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Mikrocontrollerpraxis

Grundlagen der Elektronik

Aufbauend auf den Grundlagen der Elektrotechnik wollen wir uns nun einige wichtige Grundlagen aus der Elektronik klarmachen. Grob kann man die Elektronik in zwei Bereiche aufteilen: die Analog- und die Digitaltechnik.

In der Analogtechnik geht es darum kontinuierliche Signale zu verarbeiten. Zum Beispiel müssen häufig schwache Signal vor einer Weiterverarbeitung verstärkt werden. Oder es sollen mit Filtern unerwünschte Signalbestandteile beseitigt werden (z.B. Rauschen). In der Regelungstechnik wendet man auf Signale mathematische Operationen wie Integration oder Differentiation an, um das Systemverhalten geziehlt zu beeinflussen. Oder für die Rundfunktechnik werden Schwingschaltungen (Oszillatoren) benötigt, deren Signale möglicht eine ideale Sinusform haben.

In der Digitaltechnik sind die Signale diskontinuierlich. Das heißt es gibt nur bestimmte Zustände, in binären Systemen nur zwei nämlich LOW und HIGH. Diesen Zuständen ordent man zwei Spannungswerte zu (z.B. 0V/5V oder 0V/3,3V).

Mit den folgenden Experimenten wollen wir einige Grundschaltungen der Digitaltechnik erproben.

Die moderne Elektronik basiert auf dem Halbleitermaterial Silizium. Durch Anreicherung (Dotierung) mit geeigneten chemischen Elementen kann man Bereiche erzeugen, in denen positive oder negative Ladungsträger überwiegen. Wenn ein Bauteil Bereiche von beidem Leitfähigkeitstyp enthält spricht man von einem bipolaren Halbleiter.

Bei einer Diode handelt es sich um das einfachste Halbleiterbauelement, welches aus zwei unterschiedlich dotierten Bereichen besteht. Der Bereich in dem die positiven Ladungsträger überwiegen wird als Anode (A) bezeichnet. Der Bereich mit den negativen Ladungsträgern ist die Katode (K). Leuchtdioden sind spezielle Dioden, bei denen statt Silizium andere Halbleiter zum Einsatz kommen, um den physikalischen Effekt der Lichtemission zu erreichen (LED = Light Emitting Diode).

In unserem ersten Experiment wollen wir die rote Leuchtdiode in Reihenschaltung mit einem 470Ω Widerstand und dem 10kΩ Potentiometer betreiben (Bild 1). Die Anode erkennt man an dem etwas längeren Beinchen. Wechselseitig messen wir bei fünf verschiedenen Poti-Stellungen Strom sowie Spannung und notieren die Werte in einer Tabelle (Bild 2). Mit dieser Tabelle kann dann eine U/I-Kennlinie der Diode gezeichnet werden (Bild 3).

Wie unschwer an der Kennlinie zu erkennen, handelt es sich bei einer Diode um einen nichtlinearen Widerstand. Deshalb ist bei Benutzung einer LED immer ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung nötig.

Realisiert man dicht nebeneinander nicht zwei dotierte Bereiche wie bei einer Diode sondern drei, so erhält man ein Bauteil mit drei Anschlüssen, welches als bipolarer Transistor bezeichnet wird. Je nachdem, ob in den zwei äußeren Bereiche positive oder negative Ladungsträger überwiegen, spricht man von einem PNP- oder NPN-Typ. Der mittlere Anschluß trägt die Bezeichnung Basis (B). Die beiden äußeren Anschlüsse heißen Kollektor (C) und Emitter (E).

Kommen wir nun zu einigen elementaren Grundschaltungen der Digitaltechnik. Solange noch keine internen Speicherelemente zum Einsatz kommen, nennt man diese Technik kombinatorische Logik. Die Funktion der Schaltung wird beschrieben durch die möglichen Zustandskombinationen der Eingangssignale und die daraus resultierenden Zustände der Ausgangssignale. Zur Darstellung kann eine sogenannte Wahrheitstabelle genutzt werden. Diese Tabelle enthält für jedes Eingangs- und Ausgangssignal je eine Spalte.

Negator
Bild 4: Negator-Schaltung mit Wahrheitstabelle

Die einfachste Schaltung besteht aus genau einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal. Der sogenannte Inverter oder Negator erzeugt am Ausgang den entgegengesetzten logischen Pegel, welcher am Eingang anliegt. Die Schaltung benutzt einen NPN-Transistor. In Bild 4 rechts unten ist auch die Belegung der drei Anschlüsse dargestellt, wenn man von oben auf den Transitor schaut, z.B. wenn er auf das Steckbrett gesteckt ist.

Im Ausgangszustand fließt kein Strom in die Basis des Transistors (Zustand LOW am Eingang). Dadurch ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors gesperrt und es kann ein Strom über den Kollektor-Widerstand durch die Leuchtdiode fließen, welche den HIGH-Zustand am Ausgang durch Leuchten anzeigt. Wird am Eingang ein HIGH-Pegel (hier 9V der Batterie) angelegt oder wird der Taster geschlossen, so fließt ein Strom über den Basiswiderstand in die Basis des Transistors. Dieser steuert durch, wodurch auch der Stromfluß vom Kollektor zum Emitter freigegeben wird. Die LED wird kurzgeschlossen. Am Ausgang stellt sich eine Spannung von etwa 0V (LOW) ein.

Außer einem Negator benötigt man entweder noch ein sogenanntes ODER-Glied (engl. OR) oder ein UND-Glied (engl. AND). Dabei handelt es sich um Funktionen mit mindestens zwei Eingangssignalen und jeweils einem Ausgangssignal (siehe Bild 5 und Bild 6).

