel zum Stillstand kommt. Neu ist die genaue Erklärung der einzelnen Spannungs- und Stromwerte in der Endstufe. Der praktische Einsatz einer solchen Schaltung ist z.B. in einem EMG-Biofeedbackgerät mit akustischem Feedback.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit dem CD4046B/MC14046B

Thomas Schaerer

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Das Update besteht aus einer vollständigen Überarbeitung des Inhaltes im Detail. Dies dient dem leichteren Verständnis. Worum geht es in diesem Elektronik-Minikurs? Es geht darum, an einem praktischen Beispiel zu demonstrieren, dass es sich lohnt auch nur schon den VCO-Teil des bekannten PLL-IC CD4046B (MC14046B) in CMOS- und 74HC4046 in HCMOS-Technologie in Schaltungen einzusetzen. Im 74HC4046-Datenblatt erlaubt der Hersteller einen Einblick in die Schaltung dieses VCO. Aus dem symmetrischen Aufbau der Schaltung ist leicht zu erkennen, warum das Taktsignal am VCO-Ausgang zeitsymmetrisch (d/T=0.5) sein muss.

Dieser Elektronik-Minikurs beginnt mit einem Selfmade-VCO, bestehend aus einem Schmitt-Trigger-NAND-Gatter, mit ein paar wenigen diskreten Bauteilen und einem Toggle-Flipflop. Dies soll zeigen wie man selbstständig mit wenig Komponenten einen VCO realisieren kann. Dies illustriert in Kurzform Teilbild A im Titelbild. Teilbild B zeigt eine ganz besondere Eigenschaft des VCO des 4046-PLL-IC. Es geht um den Widerstand R2. Mit diesem kann man den Frequenzhub bei gleichbleibender VCO-Spannungsänderung reduzieren. Dies eignet sich speziell im PLL-Einsatz, wo wegen einem bewusst gewählten kleinen Einrastbereich, ein kleiner Frequenzbereich gerade das Richtige ist, weil dieser seinen Teil zu einem geringen Phasenjitter beiträgt. Kommt nur der VCO zum Einsatz, wird diese Funktion eher nicht oder selten benötigt, weshalb dann R2 entfällt.

Dies illustriert Teilbild C. Hier ist der VCO Teil einer einer analogen Schaltung, bei der es einfach darum geht den Pegel eines Wechselspannungssignals in eine Tonfrequenz umzusetzen. Es gibt dabei zwei interessante elektronische Teile. Das eine ist der Synchrongleichrichter, der ohne Dioden auskommt und die Ux-Kompensation. Hier muss ein Opamp zwei unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. Mehr dazu und einiges mehr in diesem Elektronik-Minikurs:

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator (PWM) zur Steuerung eines kleinen DC-Ventilators

Thomas Schaerer

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Das 555er-Timer-IC, ob in der bipolaren oder in der CMOS-Version, bietet die Möglichkeit der PWM-Erzeugung mit einer Steuerspannung. Die Steuerung bis zu einem sehr kleinen Tastgrad ist jedoch, IC-intern schaltungsbedingt, nicht möglich. Ist diese Eigenschaft jedoch wichtig und es genügt die Einstellung des Tastgrades mit einem Potmeter, ist dies leicht realisierbar mit der CMOS-Version LMC555 oder TLC555. Es funktioniert deshalb nur mit der CMOS-Version, weil nur diese die Möglichkeit bietet, einen stabilen Rechteckgenerator mit nur einem Timing-Widerstand und einem Timing-Kondensator zu realisieren. Auf dieser Grundlage stützt sich dieser 555-CMOS-Elektronik-Minikurs. Vermittelt wird die Grundlage dazu hier:

