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1/2/4/8 Hertz/Sekunden-Taktgeber mit 4521



Wer einen Sekundentakt braucht, ist mit dem 4060 nicht so arg gut bedient, weil er noch einen Zweiteiler braucht. Daher hier die ultimative Sekunden-Takterei. Aber Obacht! Das Teil will ganz anders bedient werden als der Hersteller schreibt.

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Die Schaltung

Die Schaltung des Sekundentaktgebers ist hier zu sehen:

Schaltbild Sekundentaktgeber Der Quarz mit einer Resonanzfrequenz von 2,097152 MHz (1 MHz = 1 Mio. Takte pro Sekunde) ist an den Inverter 2 im CMOS-IC 4521 angeschlossen. Eingang und Ausgang von Inverter 2 sind mit 10 MΩ rückgekoppelt und Inverter 2 schwingt daher. Der Quarz zieht den schwingenden Inverter auf seine eigene Resonanzfrequenz. Der Keramikkondensator von 18 pF kompensiert die induktive Komponente des Quarzes.

In den Applikationsunterlagen, z. B. von Motorola, wird empfohlen, das Aushangssignal von Inverter 2 über einen Widerstand an den Quarz zu koppeln und diese Seite des Quarzes mittels eines Kondensators an Null zu legen. Mach das nicht, es funktioniert nicht! Mit einem Widerstand von z. B. 10 kΩ kriegt man den 2 MHz-Quarz partout nicht zum Schwingen. Der zweite Kondensator ist auch überflüssig, lässt man ihn weg, ändert sich die Frequenz auch nicht.

Die beiden Inverter 1 und 2 im 4521 haben eine separate Spannungsversorgung, die hier aus der Betriebsspannung erfolgt. Das kann man zum Stromsparen einsetzen, z. B. wenn Plus und Minus über zwei 10k-Widerstände zugeführt werden. So steht es jedenfalls in den Applikationsunterlagen. Aber nein: macht man das, dann will der Oszillator in bestimmten Spannungsbereichen gar nicht mehr schwingen.

Der 4521 teilt die Oszillatorfrequenz durch die Zweierpotenzen von 18 (2-hoch-18 = 262.144) bis 24 (= 16.277.216) und stellt diese geteilten Signale an seinen Ausgängen Q18 bis Q24 nach außen hin zur Verfügung. Dadurch könne die 1 / 2 / 4 und 8-Hertz-Signale und die 2 / 4 und 8-Sekunden am IC abgegriffen werden.

Die etwas eigenwillige Frequenz des Quarzes wurde nicht nur deshalb ausgewählt, weil sie genau 2-hoch-21 entspricht. Im Internet findet man jede Menge ähnliche Schaltungen mit genau der doppelten Quarzfrequenz (4,194304 MHz). Scheinbar kupfert da jeder einfach ab, was er so findet. Man findet aber auch Berichte, dass der Inverter bei niedriger Betriebsspannung und der höheren Quarzfrequenz nicht schwingt. Motorola spezifiziert die Maximalfrequenz mit 3,5 MHz bei 5 V, schon daher sollte man es nicht mit der doppelten Frequenz versuchen. Scheinbar ist das aber auch noch vom Hersteller des 4521 abhängig. Dieses Dilemma vermeidet die Schaltung hier durch die niedrigere Quarzfrequenz. Sie schwingt im gesamten Bereich zwischen 3,2 und 18 V Betriebsspannung.

Die Ausgangssignale an den Pins Q18 bis Q24 können mit einer LED-Anzeige beobachtet werden. Damit die LED bei allen Betriebsspannungen ohne Auswechseln des Vorwiderstands funktioniert, habe ich hier ein paar Schaltungsvorschläge für Konstantstromregler angefügt, die den LED-Strom auf 10 mA begrenzen.

Fazit: der 4521 ist ein Mimöschen und alles andere als ein robustes Teil.

