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RC-Taktgenerator mit 4093



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Gattern als Takterzeuger

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.

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Die Schaltung

Das hier ist schon die ganze Schaltung. Das linke NAND-Gatter erzeugt das Taktsignal, das rechte treibt die LED an.

Schaltbild NAND-Oszillator

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.

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Die Bauteile

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 100 kΩ

Der Widerstand sieht so aus:

Widerstand 100k

Die Ringe sind braun(eins), schwarz (null), schwarz (null) und orange (drei zusätzliche Nullen).

Der Elko 10 µF

Den Elko kennen wir schon vom Analogkurs her.

Elko 10µF

Die hier zu sehende Minusseite ist wichtig, damit wir den Elko richtig herum einbauen können.

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:

Aufbau Taktgenerator

Wichtig beim Aufbau sind die beiden kleinen Brücken an den beiden NAND-Eingängen und die richtige Polarität von Elko und LED.

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Wie es funktioniert

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.

Simulation Oszillator

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
  1. den Widerstand kleiner oder größer machen, oder
  2. den Elko kleiner oder größer machen.
Wir können also fast beliebig kurze oder lange Zeiten für den Takt vorwählen.

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©2012 by Gerhard Schmidt