Im Fokus: Digitale Inhalte in den Elektronik-Minkursen

 

Einleitung

Im Fokus ist eine neue Elektronik-Minikurs-Idee seit 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. Danach werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse aus dem ELKO vorgestellt, in denen das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Ein praktischer Anlass kann es sein, wenn ich feststelle, dass in Elektronik-Foren/Newsgruppen immer wieder die selben Inhalte gefragt und diskutiert werden. Sehr nützlich kann auch de.sci.electronics FAQ & Linklist sein. Ein ganz anderer Grund für die Im-Fokus-Minikurse sind Hinweise auf bestehende Elektronik-Minikurse, die nicht wahrgenommen werden, wenn man stets durch Goggle-Suche nur gerade einen Elektronik-Minikurs "erwischt". Die Existenz der Indexseite nützt da wenig, wenn nicht bei passender Gelegenheit auf Teile davon aufmerksam gemacht wird.

Im Zeitalter der Mikroprozessoren, Mikrocomputern, programmierbaren Logikbauelementen wie PLDs, FPGAs und kundenspezifisch integrierten Schaltungen (ASICs) u.s.w. neigt man dazu anzunehmen, dass die einfachen digital integrierten Schaltungen, wie z.B. AND-, NAND-, OR-, NOR-, XOR-Gatter, Flip-flops, Zähler, Schieberegister, Latches etc. nicht oder nur sehr selten noch benötigt werden. Richtig ist wohl, dass der Bedarf in den letzten 20 Jahren enorm zurück gegangen ist. Wirft man jedoch einen kurzen Blick in einen der renomierten Elektronik-Diskributors, wie Farnell, sieht es ganz danach aus, dass das Interesse daran noch immer bemerkenswert ist, denn Lagerkosten sind teuer und die leistet sich keine Firma, wenn (fast) nichts mehr verkauft wird. Hier eine aktuelle Momentaufnahme aus dem Farnell-Angebot vom Dezember 2015.

Für mich bedeutet dies, dass die praxisorienterte Ausbildung betreffs dieser einfachen Logikbausteine nach wie vor wichtig ist. Dazu bieten sich zunächst zwei fundamentale Links. Einerseits die Grundlagen von Patrick Schnabel hier alphabetisch geordnet Digitaltechnik von A bis Z und von mir ein Report zu einem Digital-Design-Seminar von Texas-Instruments (TI).

Dazu ist noch folgendes erwähnenswert. In den 1970er- bis mindestens gegen Ende der 1990er-Jahre gab es von vielen Halbleiterfirmen, organisiert durch ihre Distributoren, Seminare zum Thema Halbleiterschaltungstechnik. Natürlich auf die Produkte dieser Firmen bezogen. Nicht alle, aber viele dieser Eintageskurse waren sehr lehrreich und man erhielt gute und anwendungsorientierte Dokumentationen. Die Qualität eines Seminars war stets gegeben durch die Fähigkeiten des Applikations-Ingenieur der Firma. Oft wurden diese Seminare gratis oder sehr preisgünstig in firmeneigenen Räumen oder in Hotels durchgeführt. Die Kaffeepausen und die Mittagsessen dienten auch dem Erfahrungs- und Wissensaustausch. Wer von den älteren "Semestern" erinnert sich noch daran...?

Die nachfolgend gezeigten Elektronik-Minikurse zeigen unterschiedliche einfache und aufwendigere Anwendungen. Dabei geht es längst nicht nur um digitale Vorgänge. Es sind Schaltungen vorhanden, wo digitale Bausteine zur Steuerung analoger Vorgänge dienen. Auch die Steuerung mit der 230VAC-Netzspannung ist ein beliebtes Thema. Hier jeweils mit einem Relais als Schnittstelle.

Der 555-Timer-IC, obwohl er ein logisches Ausgangssignal erzeugt, ist hier nur schwach fokussiert. Dies, weil er nicht die selbe Bedeutung hat, wie die digitalen CMOS-, HCMOS- und HCTMOS-IC-Familien. Die CMOS-Version LMC555 oder TLC555 dient hier einerseits zur 230VAC-Netzfrequenz-Synchronisation und als Taktgeber für die digitalen Schaltkreise.

