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Die Schaltschwellen eines 4093 ausmessen



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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.

Elektronische Eigenschaften des CMOS-Logik-IC's 4093

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.

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Die Schaltung

Das hier ist unsere Messschaltung.

Schaltbild Ausmessen

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.

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Die Bauteile

Alle Bauteile bis auf das Poti kennen wir schon.

Das 10k-Poti

Das Poti sieht so aus:

Trimmer 10k von oben Trimmer 10k von der Seite

Der Schleifer befindet sich in der Mitte der drei Anschlüsse.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Elektronikladen Zimmermann in Darmstadt und für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau erfolgt so:

Ausmessen des NAND

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.

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Wie es funktioniert

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.

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©2012 by Gerhard Schmidt