Das vorliegende Update besteht aus dem neuen Kapitel „NOCH STABILERE 555-PWM-SCHALTUNG MIT 555-TREIBER“. Die Schaltung in Bild 4 mit einem kleinen Ventilator, PWM-gesteuert und mit einem MOSFET, funktioniert prima und ist nachbaubar. Das Titelbild hier besteht aus vier Teilen. Teilbild A zeigt die Schaltung in Bild 4 mit reduzierter Wiedergabe. Genau genommen wird auch hier die PWM-Erzeugung, durch die Ansteuerung der Gate-Source-Kapazität des MOSFET, rückwirkend geringfügig beeinflusst. Bei dieser Anwendung fällt es nicht auf, ist unkritisch und deshalb ohne zusätzlichen Treiber realisierbar.
Teilbild B zeigt einen invertierenden Treiber, bestehend aus einem zweiten LMC555 (IC:B) und einer Transistorstufe mit schnellschaltenden Transistoren. Die punktierte Verbindung zwischen Pin 3 des LMC555 (IC:B) und dem MOSFET, deutet an, dass man auch ohne Transistorstufe auskommt, wenn es genügt die so eben genannte Rückwirkung zu vermeiden. Die Treiberleistung verbessert sich dadurch nicht. Dies kann aber dann notwendig sein, wenn eine höhere Kapazität (z.B. ein Piezogeber) gesteuert wird, angedeutet in Teilbild D.

Titelbild C zeigt die Alternative der MOSFET-Steuerung mit dem Discharge-Ausgang (Opendrain) des LMC555. Es wird genau erklärt, warum es nicht empfehlenswert, das Gate des MOSFET direkt mit dem Discharge-Ausgang zu verbinden. Diese Schaltung dürfte sich speziell mit geringstem Aufwand für kapazitive Geber eignen. Man beachte dazu die Punkte T in den Bildern C und D.

Viel Spass beim Lesen und möge dieser Inhalt zu eigenen Projektideen anregen.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

UPDATE: 555-CMOS: Sparsame Batteriebetriebsanzeige mit Lowbatt-Funktion

Thomas Schaerer

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Der Sinn der hier angedeuteten 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 so genannte 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 im Sekundentakt regelmässig 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 dies mit nur ganz geringen Strom- und Spannungsimpulsen auf der Batteriespannungsleitung, so dass 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 das selbe! Eine blinkende Glimmlampe und die dazu gehörende einfache Schaltung, vor beinahe 60 Jahren!

UPDATE: Mit Schaltbild und Link wird auf einen Elektronik-Minikurs hingewiesen, wo diese Schaltung praktisch zum Einsatz kommt. Es ist ein mit Batterie betriebener Testgenerator zur Messung von Verstärkerschaltungen für elektromyographische Signale (EMG). Der neue Abschnitt PRÄZISION befasst sich näher mit dem Innenleben des LMC555, bzw. TLC555. Der gesamte Text ist überarbeitet.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Update: Elektronikgeschichte – Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)

Thomas Schaerer

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Hier wird mit praktischen Beispielen erzählt, wie die Funktechnik im vorletzten Jahrhundert, noch bevor die Radioröhre erfunden war, ihren Anfang nahm. Es begann alles mit Hochspannung, Blitzen und Metallpulver!

Gegen Ende des vorletzten Jahrhunderts begann die Epoche der ersten drahtlosen Telegraphie mit gedämpften Wellen durch den Einsatz von starken Funkensendern und mechanisch aufgebauten und subtil abgestimmten Fritter-Empfängern, auch Kohärer-Empfänger genannt. Im ersten Weltkrieg waren solche Sendeanlagen für grosse Reichweiten intensiv im Einsatz. Im ersten Drittel des letzten Jahrhunderts bahnte sich allerdings bald das Ende an, als Lieben seine verstärkende Radioröhre, die Triode, erfand und die elektronische Sende- und Empfangstechnik mit der Übertragung von ungedämpften Schwingungen ihren Siegeszug antrat.

Dieser Geschichte-Elektronik-Minikurs zeigt auch, wie man selbst mit einem Funkeninduktor und einem selbstgebauten Fritter Funkversuche aus der Anfangszeit der Funkära durchführen kann. Es gibt auch einen kurzen Einblick in ein 100 Jahre altes Buch über Elektrotechnik und zeigt ausschnittweise wie damals Schaltungstechnik beschrieben wurde. Einen Kondensator musste man per Anleitung natürlich selbst bauen…

UPDATE: Dieses besteht darin, dass jemand dieses seltene Buch einscannte und ganz neu zum Downloaden zur Verfügung steht. Dieser Link befindet sich im Unterkapitel „8.1 EIN 100 JAHRE ALTES BUCH ÜBER ELEKTROTECHNIK“. Das Bild auf dem Bucheinband zeigt hier das Titelbild ganz rechts, links daneben die Skizze mit dem Funkeninduktor und unterhalb davon, der Wagnersche Hammer und das Schaltbild zum Funkeninduktor.

Viel Spass beim Lesen,
der ELKO-Thomas