Diskrete Gatter - Logik ganz ohne Kleidung

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
10 Transistor BC548C (BC546C-BC550C)
1 Transistor BC558C (BC556C-BC560C)
2 MOSFET BS170
2 MOSFET BS250
2 Diode 1N4001 (1N4001-1N4007)
2 Zenerdiode 3,3 V / 1,3 W
1 Widerstand 470 Ohm  
2 Widerstand 10 kOhm  
2 Widerstand 22 kOhm  
1 Widerstand 47 kOhm  
1 Widerstand 100 kOhm  
1 Widerstand 470 kOhm  
9 Widerstand 1,0 MOhm  
2 Mikrotaster
2

Miniatur-Relais (5)6V mit 2 Wechselkontakten

z.B. BT-5S von Bestar oder G6S-2 6V von Omron

1 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm

 

 

Grundlagen

 

Nicht nur in reinen Digitalschaltungen wird hin und wieder die eine oder andere Logikgatter gebraucht. Meist greift man bei solchen Problemen auf fertige Schaltkreise zurück. Dies ist aber nicht immer sinnvoll:

 

- Zum Einen benötigen die Schaltkreise oft recht viel Platz und das, obwohl man nur ein einzelnes Gatter benötigt wird.

- Jeder Schaltkreis muss auch mit Spannung versorgt werden, was den Schaltungsaufbau erschwert.

- Die Gatter-Schaltkreise können meist nur sehr geringe Ströme treiben und sind auch nur für recht geringe Spannungen geeignet.

 

Oft ist es aber möglich, einzelne Logikfunktion mit diskreter Technik zu bilden. Hier sollen die Grundfunktionen mit Relais, in Dioden-Transistor-Technik (DTL), Transistor-Transistor-Logik (TTL) und mit MOSFET (CMOS) erläutert werden. Es wäre auch möglich noch die Röhrentechnik dazu zu nehmen. Aber der Versuchsaufbau ist hier zu aufwendig. Ebenso wendet heute wohl kaum jemand mehr Röhren für die Digitaltechnik an, so dass hier auf die Erläuterung dieser Technik verzichtet wird.

 

Es werden hier auch nur die Grundfunktionen dargestellt. Alle weitere lassen sich dann ableiten. Z.b. Eine NAND-Funktion entsteht durch eine UND mit nach geschalteter Nicht-Funktion.

 

 

Grundaufbau

 

 

Bevor wir uns in die Versuche stürzen, bauen wir auf dem Steckboard erst einmal eine Grundschaltung auf. Die bleibt für alle Versuche gleich. Nur der entsprechende 'Kern' wird dann geändert.

In den Schaltplänen wird dieser Aufbau auch nicht immer wieder mit gezeichnet um die Übersichtlichkeit zu verbessern. Auf den Bauplänen jedoch, bleibt der Aufbau erhalten.

Um Signale an die Logikfunktion zu geben, werden hier einfach 2 Taster mit PullDown-Widerständen verwendet. Die Signale können dann entsprechend bei A und B abgegriffen werden.

Das Ergebnis der Verknüpfung wird anschließend auf den Ausgangstreiber Q geleitet. Bei einem 1-Signal leuchtet die LED auf.

 

 

Relaistechnik

 

Bei der Relaistechnik kann man die meisten Funktionen recht leicht nachbilden. Aufgrund der Tatsache, dass man hier von DIL-Relais bis zum Hochlast-Schütz alles einsetzen kann, ist diese Technik sehr gut an die diversen Leistungen und Spannungen anpassbar. Trotzdem eignet sich diese Technik wirklich nur für kleine Verknüpfungsschaltungen, da der Stromverbrauch pro Relais um Einiges höher ist, als bei anderen Techniken. Des Weiteren ist diese Art der Verknüpfung noch mit einer recht langsamen Ausführgeschwindigkeit belastet.

 

 

Nicht-Funktion (NOT)

 

 

 

Das Nicht-Gatter ist in der Relais-Technik einfach zu bewerkstelligen. Es wird einfach ein Öffner-Kontakt beschaltet.

Wird jetzt ein 1-Signal auf die Funktion gegeben, zieht das Relais an und öffnet den Kontakt. Somit ergibt sich an Q ein 0-Signal.