Auch wenn sich aus diesen Grundschaltungen schon nahezu beliebig viele verschiedene Verknüpfungssteuerungen realisieren lassen, so ist es erst eine Speicherschaltung, welche auf die nächste Komplexitätsstufe führt. Digitale Schaltungen, die Speicher enthalten werden als sequentielle Schaltungen bezeichnet. Der Zustand Ihrer Ausgangssignale ist nun nicht mehr nur abhängig vom Zustand der Eingangssignale sondern auch vom internen Speicherzustand. Für einen 1-Bit-Speicher benötigen wir gerade mal zwei Negatoren, welche gegeneinander rückgekoppelt sind. Andere Bezeichnungen für den Speicher sind auch bistabile Kippschaltung oder Flip-Flop.

Speicherschaltung
Bild 7: Speicherschaltung

Bei der Schaltung in Bild 7 erkennen wir sofort unsere zwei Negatoren. Es sind zwei Ausgänge herausgeführt welche mit Q und Q bezeichnet sind. Die Überstreichung kennzeichnet in der binären Logik eine Negation.

Die zwei Taster sind hier mit dem negativen Anschluss der Versorgung verbunden. Den negativen Anschluss bezeichnet man auch häufig mit Masse. Bei Betätigung eines Tasters wird der Basisstrom des Transisitors, an dessen Basiswiderstand der Taster angeschlossen ist, unterbrochen. Der Transitor sperrt und gibt damit über seinen Kollektorwiderstand den Basisstrom für den anderen Transistor frei, welcher jetzt leitend wird.

RS-Trigger
Bild 8: RS-Trigger

Ersetzt man jetzt die zwei Taster durch zwei weitere Transistoren, kann man die Basisanschlüsse dieser herausführen und erhält die Schaltung eines sogenannten RS-Flip-Flops (Bild 8). Die Eingangsbezeichnungen R und S stehen dabei für Reset und Set.

Als letzte Schaltung im Rahmen dieser kleinen Digitaltechnik-Einführung wollen wir uns eine Oszillator-Schaltung anschauen. Es handelt sich hierbei um eine Schaltung ohne Eingangssignale. Der Ausgangspegel alterniert mit einer festgelegten Zeitverzögerung. Praktische Anwendungen sind z.B. das Blinkrelais im Auto oder der Warnblinker am Bahnübergang.

Blinkschaltung
Bild 9: Blinkschaltung

Wir erkennen wieder unsere zwei Negatoren (Bild 9). Diesmal erfolgt die gegenseitige Rückkopplung vom Kollektor des einen Transistors zur Basis des anderen allerdings nicht über die Basiswiderstände sondern über zwei Kondensatoren. Es handelt sich hierbei um Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos). Bei diesen muß man auf die Polarität achten. Der Minuspol liegt jeweils an der Transistor-Basis.

Verbindet man einen ungeladenen Kondensator über einen Vorwiderstand mit einer Spannungsquelle, so wird dieser aufgeladen. Während der Aufladung fließt ein Strom. Die Zeit, die benötigt wird um den Kondensator aufzuladen hängt von dessen Größe (seiner Kapazität) und von der Größe des Vorwiderstandes ab. Je Größer der Vorwiderstand und je größer die Kondensator-Kapazität umso länger dauert es, bis der Kondensator aufgeladen ist. Das selbe gilt natürlich für einen Entladevorgang. Das heißt, wenn eine Reihenschaltung aus einem geladenen Kondensator und einem Widerstand kurzgeschlossen werden, entläd sich der Kondensator.

Bei unserer Blinkschaltung wird jeweils ein Kondensator über einen Kollektor-Widerstand aufgeladen. Der Strom fließt in die Basis des Transistors, an welche der Kondensator angeschlossen ist. Der Transistor wir dabei durchgesteuert, d.h. die LED an seinem Kollektor wird kurzgeschlossen und leuchtet nicht. Der andere Kondensator, welcher am Kollektor des durchgesteuerten Transitors angeschlossen ist, wird während dieser Zeit über den mit ihm verbundenen Basiswiderstand entladen. Wenn der erste Kondensator voll ist, fließt kein weitere Basisstrom mehr in den entsprechenden Transistor und dieser sperrt die Verbindung zwischen seinem Kollektor und Emitter. Jetzt ist der Weg frei für die Aufladung des anderen Kondensators und damit für die Durchsteuerung des anderen Transistors.

Wir sehen also, dass die Aufladezeit vom Kollektorwiderstand und von der Kondensator-Kapazität abhängt, während die Entladezeit vom Basiswiderstand und der Kondensator-Kapazität abhängt. Die Kollektorwiderstände dienen auch als Vorwiderstände für die Leuchtdioden und beinflussen damit Diodenstrom und -helligkeit. Für die Veränderung der Blinkzeiten empfiehlt es sich daher entweder die Kondensator-Kapazitäten oder die Basiswiderstände zu modifizieren. Z.B. könnte man mal einen der 10k Widerstände durch einen 100k Widerstand ersetzen.

Wer an dieser Stelle sich noch weiter in die Theorie einarbeiten möchte oder nach weiteren Experimentier-Ideen sucht, dem möchte ich die folgenden zwei Internet-Seiten empfehlen.

Daneben ist auch das Lernpaket Elektronik von Burkhard Kainka für 29,95€ sehr empfehlenswert. Zur Zeit gibt es eine etwas ältere Ausgabe bei Pearl etwas günstiger. Ein etwas kleineres und dafür preiswerteres Lernpaket bekommt man auch bei Conrad.

© Heiko Böhmer, Stand: 18.08.15