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Die Bauteile

Den Abblockkondensator 100nK aus Keramik kennen wir bereits. Hier die neuen:

Der Oszillator/Teiler 4521

4521 4521 intern Der 16-polige 4521 enthält zwei Inverter, die an den Pins IN1 (Pin 9) und OUT1 (Pin 7) sowie IN2 (Pin 6) und OUT2 (Pin 4) von außen zugänglich ist. Der Ausgang OUT2 ist mit dem Binärteiler-Eingang verbunden. Beide Inverter können als Oszillator dienen und mit einer RC-Kombination, einem Quarz oder einem extern erzeugten Oszillatorsignal angesteuert werden.

Das Taktsignal wird in einer Teilerkaskade geteilt. Die Teiler-Ergebnisse von 2-hoch-18 bis 2-hoch-24 sind nach außen geführt.

SignalPinTeilerverhältnisBei 2,097152 MHz
Frequenz (Hz)Zeit (s)
Q1810262.14480,125
Q1911524.28840,25
Q20121.048.57620,5
Q21132.097.15211
Q22144.094.3040,52
Q23158.188.6080,254
Q24116.377.2160,01258
An Pin 2 kann der Zähler nullgesetzt werden (aktiv High).

Quarz 2,097152 MHz

Quarz 2,097152 MHz Der Quarz ist im HC18U-Gehäuse mit einer Resonanzfrequenz von 2,097152 MHz. Die beiden Anschlüsse des Quarzes sind nicht polarisiert.

Widerstand 10M

Widerstand 10M Den Widerstand von 10 M Ω kennen wir schon, er sieht so aus.

Die Ringe bedeuten braun (1), schwarz (0), schwarz (0) und grün (5 Nullen), also 10.000.000 Ω. M steht für Mega oder eine Million.

Keramikkondensator 18pF

Kondensator 18pF Der Keramikkondensator von 18 pF sieht so aus.

Die beiden Anschlüsse des Kondensators sind nicht polarisiert. pF bedeutet Picofarad. Pico entspricht einem millionstel Millionstel eines Farads (0,000.000.000.018 Farad), einer sehr kleinen Kapazität.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau des Taktgebers erfolgt so. Das Ausgangssignal wurde mit einem FET auf Konstantstrom eingestellt und treibt die rote LED an (daher rechts der Transistor, siehe unten).

Taktgenerator 1/2/4/8 Hz/s Taktgenerator 1/2/4/8 Hz/s
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LED-Anzeige für 3 bis 18 V

Damit man auch ohne Oszilloskop was sieht, kann man eine LED an den betreffenden Ausgang anschlißen. Natürlich mit einem entsprechenden Vorwiderstand. Bei 9V Betriebsspannung geht das eigentlich noch ohne, weil die CMOS-Ausgänge eh nicht mehr als 10 mA treiben. Aber bei 18 V ist dann spätestens die LED kaputt.

Also muss eine betriebspannungsabhängige Bremse her. Hier gibt es sogar zwei Bremsen.

Konstantstromregler mit NPN-Transistor Das hier ist die Variante mit einem ordinären NPN-Transistor. Der Widerstand mit 3,9 kΩ erzeugt an den beiden 1N4181-Dioden eine konstante Spannung von 1,3 V, die der Basis des NPN-Transistors zugeführt werden. Der erhöht seinen Kollektrostrom so lange, bis an seinem Emitter 0,65 V liegen. Würde der Strom noch höher, dann käme der Stromfluss durch Basis und Emitter zum Erliegen, weil auf der Basis-Emitter-Strecke 0,65 V verloren gehen. Damit wird der Stromfluss auf 10 mA begrenzt.

Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass der anzuzeigende Signalausgang (einer von Q18 bis Q24) auch an die Plusseite des 3k9 angeschlossen werden kann und dafür die Anode der LED an die positive Betriebsspannung kommt. Das entlastet das CMOS-IC von der Aufgabe, auch noch den gesamten LED-Strom zu liefern. Jetzt braucht der CMOS-Ausgang nur noch die Konstantspannung von 1,3 V zu erzeugen.

Konstantstromregler mit FET Das ist die zweite, noch einfachere Veriante. Einfach die LED und den FET anschließen, und fertig. Aber Obacht! Nur FETs mit ohne "C" und einem "A" oder "B" anschließen. Oder einen passenden aussuchen, der bis zu 10 mA liefert.

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