Textlegende:: Der Text unter "Stichworte" und die digitalen ICs im Text sind mit blauer Farbe hervorgehoben. Die ICs der digitalen CMOS-, HCMOS- und HCTMOS-Familien sind zusätzlich unterstrichen.



Minikurs-Projekte - Digitales im Fokus

Tristate-Logik, Grundlage und Praxis: Dieser Kurs erweitert die Logik-Grundlagen des ELKO, beschrieben in Digitaltechnik. Die Tristate-Schaltung im Vergleich zu Gatter-Schaltung zeigt, dass das Umschalten von digitalen Spannungen mit Tristate-Treibern einfacher zu realisieren ist. Ohne die Tristate-Funktion sind komplexe Bus-Schaltungen praktisch nicht möglich.
Stichworte: 74HC125 * 74HC126 * 74HC00 *

Pullup-, Pulldown-Widerstand, ... : Pullup-, Pulldown-Widerstand, Massnahmen zur Entstörung bei langer Leitung, Openkollektor, Wired-OR und Latchup-Risiken.
Das richtige Dimensionieren dieser Widerstände und die Entstörung von digitalen Schaltungen, wenn Schalter oder Taster mit langen Leitungen weit entfernt sind. Unterschiede der Pullup- und Pulldown-Widerstände zwischen CMOS- und TLL-Anwendungen. Wie arbeitet ein Schottky-Transistor. Pullup- und Pulldown-Widerstände im Batteriebetrieb und unbenutzte Logik-Eingänge ohne Pullup- und Pulldown-Widerstände. Schaltungen mit Openkollektor-Ausgängen und die Wired-OR-Verbindung. Latchuprisiken wenn die Betriebsspannungen ungleich sind.
Stichworte: Pullup * Pulldown * Optokoppler * RS-Flipflop * Der prellfreie Schalter/Taster * Schmitt-Trigger * CMOS vs. TTL * LS-TTL * Schottky-Transistor * Störsicher mit langer Leitung * Batteriebetrieb * Elektrostatischer Einfluss * Logikeingänge unbenutzt *

Das RS-Flipflop und die elegante Entstörung: Ein quasidiskret realisiertes RS-Flipflop mit NAND- oder NOR-Gates kann man wirksam gegen Störimpulse mit sehr kleinen Impulszeiten desensibilisieren. Oft auch als Nadelimpulse bezeichnet. Der Trick besteht darin, dass man in einem der beiden Rückkopplungspfade ein RC-Verzögerungsglied einbaut. Dies ist das Haupthema. Dazu gehört aber auch die Methode einer einfachen Auto-Resetschaltung mit einem zusätzlichen NAND- oder NOR-Gate. Vorgestellt wird im Fokus der Entstörung von RS-Flipflops eine etwas exotische Version mit einem Opamp...
Stichworte: RS-Flipflop * RS-Flipflop mit Opamp * D-Flipflop * CMOS * HCMOS * Schmitt-Trogger * Entstören * Nadelimpulse * Auto-Reset * Latchup-Effekt *

Dreistufiger Umschalter mit einfachem Kippschalter: Man nehme einen Kippschalter mit Mitte-Nullstellung, etwas Logik und man hat einen 3-stufigen Umschalter für Logik- und Analogsignale. Die Aktiv-HIGH und Aktiv-LOW-Methode. Einsatz von Tristate-Treibern sorgt für einfache Schaltung. Die Methode mit Analogschaltern. Umschalten von drei Relais, diskret mit Transistor und Dioden oder integriert.
Stichworte: 74HC02 * 74HC126 * 74HC4316 * TLC271 * BC550 * BS170 * 1N914 * 1N4148 *

Vom Logikpegelwandler zum Impulsgenerator (Endstufe): Ein Logikpegelwandler wandelt die Spannung eines Logikpegels in einen Logikpegel mit einer anderen Spannung. Dies kann mittels Transistoren, Komparatoren oder sogar auch mit Analog-Switches (CMOS-Transmissions-Gate) realisiert werden. Und damit ist es auch möglich eine Endstufe für einen Impulsgenerator zu bauen.
Stichworte: DG419 * LM319 * LM339 * TL071 * BD139 * BD140 *

