Versuch 16 (früher I9) Aufbauten 16/36 (früher I7a/I7b) Logikschaltungen mit dem Bipolartransistor

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1 Hochchule Augburg Veruch 16 (früher I9) Aufbauten 16/36 (früher I7a/I7b) Logikchaltungen mit dem Bipolartranitor Phyikaliche Praktikum Die Funktionweie von Bipolartranitoren ollte vor Veruch 9 im Theorieteil von Veruch 8 nachgeleen werden. Logikchaltungen zeichnen ich dadurch au, da die verwendeten Tranitoren lediglich eine Schaltfunktion übernehmen. Diee brauchen daher im Betrieb nur zwei mögliche Arbeitpunkte einnehmen: den durchgechalteten Zutand ( EIN) mit möglicht kleinem Widertand zwichen Emitter und Kollektor (= großer Kollektortrom) und den augechalteten Zutand ( AUS) mit entprechend hohem Widertand (und kleinem Kollektortrom). Im Augangkennlinienfeld müen diee Zutände auf der durch die Betriebpannung U o und den Kollektorwidertand R definierten Latkennlinie liegen (. Bild). Weit aueinander liegende Arbeitpunkte erhält man durch geeignete Wahl der Baitröme: AUS durch einen möglicht kleinen Baitrom, EIN durch einen Baitrom, der im Sättigungbereich der zugehörigen Augangkennlinie zu einem Kollektortrom von ungefähr U o /R führt. Noch höhere Baitröme bewirken im zweiten Fall keine weentliche Verbeerung (d.h. Erhöhung de Kollekto rtrome), bedingen aber höhere Steuerleitungen zum Durchchalten de Tranitor. Wie im Bild gezeigt, kann die Latkennlinie durchau die Hyperbel für max. Verlutleitung chneiden. Die Umchaltvorgänge müen dann o chnell vor ich gehen, da die Schalt-verlutenergie den Tranitor nicht übermäßig aufheizt. In Logikanwendungen wie Daten-Speicher (RAM, SRAM, DRAM), Ozillatoren und Zählern pielen ogenannte Kippchaltungen eine große Rolle. Sie enttehen durch Rückkopplung von Augangpannungen an die Eingänge. Im nebentehenden Bild ind die wichtigten Kippchaltungen aufgeführt. Sie ergeben ich je nach Wahl der Rückkoppelelemente K 1 und K 2 gemäß der aufgeführten Tabelle. Eine eingehendere Erklärung der unterchiedlichen Schaltungen wird im Teil Veruchdurchführung gegeben.

2 TABELLE 1 KOPPEL- GLIED K1 R R KOPPEL- GLIED K2 R C ART DER KIPPSCHALTUNG Flip-Flop Univibrator C C Multivibrator > Folgende Schaltungen ollen aufgebaut und unterucht werden: * Zeitchalter * Atabile Kippchaltung = Multivibrator (Taktgeber) * Monotabile Kippchaltung = Univibrator * Bitabile Kippchaltung = Flipflop mit tatichem Eingang (taticher Speicher) * Teilerchaltung = Flipflop mit dynamichem Eingang (dynam. Speicher) A Zeitchalter Gemäß nebentehender Schaltkizze perrt der Tranitor bei gechloenem Schalter S, da kein Baitrom fließen kann. Dazu wäre nämlich eine durchgechaltete Bai-Emitter- Diode notwendig, wa wiederum eine Bai- Emitter-pannung von mindeten 0,6V bedingen würde. Ert nach Öffnen de Schalter lädt ich der Kondenator C mit der Zeit-kontanten = ln2 R C auf, erreicht die Kniepannung (Diffuion-pannung) von 0,6V und chaltet dann den Tranitor ein. Die erkennt man an der fallenden Kollektorpannung und der aufleuchtenden Leuchtdiode, die in der Schaltung al Kollektorwidertand fungiert * 2 DIGITAL- MULTIMETER * TRANSISTOR BCY 58 oder ähnlich Die Zeit t zwichen Öffnen de Schalter und Aufleuchten der Diode wird mit der Stoppuhr gemeen und den Wert mit der Zeitkontanten = R C verglichen. Beachten Sie in allen Schaltungen die Polarität der verwendeten Elektrolytkondenatoren gemäß Schaltkizze. Fehlpolungen zertören die Bauteile. Die Leuchtdioden leuchten nur bei der richtiger Polung mit Strom in Durchlarichtung.