Wird ein 0-Signal auf den Eingang gegeben, so ist der Kontakt geschlossen und Q gibt ein 1-Signal ab.

Die eingebaute Zenerdiode dient hier nur zur Spannungsreduzierung, da in diesem Lehrgang 6V (5V) Relais verwendet werden.

 

 

UND-Funktion (AND)

 

 

Die UND-Funktion ist aber in Relaistechnik auch nicht wirklich kompliziert.

Hier werden einfach die beiden Schließer-Kontakte der beiden Relais einfach in Reihe geschaltet. So kann der Strom nach Q nur fließen, wenn beide Relais durchgesteuert sind. Also A und B ein 1-Signal erhalten.

 

 

ODER-Funktion (OR)

 

 

Im Gegensatz zur UND-Funktion werden bei der ODER-Funktion einfach die beiden Schließer-Kontakte parallel geschaltet.

Jetzt muss nur eines der beiden Relais oder auch beide Relais zusammen durch ein 1-Signal an A oder B angesteuert werden, damit der Strom an Q gelangt und somit hier auch ein 1-Signal abgibt.

 

 

Exklusiv-ODER-Funktion (XOR)

 

 

Selbst so eine recht komplexe Funktion wie das Exklusiv-ODER lässt sich mit Relais relativ gut realisieren.

Hier wird ein Schließer vom ersten Relais mit dem Öffner des zweiten Relais verbunden und umgekehrt.

Der Strom kann nur fließen, wenn nur eines der beiden Relais angezogen hat. Sind beide deaktiv oder beide zusammen angesteuert so wird der Strom von einen der beiden Kontakte blockiert.

 

 

UND-Nicht-Funktion (NAND)

 

 

Verwendet man bei der ODER-Funktion anstelle der Schließer die Öffner-Kontakte so erhält man eine UND-Nicht-Funktion.

Hier fließt der Strom solange nach Q wie eines der beiden Öffner noch geschlossen sind. Erst, wenn beide Relais anziehen, werden auch beide Kontakte geöffnet und Ausgang Q erhält kein 1-Signal mehr.

 

 

ODER-Nicht-Funktion (NOR)

 

 

Ein ähnliches Prinzip setzen wir hier bei der ODER-Nicht-Funktion ein. Hier werden beim UND-Gatter die Schließer gegen Öffner getauscht.

Der Strom wird unterbrochen, wenn eines oder beide Relais anzieht.

 

 

DTL (Dioden-Transistor-Logik)

 

Häufig kommt es vor, dass man schnell einmal eine einfach UND oder ODER-Verknüpfung braucht. Hier jedes Mal einen integrierten Schaltkreis einzusetzen, ist nicht immer erforderlich. Man kann sich auch mit Dioden und Transistoren behelfen.

 

Für diese Technik spricht auch noch, dass man hier sogar mit großen Spannungen arbeiten kann, welche bei der integrierten Technik schon oft zum Problem wird und sich nur durch ergänzende Treiberschaltungen lösen lässt.

 

 

UND-Funktion (AND)

 

 

Will man die UND-Funktion mit Dioden realisieren, so muss man die Dioden mit der Kathode zu den Eingängen schalten.

Die UND-Funktion ergibt sich daraus, dass der Ausgang nur ein 1-Signal bekommt, wenn beide Dioden sperren. Hat auch nur eine der beiden Dioden Verbindung zum Minus-Pol (0-Signal), hier durch RA oder RB realisiert, wird der Ausgang auch auf 0 gezogen.

Nachteil dieser Schaltung ist es, dass die Widerstände genau dimensioniert werden müssen, wie man bei diesem Versuchsaufbau auch gut sieht. Die Funktion ist hier nicht wirklich perfekt.

 

 

ODER-Funktion (OR)

 

 

Viel unproblematischer ist hingegen die ODER-Verknüpfung. Hier muss nur an einen der beiden Eingängen ein Plus-Signal angelegt werden, schon leitet die entsprechende Diode und der Ausgang führt ebenso ein 1-Signal. Sind beide Dioden gesperrt, so sorgt der Widerstand für ein 0-Signal.