Elektronischer Unterspannungswächter mit Auto-Reset-Funktion: Einfache diskrete Schaltung welche auf die minimale DC-Spannung vor dem Spannungsregler reagiert. Schaltung mit CMOS-Schmitt-Trigger und Schaltung Voltage-Supervisor TL7702B und TL7705B. Anwendung in einer CMOS-Umgebung.
Stichworte: CD4584B * CD4016B * 74HC14 *



Komplexere Minikurs-Projekte mit digitalen Schaltkreisen

Einfach realisierbare Vierkanal-Übersteuerungsanzeige mit LEDs. Erweiterbar! Interessanter Trick von Kombination digitaler und anloger ICs.
Stichworte: Elektromyographie (EMG) * SC-Filter * LM339 (Komparator) * 74HC132 47HC14 (HCMOS: Schmitt-Trigger) * Fenster-Komparator * LM385-2.5 Bandgap *

Akku-Betriebsspannung-Ausschaltverzögerung mit CMOS-Invertern, MOSFET und DIL-Leistungsrelais: Zwei Methoden einer Langzeitausschaltverzögerung mit einem Schaltstrom bis 16 A (230 VAC) und einer Steuerleistung von nur 0.2W.
Stichworte: BS170 * CD4584B * MC14584B * CD40106B * 1N914 * BC550

Der analoge Schalter II: Das MOSFET-Transmissions-Gate grundsätzlich und am Beispiel des Quad-Analog-Switchs MC14066/CD4066. Wichtige technische Infos zur MC14xxx/CD4xxx-CMOS-Familie. Moderner CMOS-Analogschalter mit Logikpegelshifter und ein praktischer Einsatz.

Das MonoFlipflop und eine praktische Anwendung: Das Monoflop kann, einmal gestartet, mit einem zweiten Impuls am selben Eingang, vorzeitig zurückgesetzt werden. Diese Schaltung hat die Eigenschaft eines Toggle-Flipflop und eines Monoflop und für diese beiden Funktionen benötigt es ein einziges D-Flipflop (CD4013B). Das zweite D-Flipflop dieses IC dient als retriggerbares Monoflop zum Entprellen eines Tasters. Zwei unterschiedliche Arten der Retriggerns werden hier deutlich mit einem Diagramm thematisiert. Praktische Anwendung: Batteriebetriebene kleine Testschaltungen.
Stichworte: MM74C04 (CMOS-Iverter ohne Buffer) * CD4013B(MC14013B) * Pullupwiderstand * Pulldownwiderstand * BC550 * BC560C * 1N914 *

Langzeit-Timer-Schaltungen mit den Frequenzteilern CD4020B und CD4040B: Hochstabiler Langzeittimer mit mittelfrequentem Taktoszillator und Frequenzteiler mit hohem Teilungsfaktor und netzfrequenzsynchroner, in Stufen einstellbarer Langzeittimer.
Stichworte: Variabler Timer: 1 bis 10 Minuten * Variabler Timer 1 bis 10 Stunden * Netzfrequenzsynchonisierter Fixzeit-Timer *

Erst das Modem, dann der Router...   R O U T E R - D E L A Y: Diese Schaltung ist in diesem Index-Segment, weil das Timer-IC CD4541B zum Einsatz kommt, der eine gewisse Ähnlichkeit hat zu den beiden Frequenzteiler-IC CD4020B und CD4040B. Allerdings hat der CD4541B den Nachteil, dass die Frequenzteilung nur sehr grob einstellbar ist, jedoch die Beschaltung für eine Verzögerungs- oder Timerschaltung (Monoflop-Funktion) ist sehr viel einfacher. Die Titel sagt worum es bei dieser Schaltung geht. Der Router sollte stets verzögert nach dem Modem eingeschaltet werden. Es ist eine sehr praktische Anwendung, die für viele Internet-User, welche das Flair haben Elektronik nachzubauen und verstehen zu lernen, sehr nützlich sein kann.

