Das RS-Flipflop und die elegante Entstörung

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Digitale Schaltungen sind anfällig auf Störungen. Besonders auf steilflankige Rechteckspannungen. Die Ursache kann das Ein- und Ausschalten eines (teil-)induktiven Verbrauchers (Relais, Motor, Ventil) sein. Die Einkopplungen erfolgen oft durch parasitäre niedrige Kapazitäten. Diese bilden mit den Widerständen in den Schaltkreisen passive Hochpassfilter. Aus der CR-Signaldifferenzierung entstehen extrem kurzzeitige Impulse. Diese Nadelimpulse stören die Zustände von Flipflops, Register und andere sequentiellen Schaltkreise. Die Auswirkungen solcher Störungen können je nach Anwendung dramatisch sein.

Ein kurzer Überblick zeigt die üblichen Entstörmassnahmen in einer digitalen Einheit. Gleich danach geht es zum Hauptthema, dem RS-Flipflop (RS-FF), bei dem eine besonders wirksame und sichere Entstörung dann möglich ist, wenn das RS-FF quasidiskret mit NAND- oder NOR-Gattern realisiert ist. Mit einer gewissen Einschränkung in der Anwendung, eignet ein solch entstörtes RS-FF zusätzlich in der Funktion als Auto-Reset. Dies ist ein Reset, der bei der Einschaltung der Betriebsspannung erzeugt wird. Der nächste Schritt geht zur richtigen Auto-Reset-Funktion mit einem zusätzlichen NAND- oder NOR-Gatter oder alternativ mit einer kleinen Transistorschaltung. Dies eignet sich dann, wenn kein freies NAND- oder NOR-Gatter zur Verfügung steht.

Ein ganz spezielles (exotisches) RS-FF kommt in einem Elektronik-Minikurs zum Einsatz, bei dem ein Präzisions-Schmitt-Trigger das Hauptthema ist. Dieses RS-FF arbeitet mit einem Opamp oder Komparator. Man kann es ebenso gut entstören und es taugt auch für
einfache Anwendungen, z.B. in Verbindung mit einem Relais. Eine solche Anwendung wird hier vorgestellt.

WICHTIG: Im Nebeneffekt lernt man hier, dass das Schaltschema eines IC im Datenblatt sehr nützlich sein kann, um zu erkennen, ob etwas auch wirklich so funktioniert, wie es an anderer Stelle im Datenblatt beschrieben ist. Wir lernen hier, dass die Aussage, der LM324- und LM358-Opamp arbeitet bis hinunter auf 0 VDC (Singlesupply-Mode), mit Vorsicht zu „geniessen“ ist.


UPDATE: Pullup-, Pulldown-Widerstand und Massnahmen zur Entstörung bei langer Leitung

Das Titelbild – nur zu sehen auf der ELKO-Hauptseite und nicht im Newsletter – kündet es an wie vielseitig dieser überarbeitete und leicht erweiterte Elektronik-Minikurs ist. Das zentrale Thema ist der Pullup- und Pulldown-Widerstand. Man begegnet diesen Widerständen stets dann, wenn Eingänge in logischen Schaltkreisen von Tastern, Schaltern oder Transistoren gesteuert werden. Das betrifft einzelne IC-Gatter, Flipflops, Zähler, Schieberegister bis hin zu komplexen programmierbaren digitalen ICs.

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 ist neu und war auch der Auslöser diesem Elektronik-Minikurs ein Update zu verpassen. Die Anregung dazu entstand aus einer Diskussion im ELKO-Forum.

Viel Spass und Nutzen wünscht
Euer ELKO-Thomas