3 Für 4 verchiedene Kombinationen werden gemäß Tabelle Meungen durchgeführt und die jeweilige Kollektorpannungen U CE im EIN- und AUS- Zutand notiert. Werte für R und C eintragen: kleinerer R: 47 oder 68k größerer R 100 oder 220k kleinerer C 100 oder 220µF größerer C 470 oder 680µF TABELLE 2 TRANSISTOR (BCY 58 oder...) :... R/k klein... klein... groß... groß... C/µF klein... groß... klein... groß... t / / t / U CE /V ein / U CE /V au B Atabile Kippchaltung = Kippchwing- Glied Hierunter verteht man eine Schaltung, deren Augang ohne äußeren Einflu in fetem zeitlichen Rythmu zwichen zwei verchiedenen Spannungen hin- und herchaltet. Diee Schaltung wird zur Takterzeugung in Rechnern und Nerzwerke genutzt. Eine mögliche Realiation it in der nebentehenden Schaltkizze wiedergegeben. Zur Erklärung betrachten wir die Schaltung genau in dem Moment, da Tranitor T 1 einchaltet: D 1 leuchtet. Zu dieem Zeitpunkt it C 2 in der angegebenen Polarität nahezu auf 5V aufgeladen. Der Plupol de Kondenator TRANSISTOREN T 1 UND T 2 : BD130 oder ähnlich wird beim Schaltvorgang fat auf Maepotential =0V gezogen, weil die Kollektorpannung von T 1 tark abfällt. Da der Kondenator nach wie vor geladen it, pringt da Potential an einem Minupol (= Baipannung von T 2 ) auf nahezu -5V. Die perrt T 2 ofort, da eine Bai-Emitter-Strecke nun in Sperrichtung betrieben wird. Ert nachdem ich der Minupol von C 2 über R 2 und dem durchgechalteten T 1 auf ca. 0.6V aufgeladen hat, kippt die Schaltung wieder: T 2 wird leitend, T 1 perrt gemäß ähnlicher Vorgänge wie oben, nur diemal an C 1 und R 1, und C 2 kann ich über D 1 und die durchgechaltete Bai- Emitter-Strecke von T 2 auf nahezu 5V in "richtiger" Richtung aufladen. Analog wie oben wird T 1 nach einer durch R 1 C 1 betimmten Zeit leitend und wir haben unere Augangituation wieder erreicht. Beachten Sie, da C 2 kurzfritig verkehrt gepolt it und zwar in der Phae, in der T 1 durchgechaltet it und über R 2 da Baipotential von T 2 poitive Werte erreicht.