50-Hz-Notchfilterbank in SC-Filter-Technik (Teil 2): Es geht um einen PLL-Frequenzmultiplier, der die Taktfrequenz der SC-Filter mit der 50-Hz-Netzfrequenz synchronisiert. Auch interessant für Leute die nur etwas zur PLL-Technik erfahren wollen!
Stichworte: PLL-Prinzip * Frequenzmultiplier * Tristate * 50-Hz-Notchfilterbank * LMC555 * LM317 * LM337 * CD4046B (MC14046B) *

Sinusgeneratoren und der SC-Sinusgenerator: Der Weg führt über den Wien-Robinson-Oszillator, über unterschiedliche Methoden der taktfrequenzgenerierten Sinusspannungen bis zur Methode mittels SC-Tiefpassfilter, die ebenfalls taktfrequenzgesteuert und leicht realisierbar ist.
Stichworte: Funktionsgenerator * Frequenzsynthesizer * Sinusgenerator mit Schieberegister * Sinusgenerator mit (E)EPROM * Direkte Digital Synthese (DDS) * Aus Rechteck wird Sinus * SC-Sinusgenerator * CD4040B (MC14040B) * CD4013B (MC14013B) * LTC1063 (SC-Tiefpass) * TL071 * LF356 *

PLL-Frequenzsynthesizer mit digitalem Potentiometer: Frequenzbereich zwischen 0.5 Hz und 5 MHz. Digitales Potmeter mit Beschleunigung: Schnelles Drehen bewirkt überproportional schnelle Frequenzänderung. Langsames Drehen ermöglicht Feinabstimmung. Blockierung der Abstimmung mittels Schalter.
Stichworte: COPAL-ELECTRONICS-RES20-50-200-164T * 74HC14 * 74HC132 * 74HC4538 * 74HC191 * 74HC4046 * MC145151-2 * 74HC125 * 74HC390 * BC560 * EXO3 (progr. Quarzgenerator) * TL7705 *

PLL-Frequenzsynthese und ein spezielles Problem: Die Self-Biasing-Verstärkerschaltungen des CD4046B (MC14046B) und des 74HC4046 haben ein heikles Problem. Sehr wichtig für alle Anwender dieser ICs!!!
Stichworte: Frequenzmultiplier * Phasenkomparator* VCO * Loop-Tiefpassfilter * Phasenjitter * Self-Biasing-Amplifier * PLL * 50Hz-netzfrequenzsynchron * LMC555 *

Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit dem CD4046B/MC14046B: Alleine nur schon für den Gebrauch des VCO lohnt sich der Einsatz dieses PLL-IC CD4046B oder MC14046B! Man lernt seine Vielseitigkeit in der Praxis kennen, wie z.B. die leichte Dimensionierung des Verhältnisses der maximalen zur minimalen Frequenz am VCO-Ausgang mit nur zwei Widerständen. Es folgt eine komfortable VCO-Schaltung mit Wechselspannungseingang. Sie eignet sich dafür, aus einem arithemtischen Mittelwert eine Frequenz mit Rechtecksspannung (d/T=0.5) zu erzeugen. Einsatzeignung z.B. eine EMG-Biofeedbackschaltung. Einleitend zu dieser VCO-Thematik wird gezeigt wie man selbst, mit einem NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eigenschaft, einen VCO realisieren kann. Ist gar nicht schwierig...
Stichworte: VCO * Schmitt-Trigger * Rechteckgenerator * Frequenzteiler * Synchrongleichrichter *

Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit Ringkerntrafos, ohne Trafo-Sekundärspannung... : Die Elektronik wird direkt aus der 230-VAC-Netzspannung betrieben. Das Relais muss keine zusätzliche galvanische Trennung sicherstellen, weil die Speisung der Einschaltstrombegrenzung erfolgt nicht durch eine Sekundärspannung des Netztrafo. Besonders geeignet für medizinische Anwendungen!
Stichworte: CD4584 (MC14584) - Schmitt-Tigger-NAND-Gatter



Thomas Schaerer, 19.12.2012