 

 

Nicht-Funktion (NOT)

 

 

Für den Inverter in der DTL-Technik, kommen wir ohne einen Transistor nicht mehr aus. Aus diesem Grund gibt es leider auch keine reine Dioden-Logik.

Die Funktion des Inverters sollte jedem angehenden Elektroniker sofort klar sein. Liegt eine positive Spannung am Transistor, schaltet dieser durch und legt somit den --Pol an den Ausgang. Die Leuchtdiode verlischt.  Ist der Transistor nicht durchgesteuert, ist der +-Pol über R2 an den Ausgang geschaltet und unsere LED leuchtet auf.

 

 

TTL-Technik

 

Nun kommen wir zu einer Technik die auch heute noch weit verbreitet ist. In der TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik) wird die Logik über Transistoren realisiert und auch die Ausgänge werden durch Transistoren gesteuert. In der TTL-Technik gibt es noch weitere Unterfamilien, welche hier nun nicht alle einzeln aufgeführt werden. Am Schluss dieses Lehrgangs wird darauf aber noch einmal eingegangen.

 

 

Nicht-Funktion (NOT)

 

 

Die Schaltungen der TTL-Technik sehen teilweise ein wenig ungewohnt aus. Um die Funktionsweise zu verstehen, nehmen wir uns erst einmal die NICHT-Funktion vor.

Typisch für TTL-Schaltungen sind die Gegentaktverstärker - Alles auf einmal am Ausgang. Diese sorgen dafür, dass immer die Betriebsspannung oder das 0-Potential durchgeschaltet wird.

Wird am Eingang ein 0-Signal angelegt, so kann T1 durchsteuern, da über R1 ein Basisstrom zum Emitter fließen kann. Dies wiederum sorgt dafür, dass auch T2 an 0V geschaltet wird und somit sperrt. Die Gegentaktstufe erhält somit, über R2, eine positive Spannung und steuert durch.

Versorgt man Eingang A jedoch mit einer positiven Spannung, so sperrt T1. T2 kann nun über R2 durchsteuern und versorgt somit die Gegentaktstufe mit einem 0-Potential. Am Ausgang erscheint ein 0-Signal.

 

 

ODER-Nicht-Funktion (NOR)

 

 

Auf der Grundlage der NICHT-Verknüpfung kann man die weiteren Grundfunktionen erstellen.

Hier werden im Grunde 2 Inverter-Stufen parallel geschaltet. Damit entsteht dann eine ODER-NICHT-Funktion.

 

 

UND-Nicht-Funktion (NAND)

 

 

Die UND-NICHT-Funktion ist auch nicht wirklich komplizierter. Hier werden nur die beiden Verknüpfungstransistoren in Reihe geschaltet.

 

 

Exklusiv-ODER-Funktion (XOR)

 

 

Der innere Aufbau des Exklusiv-ODER-Gatters ist schon äüßerst komplex. Hier findet man im Grunde eine Kombination aus einer UND-Funktion (T1-T4) und einer ODER-Funktion in einer Schaltung (T6+T7). Da dass Ergebnis dieser Verknüpfung invertiert ist, muss noch eine Inverter-Stufe hinzugefügt werden.

 

Exklusiv-ODER-Nicht-Funktion (XNOR)

 

 

 

Um aus einer Exklusiv-ODER-Funktion eine Exklusiv-ODER-Nicht-Funktion zu machen, muss man hier jetzt einfach nur die letzte Inverter-Stufe entfernen.

 

 

CMOS-Technik

 

Mit der TTL-Technik lassen sich schon alle erdenkbaren logischen Schaltungen bis hin zu ganzen Mikrorechnern erstellen. Nur hat die TTL-Technik einen ganz großen Nachteil. Selbst bei guter Dimensionierung benötigt so eine Schaltung, bedingt durch die stromgesteuerten bipolaren Transistoren, eine recht große Menge an Energie. Bei kleinen Steuerungen ist dies ja noch zu vertreten. Man schaue sich aber einmal heutige Prozessoren z.B. an. Diese haben leicht einige 100000 Transistorfunktionen auf dem Chip. Nun kann sich jeder selbst ausrechnen, welchen Strombedarf so ein Baustein hätte. Hier müsste man dann sprichwörtlich einen Bollerwagen mit dem Akku hinter sich herziehen, wenn die heutigen Mobilfunktelefone aus bipolaren Transistoren, sprich in TTL-Technik, realisiert worden wären.