4 Wegen der Symmetrie der Anordnung gilt da natürlich auch für C 1 zu einer anderen Zeit. Trotzdem übertanden die Kondenatoren die Veruche biher einigermaßen unbechadet. Wie chon erwähnt, ergibt ich die Zeit zwichen AUS- und EIN-Schalten eine Tranitor au der Zeitkontanten RC der an der Bai verwendeten Rückkopplungelemente. Erfahrunggemäß gilt für dieen Halbzyklu t i 0,69 R i C i i=1,2. Im Veruch oll für die in der Tabelle angegebenen Kombinationen die Zeit für 10 volltändige Kippzyklen t (t ge = t 1 +t 2 ) betimmt und diee mit dem Mewerten verglichen werden. Schätzen Sie auch qualitativ da Tatverhältni t 1 : t 2 ab. TABELLE 3 TRANSISTOREN T 1 UND T 2 : TRANSISTORTYP: Werte für C eintragen: kleinerer C 47 oder 68µF größerer C 220, 330 oder 470 µf R 1 / k C 1 / µf R 2 / k C 2 / µf 10 t/ t/ t 1 : t 2 t 1 / t 2 / t ge / 10 klein klein Groß klein Groß Groß... 4,7 klein klein... 4,7 Groß klein... C Monotabile Kipptufe Diee Schaltung beitzt eine tabile Ruhelage. Durch einen äußeren Impul wird diee Lage für eine betimmte Zeit t verlaen, dann aber von elbt wieder eingenommen. Nebentehende Schaltung weit ein olche Verhalten auf. In Ruhe leitet T 1 (D 1 leuchtet), da eine Bai über R 1 an 5V liegt. Entprechend perrt T 2 (D 2 dunkel), eine Bai wird über R 2 und dem durchgechalteten T 1 auf nahezu 0V gehalten. C 1 it in angebener Richtung auf fat 5V aufgeladen. Die Betätigung de Tater S legt die Bai von T 1 kurzfritig auf 0V und bringt dieen zum Sperren. Damit bekommt aber T 2 an einer Bai hohe TRANSISTOREN T 1,2 : BD130 o. ähnl C k = 470 nf R = 470 kohm Potential und wird damit leitend, wa ähnlich wie bei der atabilen Kipptufe ein weitere Sperren von T 1 veruracht. Der geladene Kondenator C 1 wird nämlich an der poitiven Elektrode auf 0V gelegt und damit entteht an der Bai von T 1 ein Potentialprung auf -5V, der ich über R 1 wieder auf +5V auzugleichen verucht. Dieer Vorgang läuft mit der Zeitkontanten =0,69* R 1 C 1 ab und wird bei Erreichen der

5 Kniepannung von 0,6 V abrupt beendet, weil dann wieder oben bechriebener Ruhezutand (T 1 leitet, T 2 perrt) eingenommen wird. Der Widertand R am Kondenator C k orgt für deen Entladung im Ruhezutand. Auch jetzt wird wieder die Zeit t de Aufleuchten von D 2 für verchiedene R-C- Kombinationen nach Betätigung von S mit Stoppuhr ermittelt. Vergleichen Sie mit der Zeitkontanten = 0,7 * R 1 C 1. TABELLE 4 TRANSISTOREN T 1 UND T 2 :... Werte für R und C eintragen: kleiner R: 3,3 oder 4,7 k großer R 10k kleinerer C 470 oder 680µF groß C 1000 µf R 1 /k C 1 /µf t/ / t / klein... klein... klein... Groß: 1000 Groß: 10 klein... Groß: 10 Groß: 1000 D Flipflop (taticher Eingang) Diee Schaltung zeigt ein bitabile Verhalten: ie beitzt zwei unterchiedliche Ruhelagen, die je nach äußerem Impul eingenommen werden können. In neben-tehender Schaltung wird diee bitabile Arbeitweie chon durch die völlige Symmetrie der Anordnung bezüglich T 1 und T 2 angedeutet. Leitet T 1, o mu T 2 perren, da eine Bai mit dem auf ca. 0V liegenden Kollektor von T 1 verbunden it. Die aber tabiliiert T 1, da durch den perrenden T 2 eine Bai über R 1 auf poitive Spannung gehalten wird. Der piegelbildliche Zutand *TRANSISTOREN T 1, T 2 : BD130 o. ähnl * R 1 = R 2 = 3,3 k * 2 DIGITALMULTIMETER (T 1 perrt, T 2 leitet) it genauo möglich, wie man bei Vertauchen der Indize 1,2 erieht. Durch kurze Betätigen der Tater S an den Baianchlüen der Tranitoren kann der entprechende Tranitor zum Sperren veranlat werden, ofern er leitet. Da die Eingänge über Schalter mit einer kontanten Spannung (0V) verbunden werden, pricht man von tatichen Eingängen.

