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RC-Taktgenerator
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Nein, nicht der ganze Kurs geht mit dem gleichen IC. Es kommen
auch noch andere dran. Das ist der letzte Teil, der mit dem
4093 geht. Aber der hat es in sich.
In der Digitalelektronik geht fast alles mit irgendwelchen
Taktgebern vor sich, statische Verhältnisse mit
irgendwelchen Eingangssignalen und davon abhängigen
Ausgabesignalen kommen eher selten vor. Die meisten Schaltungen
sind dynamisch, das heißt es läuft irgendetwas ab
und ändert sich mit der Zeit.
Um solche Dynamik zu erzeugen, brauchen wir ein Taktsignal,
das immerzu an und aus geht. Wir könnten unsere Blinkschaltung
aus dem Analogkurs dazu verwenden, aber digital geht das alles
viel einfacher und eleganter.
Der 4093 ist fast schon als Blinker geboren und eignet sich
hervorragend für diese Aufgabe wie kein anderes IC. Und zwar
deswegen, weil er dieses Hysteresesymbol in seinem Schaltsymbol
drin hat. Das hat sonst keiner, und macht ihn Spitze geeignet
für diese kommende Aufgabe.
Der Wechsel von Low nach High und zurück funktioniert im
Prinzip mit jedem Umkehrgatter: man schaltet einfach den Ausgang
an den Eingang und schon schwingt das Ganze hin und her.
Blöderweise sind alle CMOS-Gatter so schnell, dass das
rückgekoppelte Gatter viele Millionen Schwingungen in der
Sekunde macht. Wenn wir ein Drahtstück als Sendeantenne
anschließen, können wir das so missbrauchte Gatter
im oberen Kurzwellenbereich sogar hören. Leider kann das
auch der Nachbar, der gerade seinen Lieblingssender aus China
hört und nun stattdessen das blöde Schwinggatter.
Im Prinzip wäre also auch jedes andere Gatter geeignet,
aber alle wären viel zu schnell. Bis auf das 4093. Das
schaltet bei einer anderen Spannung von Low auf High als von
High auf Low. Diese Hysterese kann man sich zunutze machen, um
ein schönes sauberes und recht langsames Rechtecksignal
zu erzeugen. Dazu kommt ein Kondensator an den Eingang und der
Ausgang wird über einen Widerstand auf den Kondensator
geschaltet. Das macht die folgende Schaltung so, um ein etwa
eine Sekunde langes Taktsignal zu erzeugen.
Das hier ist schon die ganze Schaltung. Das linke NAND-Gatter
erzeugt das Taktsignal, das rechte treibt die LED an.
Der Widerstand von 100k koppelt den Ausgang des linken NAND an
dessen Eingang zurück. Am Eingang liegt noch ein Elko von
10µF, der den Anstieg und den Abfall der Spannung am Eingang
verlangsamt.
Das zweite NAND ist an den Gatterausgang angeschlossen und treibt
die LED. Ist der Taktausgang High, dann ist die LED angeschaltet.
Das NAND-IC 4093,
sein Inneres, die 14-polige
IC-Fassung, der Widerstand von
1 kΩ und die LED kennen wir
schon, bleiben nur der 100k-Widerstand und der Elko.
Der Widerstand sieht so aus:
Die Ringe sind braun(eins), schwarz (null), schwarz (null) und orange
(drei zusätzliche Nullen).
Den Elko kennen wir schon vom Analogkurs her.
Die hier zu sehende Minusseite ist wichtig, damit wir den Elko richtig
herum einbauen können.
Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der
Bauteilliste für den
Elektronikladen Zimmermann in Darmstadt und für den
Versandhandel Reichelt
aufgelistet.
Der Aufbau erfolgt so:
Wichtig beim Aufbau sind die beiden kleinen Brücken an den beiden
NAND-Eingängen und die richtige Polarität von Elko und LED.
Schon mit Anlegen der Batterie an die Schaltung setzt das Blinken ein,
wenn alles richtig aufgebaut wurde. Das Blinken schauen wir uns etwas
näher an. Auf dem Bild ist der Verlauf der Spannung am Elko in
blau und die Spannung am NAND-Ausgang in rot eingezeichnet.
Zu Beginn ist der Elko entladen, die Spannung also sehr niedrig. Da die
beiden Eingänge des NAND auf logisch Low liegen, ist der Ausgang
auf High. Über den Widerstand lädt der Ausgang den Elko jetzt
langsam auf, seine Spannung steigt langsam an. Je höher die
Spannung am Elko ist, desto kleiner wird die Spannung zwischen Ausgang
und Elko und desto kleiner wird der Ladestrom. Deshalb ist die Ladekurve
des Elko nicht gerade sondern etwas nach unten durchgebogen.
Erreicht die Spannung am Elko nach 1,7 Sekunden die obere
Hysteresespannung des NAND-Eingangs, dann kippt der Ausgang des NAND um,
seine Spannung geht auf Null Volt. Jetzt entlädt der Ausgang den
Elko. Aber eben nicht schnell, sondern gebremst durch den Widerstand
und sehr langsam. Nach 0,4 Sekunden ist die Spannung unter die
untere Hysteresespannung des NAND-Einganges gefallen und der NAND-Ausgang
geht wieder auf High. Jetzt wiederholt sich der Vorgang, es wird wieder
geladen.
Das Ganze kippt jetzt immer zwischen den beiden Hysteresespannungen hin
und her und der Ausgang macht Taktsignale von etwa 0,8 Sekunden
Dauer. Beide Pulsteile, also High und Low, sind etwa gleich lang.
Jetzt verstehen wir auch den Sinn der Hysteresespannung: wäre
die niedriger oder gar nicht vorhanden, wie beim NANG-Gate ohne
Hysterese, dem 4011, dann wäre unser Puls extrem kurz, wir
könnten damit keinen Takt-Generator bauen. Das macht den 4093
viel interessanter als alle anderen CMOS-Gatter.
Der Digitalelektroniker nennt die Hysterese übrigens nach
dem Erfinder auch Schmitt-Trigger. Ein Begriff, den man sich
unbedingt merken sollte.
Wenn wir kürzere oder längere Impulse brauchen, dann
können wir entweder
- den Widerstand kleiner oder größer machen, oder
- den Elko kleiner oder größer machen.
Wir können also fast beliebig kurze oder lange Zeiten für
den Takt vorwählen.
©2012 by Gerhard Schmidt