UPDATE: Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Theorie und Praxis

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. Soviel zur kurzen Einleitung…

Die letzten Updates der beiden Teile Theorie und Praxis vom Januar und Februar 2018 wurden nochmal überarbeitet und mit ein paar zusätzlichen Links erweitert, um das Lesen zu erleichtern. Man beachte das Titelbild. Neu ist eine weitere Möglichkeit für den Stromsensor mit einer stabilen einstellbaren Referenzspannung. Als Basis, an Stelle einer Konstantstromquelle in Teilbild 2, dient in Teilbild 3 eine Bandgap-Spannungsreferenz BG.

Teilbild 4 zeigt in Kürze die „Elektronische Sicherung“ mit Relais oder Power-MOSFET. Was sich wozu besser eignet, liest man und ebenso was der ominöse neu eingefügte Widerstand mit dem ?-Zeichen bedeutet. Was soll ein Widerstand zum Eingang eines CMOS-Gatter, der eh schon extrem hochohmig ist? So hochohmig ist er aber nur, wenn alles „rund“ läuft. Wenn nicht, dann kann es dem NAND-Gatter IC:B1, bzw. dem ganzen IC ziemlich schlecht gehen ohne diesen ?-Widerstand.

Freiwillige Hausaufgabe: Erst selbst herausfinden, wozu es diesen ?-Widerstand (R15) benötigt, bevor man es liest im Praxisteil (Teil II). Vielen Spass. Kleiner Hinweis, man muss gewisse Kriterien von integrierten CMOS-Schaltungen kennen…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Theorie

Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Praxis


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


TTL-CMOS-Converter

Dieser Elektronik-Minikurs zeigt einerseits was man tun kann, wenn man alte Digitaltechnik in TTL mit CMOS kombinieren will und anderseits gibt es dem heutigen Azubi und Studierenden im Bereich der Elektrotechnik einen gewissen Einblick in eine Digitaltechnik, die vor dem Aufkommen der CMOS-Technologie hochaktuell war. Es gibt aber noch weitere Vorteile…

In den Zeiten als man digitale Schaltungen mit TTL-ICs realisierte, hatte man für den Test einen Impulsgenerator mit ausreichend hoher einstellbaren maximalen Frequenz, sowie einstellbare Impulsamplitude und einstellbarem Tastgrad. Oder man hatte einen Funktionsgenerator, der dies auch kann und zusätzlich noch Sinus- und Dreieckspannungen erzeugte für Tests an analogen Schaltungen. Solche Geräte waren damals teuer und deshalb musste man sich gut überlegen, ob es sich nicht lohnt, für ein Test- oder Praktikumlabor, eigene kleine Impulsgeneratoren in einfacher Ausführung zu realisieren, die einzig dem Zweck dienen, TTL-Schaltungen zu testen oder zu demonstrieren. Es geht dabei um das Taktsignal, den Clock. Oft genügte eine maximale Frequenz von 1 MHz.

Oder es gab die Situation, dass man zum Testen analoger Schaltungen genügend Sinusgeneratoren hatte, jedoch gab es nur ein paar wenige Impulsgeneratoren, die es auf nur wenige 100 kHz brachten. Wollte man analog/digitale Mix-Schaltungen testen, genügte der Sinusgenerator, aber der Impulsgenerator nicht. Also war die Situation klar, man baute kleine TTL-Taktgeneratoren mit entsprechend geringem Aufwand.

Als 1980 das Jahrzehnt des CMOS begann (Proklamation von MOTOROLA) änderte sich allmählich die Szene. Es kamen digitale CMOS-Schaltkreise, je länger desto häufiger, zum Einsatz. Diese haben den immensen Vorteil sehr sparsam zu sein, weil CMOS-Schaltreise im taktfreien Zustand, je nach Beschaltung, praktisch keine Leistung benötigen. Die Leistung ist nur noch abhängig von der Taktfrequenz. Es entstanden auch analoge CMOS-Schalter, die von der digitalen CMOS-Logik gesteuert werden. Damit man für den Test solcher Schaltungen die selbst gebauten einfachen Impulsgeneratoren weiterhin benutzen konnte, baute man so genannte TTL-CMOS-Converter, welche den Pegel von TTL nach CMOS anpassen.

