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Schaltschwellen messen
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Bislang haben wir den 4093 als überwiegend als logisches Bauteil
kennengelernt. Nun geht es ein wenig näher an die elektronischen
Eigenschaften dieses Bauteils.
CMOS heißt ausgeschrieben "Complementary Metal Oxide Semiconductor".
In deutsch etwa "Komplementärer Metalloxid-Halbleiter". Diese
Halbleiter haben einige bemerkenswerte Eigenschaften, um die es hier in
praktischer Hinsicht gehen soll.
Eine besondere Eigenschaft ist der extrem niedrige Stromverbrauch dieser Sorte
Halbleiter. Während "normale" Transistoren einige mA Strom
brauchen, damit sie funktionieren und etwas sinnvolles tun, braucht das ganze
4093-Paket mit ganz vielen CMOS-Transistoren darin typischerweise weniger als
15 µA bei 9 V Betriebsspannung, also mehr als 100 mal weniger
als ein einziger Transistor BC547B in einer als stromsparend ausgelegten
Verstärkerschaltung. Mit einem 900mAh-Akkupack könnten wir den
4093 für fast vierzehn Millionen Jahre lang mit Strom versorgen, wenn
der Akkupack sich dabei nicht viel schneller selbst entladen würde.
Der Stromverbrauch steigt etwas an, wenn wir schnell schalten. Mit
"schnell" sind hier eine Million Schaltvorgänge pro Sekunde
gemeint. Also doch sehr schnelles Blinken, für unsere Schaltungen
nichts worüber wir uns sorgen müssten.
Auch die Eingänge von CMOS-IC's brauchen nur sehr wenig Strom, da sie
eher wie Kondensatoren mit einer sehr kleinen Kapazität gebaut sind
und wirken. Jedenfalls fließt da kein Basisstrom wie bei Transistoren.
Der extrem hohe Eingangswiderstand der CMOS-Transistoren hatte in den ersten
Jahren ihrer Anwendung viele Ausfälle zur Folge, weil statische
Elektrizität, wie sie beim Schlurfen auf Gummisohlen oder beim Streicheln
von Katzen entsteht, die Eingänge durch Hochspannungsüberschläge
zerstört. Heute sind die Eingänge mit Schutzdioden geschützt,
so dass wir heute keine dicken Erdungskabel mit uns herumschleppen müssen
und recht robust mit den Bauteilen umgehen können.
Das "Komplementär" in der Benennung bedeutet, dass die
CMOS-Transistoren mit zwei unterschiedlichen Polaritäten verbaut sind:
während die eine Sorte leitet, sperrt die andere. Damit lassen sich
logische Pegel an den Ausgängen mit einem Paar dieser Transistoren
hervorragend erzeugen: der Ausgang liefert und zieht Strom nach beiden
Betriebsspannungspolen. Die gesperrte Sorte hat dazu noch extrem geringe
Schleichströme, so dass im statischen Zustand kaum Verluste auftreten.
In diesem Experiment messen wir einige Charakteristika, die bei allen CMOS
ähnlich auftreten. Daneben messen wir eine sehr spezielle Eigenschaft
des 4093, die Schwellspannung oder Hysteresespannung. Als Hysterese bezeichnet
man das Phänomen, dass das Gatter bei einer anderen Eingangsspannung von
Null auf Eins wechselt als es von Eins auf Null wechselt. Das gibt es nur bei
diesem Baustein, alle anderen CMOS-Typen wechseln bei der immer gleichen
Spannung den logischen Zustand.
Das hier ist unsere Messschaltung.
Zum Messen verwenden wir nur eines der vier NAND-Gatter im 4093. Das schreibt
man oft auch als "1/4 4093". Während der Eingang 1B auf +9V
liegt (logisch 1 oder High), variieren wir die Eingangsspannung am Eingang
1A mit dem Potentiometer von 10k zwischen 0 und 9V. Die LED zeigt uns an,
ab wann das Gatter umschaltet.
Mit einem Messgerät werden wir den Strom in den oder aus dem Eingangspin
zu messen versuchen.
Am Ausgang 1A werden wir die Spannung bei ein- und ausgeschalteter LED messen.
Außerdem werden wir den Vorwiderstand der LED mit einem Strommessgerät
überbrücken und den maximal verfügbaren Strom am Ausgangspin
messen.
Alle Bauteile bis auf das Poti kennen wir schon.
Das Poti sieht so aus:
Der Schleifer befindet sich in der Mitte der drei Anschlüsse.
Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der
Bauteilliste für den
Versandhandel Reichelt
aufgelistet.
Der Aufbau erfolgt so:
Zur Messung der Trimmerspannung wird das Spannungsmessgerät mit einem kurzen
Drahtstück in E46 (plus) oder alternativ B52 oder C52 und einem weiteren in
der Minusschiene (minus) verbunden. Durch Drehen des Trimmers wird der genaue
Punkt gesucht, bei dem der Eingang von Low auf High wechselt, anschließend
der Punkt, bei dem er wieder zu Low wechselt. Beide Spannungen unterscheiden
sich, sollten aber bei jeder Messung reproduzierbar sein.
Zum Messen des Eingangsstroms wird die blaue Drahtbrücke entfernt und durch
das Strommessgerät ersetzt.
Zum Messen der Ausgangsspannung unter Last wird das Spannungsmessgerät an
A54 oder B54 (plus) und die Minusschiene angeschlossen.
Zum Messen des Stroms durch die LED wird das Strommessgerät an die beiden
Enden des 1k-Vorwiderstands angeschlossen.
Bei der Messung der Hysteresespannung sollte die Low-High-Spannung mindestens um
0,9V höher sein als die High-Low-Spannung. Diese Differenz bezeichnet man
als Hysteresespannung. Die Hysterese bewirkt, dass selbst bei sehr langsam
steigenden Spannungen (also z. B. beim langsamen Laden eines Kondensators)
oder bei Eingangsspannungen mit hohem Rauschen oder mit Störsignalanteilen
kein "Klappern" des Ausgangssignals stattfindet. Die Hysterese bewirkt
also eine hohe Störsignalfestigkeit.
Die Messung des Eingangsstroms sollte gründlich schief gehen, weil der
Eingangswiderstand von CMOS so hoch ist, dass wir mit unseren groben
Messgeräten schlicht nix messen können.
Die Messung der Ausgangsspannung bei leuchtender LED sollte zeigen, dass die
Ausgangsspannung bis auf etwa die Hälfte der Betriebsspannung zusammenbricht.
Das macht den Ausgangstransistoren des Gatters nichts aus, kann aber die Funktion
stören, wenn man diesen Ausgang zusätzlich an einen weiteren Eingang
anschließt. Dann reicht es nicht mehr immer aus, um auf High zu kommen.
Der Kurzschlussstrom durch die LED liegt bei 9V Betriebsspannung und bei
CMOS-Bausteinen neueren Herstellungsdatums etwa um 15 mA. Wir können
die LED also auch ohne Vorwiderstand an einem CMOS-Ausgang betreiben. Dann
ist die Ausgangsspannung aber dermaßen niedrig, dass wir damit garantiert
keinen weiteren Eingang mit dem Signal mehr beglücken können.
©2012 by Gerhard Schmidt