 

Moderne Prozessoren und auch Schaltkreise bestehen daher aus MOSFET-Transistoren. Diese haben, neben dem fast energielosen Schalten, noch den Vorteil, dass diese auf dem Chip nur äußerst wenig Platz beanspruchen und einfach zu realisieren sind. Daher lassen sich auch sehr komplexe Schaltkreise entwerfen welche nicht nur wenig Energie benötigen sondern auch noch sehr klein gehalten werden können.

 

 

Nicht-Funktion (NOT)

 

 

In der CMOS-Technik wird im Prinzip nur der Inverter verwendet, welcher hier einzeln zu sehen ist. Mit SA geben wir das Eingangssignal ein.

Liegt am Eingang ein 0-Signal, so kann T1 durchsteuern und schaltet somit die Betriebsspannung durch. Am Ausgang liegt eine 1.

Wird der Eingang mit 1, also eine Spannung nahe der Betriebsspannung versorgt, wird T2 leitend und setzt den Ausgang auf GND, also einem 0-Signal. Das Signal wird somit invertiert.

 

 

UND-Nicht-Funktion (NAND)

 

 

Wie bei der UND-Nicht-Funktion gefordert, kann hier der Ausgang nur ein 0-Signal liefern, wenn beide Eingänge eine 1 erhalten. In diesem Fall steuern T3 und T4 durch und legen den --Pol auf den Ausgang. T1 und T2 sperren dem entsprechend.

Ist auch nur ein Eingang oder beide Eingänge auf 0, so steuert entweder T1 oder T2 oder beide durch und legen die Betriebsspannung an den Ausgang.

 

 

ODER-Nicht-Funktion (NOR)

 


 

Bei der ODER-Nicht-Funktion wird die Verdrahtung im Grunde einmal umgeklappt. Hier wird dann nur die Betriebsspannung durchgeschaltet, wenn beide Eingänge ein 0-Signal führen.

Führt mindestens ein Eingang ein 1-Signal, so wird einer der beiden Transistoren T3 oder T4 aktiv und das Messepotential wird auf den Ausgang gelegt und einer der beiden Transistoren T1 oder T2 verhindern das Durchschalten der Betriebsspannung.

 

 

Ausgangsschaltungen

 

Neben den üblichen Gegentaktausgängen bei integrierten Digital-Schaltkreisen, gibt es noch einige Ausgangsarten, die man kennen sollte. Diese sind nötig um, z.B. Computerschaltungen, aufzubauen.

 

 

Open-Collector / Open-Drain

 

 

Beim Open-Collector, respektive Open-Drain-Ausgang, bei der CMOS-Technik, wird einfach der obere Transistor weggelassen und der untere dann durch ein NPN-Transistor bzw. N-Kanal MOSFET ersetzt, welcher das 0-Potential durchschaltet. Hierdurch ist es z.B. möglich Verbraucher zu steuern, welche eine höhere Betriebsspannung benötigen, als die von der entsprechenden Logik-Familie vorgesehenen Spannung.

Hierbei wird der Verbraucher immer mit der Betriebsspannung verbunden und der Massenschluss läuft dann über den entsprechenden Schaltkreis-Ausgang.

Des Weiteren kann man mit dem Open-Collector ein so genanntes Wired-Or realisieren. Hier werden mehrere Ausgänge zusammengeschlossen und dann mit einem gemeinsamen PullUp-Widerstand an die Betriebsspannung gelegt. Hierdurch sind einfache Bussysteme möglich. Da sich hier das Ergebnis des Signalpegels aller vorhandener Ausgänge wie eine ODER-Verknüpfung verhält, nennt sich diese Art der Verbindung eben Wired-Or.

 

 

TriState-Ausgang

 

Beim TriState-Ausgang wird dafür gesorgt, dass beide Ausgangstransistoren sperren. So sieht es für die weiteren Gatter, welche an diesen Ausgang angeschlossen sind, so aus als würde es diesen Ausgang gar nicht geben. Er verhält sich also Neutral.

 

 

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