Mehr dazu in diesem neuen Elektronik-Minikurs, der zeigt, dass man solche Schaltungen auch für andere Pegelanpassungen und Projekte verwenden kann. Dazu kommt, dass im Falle einer diskreten Eingangsstufe mit Transistor (BJT) noch etwas zum Thema Miller-Effekt vermittelt wird. All dies sehr praxisbezogen. Man kann alles sofort auf einem Testboard nachvollziehen. Eine Testmethode mit sehr grossem Lern- und Erfahrungseffekt.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Update: LMC555 und TLC555 (CMOS) im Vergleich mit NE555 (BJT)

Der vorliegende Elektronik-Minikurs befasst sich seit dem Jahre 2009 mit den Unterschieden zwischen der modernen CMOS-Version LMC555 und TLC555 und der alten BJT-Version NE555.

Sinn und Zweck dieses Minikurses ist es die signifikanten Vorteile der CMOS-Version ins Bewusstsein der Elektroniker zu bringen. Es zeigt sich in den Elektronik-Foren, dass der alte NE555 noch immer einen viel zu hohen Bekanntheitsgrad hat. Es gibt nur zwei mir bekannte Vorteile des NE555 gegenüber LMC555 oder TLC555: Die deutlich höhere Strombelastbarkeit des Ausgangsignales und die etwas höhere maximal zulässige Betriebsspannung. Betreffs höherer Strombelastung lohnt es sich meist einen preiswerten NPN-Transistor (BJT) oder N-Kanal-MOSFET einzusetzen und dafür die Vorteile der CMOS-Version des 555-Timer-IC zu nutzen.

Das Titelbild verkündet es! Es geht bei diesem Update um eine ganz spezielle Angelegenheit. Es geht um den Control-Eingang, der zur Impulsbreitenmodulation (PWM) oder für die Kalibrierung eines präzisen Tastgrades von 50% (Rechteckgenerator) bzw. der Impulszeiten (Monoflop) dient. Mehr Details dazu in weiteren 555er-Minikursen, erwähnt in diesem Minikurs.

Sehr oft wird dieser Control-Eingang nicht benötigt. Dann sollte, gemäss Herstellerangaben, dieser Eingang mit einem Kondensator, zwecks störfreiem Betrieb, abgeblockt werden. Störimpulse auf dieser Leitung sollen nach GND abgeleitet werden. Seltsam ist, dass die Hersteller sehr unterschiedliche Kapazitätswerte zwischen 1 nF und 100 nF angeben. Mit dieser Angelegenheit befasste ich mich und habe dies als Update hier zusammengefasst. Angedeutet ist dies im dritten Teil des Titelbildes. Im ersten Teil wird erklärt, wie die Eigentakt- und Fremdtaktstörung zustande kommt und im zweiten Teil wird für die Eigentaktstörung die Situation ausführlicher erklärt und welche zusätzliche Massnahmen, je nach Anwendung und Anforderung, empfehlenswert sind. Zu lesen ist dieser Inhalt im neuen Kapitel „DER CONTROL-EINGANG UND DER BLOCK-KONDENSATOR Cc“.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Mit Opamp oder 555er-CMOS: Ein einfaches Toggle-Flipflop zum Ein-/Ausschalten mit einer Taste

Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

/public/schaerer/bilder/tf555_t1.gif

Die Wurzeln dieses neuen Elektronik-Minikurses liegen in den Tiefen des ELKO-Forums, ein Elektronik-Forum, das ich immer wieder gerne weiterempfehle. Es gibt einen „harten Kern“ von Mitwirkenden, die sich mit viel Herzblut dafür einsetzen und der Spass kommt dabei nie zu kurz. Dies lockert die sonst eher trockene Materie willkommen auf. Auslöser zur Entstehung dieses neuen Elektronik-Minikurses zum Thema, wie man mit einem 555-Timer-IC ein Toggle-Flipflop mit prellfreiem Tasten realisiert, ist der Diskussions-Thread PROBLEM MIT FLIPFLOP vom 19.06.2012 von Erhard.

Man betrachte dazu bitte das Titelbild. Im linken Teil des Bildes sieht man die Problemlösung mit einem einfachen Operationsverstärker. Vorgeschlagener Typ ist der TL071, es eignen sich aber ebenso andere Typen. Mit einer positiven Rückkopplung (Mitkopplung) arbeitet er als Komparator mit Hysterese. Es ist also ein Schmitt-Trigger. Echte integrierte Komparatoren sind zwar deutlich schneller. Im vorliegenden Fall gibt es nur langsame Vorgänge und darum taugt ebenso ein Operationsverstärker.