6 Diee Hin- und Herchalten wird im Veruch betätigt. Außerdem werden in den beiden Zutänden die Bai- und Kollektorpannung an T 2 gemeen. TABELLE 5 U CE /V U BE /V D 1 brennt (T 1 leitet) D 2 brennt (T 2 leitet) D 2 Flipflop (dynamicher Eingang) (1-Bit Speicher) In dieer Schaltung zur tatichen Speicherung eine Bit ind die Flipflop- Eingänge über je eine Diode und einen Kondenator mit einem gemeinamen Wechelchalter verbunden, der zwichen 0V und 5V hin- und herchalten kann. Außerdem beitzen die Kondenatoren Anchlüe zu den jeweiligen Kollektoren (. Bild). Aufgrund der Polarität der Eingang- Dioden kann eine Zutandänderung de Flipflop nur durch einen negativen Spannung- Impul an E 1 oder E 2 erreicht werden. * C 1 = C 2 = 47 µf * Vorwidertand R v1 = R v2 = 10 k * * R k1 = R k2 = 3,3 k oder 4,7 k TRANSISTOREN T 1,T 2 : BD130 o. ähnl Die würde den entprechenden Tranitor perren, ofern er leitet. It der Umchalter in 5V Poition, o kann dieer Vorgang genau am leitenden Tranitor (z.b. T 1 ) paieren, wenn auf 0V umgechaltet wird vor dem Umchalten konnte ich der zugehörige Kondenator (im Beipiel C 1 ) nämlich auf 5V aufladen (über S und R V1, der am Kollektor auf Mae liegt), nach dem Umchalten pringt da Potential an E 1 kurzfritig auf -5V und diee Potential perrt augenblicklich T 1. Nach der Funktionweie de Flipflop mu dann T 2 leitend werden. Am urprünglich perrenden Tranitor T 2 pielt ich am Eingang beim Betätigen de Umchalter folgende ab: Kondenator C 2 it nicht aufgeladen, da ich anfang beide Pole auf 5V befinden. Nach dem Umchalten liegt E 2 alo auf 0V. Über R v2 kann die Spannung zunächt etwa anteigen, nach dem Kippen von T 1 wird aber ofort die Bai von T 2 auf poitive Potential gelegt, T 2 chaltet durch und läßt den Kollektor auf nahezu 0V abfallen. Da die Eingangdiode eine Kniepannung aufweit, kann ie die Bai nicht über R v2 auf 0V ziehen, T 2 bleibt alo leitend.

7 Im weiteren Verlauf werden in Schaltertellung 0V C 1 umgekehrt und C 2 überhaupt nicht aufgeladen. Nach erneuter Umchaltung auf jetzt 5V erfährt E 1 einen Potentialprung auf 10V, E 2 dagegen auf 5V. Beide kann aber die Tranitoren wegen der jetzt in Sperrrichtung betriebenen Eingangdioden nicht beeinfluen. Die Kondenatoren laden ich chließlich um: C 1 wird entladen, C 2 in der angegebenen Polarität auf 5V aufgeladen und da zuert bechriebene Spiel wiederholt ich mit vertauchten Indize bei erneuter Betätigung de Umchalter. Im Endeffekt erhält man ein og. "negativ flankengetriggerte Flipflop". E ändert einen Zutand nur bei negativer Signalflanke am gemeinamen Eingang bei S. Man kann e zum Beipiel zur Frequenzhalbierung eine Rechteckignal benützen. Al Augang kann man den Kollektor von T 1 oder T 2 benutzen. Sie bilden "komplementäre" Augänge, da der eine Augang immer den entgegengeetzten Zutand de anderen einnimmt. Weien Sie mit der Schaltung die Funktion eine neg. flankengetriggerten Flipflop nach. Nur beim Umchalten 5V 0V dürfen Zutandänderungen eintreten. Tragen Sie dazu den Leuchttatu (Diode brennt: ) der Leuchtdioden in nachfolgende Tabelle ein. TABELLE 6 Diode brennt:= Schalterbetätigung 0V 5V 0V 5V 0V 5V 0V 5V D 1 D 2 <=>? Auwertung: Vervolltändigen der Tabellen 2 bi 6.

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