Warum ein Vergleich zwischen der Problemlösung mit einem Operationsverstärker (Komparator) und dem 555-Timer-IC (CMOS-Version)? Ganz einfach, der gemeinsame Nenner ist die Schmitt-Trigger-Funktion. Beim 555-Timer-IC kommt sie durch die beiden Komparatoren (KA und KB) und dem RS-Flipflop (RS-FF) zustande. Die Schmitt-Trigger-Hysterese entsteht durch die Funktion des Fenster-Komparators, der sich aus den drei Widerständen mit je 100 k-Ohm ergibt. Deshalb ist die Hysterese fix auf einen Wert von 1/3*Ub eingestellt, sofern man den Anschluss Pin 5 nicht noch extra beschaltet. Alles Weitere im Detail erklärt, findet man hier:


Update: Pullup-, Pulldown-Widerstand

Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

/public/schaerer/bilder/pullr_t2.gif

Der ganze Titel dieses Elektronik-Minikurses ist grösser und lautet neu:

  • PULLUP-, PULLDOWN-WIDERSTAND
  • MASSNAHMEN ZUR ENTSTÖRUNG BEI LANGER LEITUNG
  • OPENKOLLEKTOR – WIRED-OR – LATCHUP-RISIKEN

Der letzte Titel ist der neue Inhalt und beginnt mit:

  • Openkollektor schaltet CMOS- oder TTL-Digital-IC

Am Beispiel eines Lichtsensors wird gezeigt wie viele solche Sensoren mit Openkollektor-Ausgängen mit der Methode von Wired-OR einfach zusammen geschaltet werden können. Dabei wird erklärt, dass beim OR-Begriff hier nicht die gewohnte positive, sondern die negative Logik gilt. In einem nächsten Abschnitt wird aufgeklärt, warum ein Openkollektor-Ausgang immer langsame ansteigende- und schnelle abfallende Spannungsflanken hat, wobei dies allerdings nur dann eine Rolle spielt, wenn es um schnelle Schaltvorgänge geht.

Ein wichtiges Thema, wo man einiges falsch machen kann, ergibt sich, wenn der Openkollektor-Ausgang eines Sensors oder einer anderen Schaltung mit einer Steuerung verbunden werden muss, die keinen Zugang zur Betriebsspannung erlaubt. Problematisch ist dies dann, wenn die Schaltung mit dem Openkollektor-Ausgang eine höhere Betriebsspannung hat als die der Steuerung. Dieses Problem wird im unteren Teil des Titelbildes angedeutet und ist im Elektronik-Minikurs differenziert beschrieben.

Soviel zum Update. Worum geht es sonst in diesem Elektronik-Minikurs?

Die stets wiederkehrende Frage im ELKO-Forum ist die der Grösse der Pullup- und Pulldown-Widerstände. Während diese Frage für CMOS-ICs leicht zu beantworten ist, ist dies bei den älteren und heute kaum mehr gebräuchlichen TTL-ICs überhaupt nicht der Fall. Trotzdem wird diese Situation genau erklärt, u.a. weil der Elektronik-Azubi auch das TTL-Prinzip während seiner Ausbildung kennenlernt. Und weil bei den damals moderneren TTL-ICs Schottky-Transistoren zum Einsatz kommen, wird auch das Prinzip dieses Transistors erklärt und was ihn denn besonders schnell macht.

Das Kapitel STÖRSICHERE GATE-EINGANGSSCHALTUNG EINES CMOS-IC beschreibt was man tun sollte, wenn ein Taster oder Schalter weit weg entfernt ist von der logischen CMOS-Schaltung, wenn man kein abgeschirmtes Kabel einsetzen will. Ein weiteres Thema widmet sich dem Batteriebetrieb von CMOS-Schaltungen und auf was es da bei Pullup- und Pulldown-Widerständen ankommt, um nicht unnötig Batterieleistung zu verbrauchen.

Das Kapitel UNBENUTZTE LOGIK-EINGÄNGE erklärt warum ein unbenutzter Logik-Eingang direkt mit der Betriebsspannung des Logik-IC oder direkt mit GND verbunden werden darf und dies ohne einen Widerstand. Auch das ist immer wieder ein Thema in den Elektronik-Foren.