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Praktische Elektronik


Ein einfacher brauchbarer Logiktester für Anfänger.


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Einfache Logiktester

Logiktester mit Transistoren

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Logiktester mit Transistoren

Logiktester mit Transistoren eignen sich hervorragend zum Selbstbau.

Die Idee zu diesem einfachen und robusten stammt Logiktester von http://www.instructables.com/id/Two-Transistor-Logic-Probe/

Die oben genannte Schaltung ist allerdings eigenartig und hat Seiteneffekte auf die untersuchte Schaltung.

Die nachstehende Schaltung greift die Idee auf und wird für Anfänger als Beispiel erläutert und entwickelt. Ganz bewusst wurden Irrwege nicht gelöscht, sondern beschrieben, um Anfängern zu zeigen, dass es völlig normal ist, eine Entscheidung im Nachhinein als falsch zu erkennen und sie zu revidieren.

Abschließend wird die Schaltung noch einmal überarbeitet.

Logiktester mit 2 Transistoren

Der Logiktester besteht ebenso aus 2 Transistoren, 2 LED , 3 Widerständen, aber einer zusätzlichen Zenerdiode.

  • Er arbeitet mit Versorgungsspannungen von 3V bis 12V. Eine Verpolung der Versorgungsspannung bis 12V wird auch akzeptiert.
  • Eingangsspannungen von ±12V sind kein Problem.
  • Er hat einen geringen Einfluss auf die untersuchte Schaltung. Der Eingangsstrom ist unter 100µA.
  • Er braucht unter 10mA aus der Stromversorgung bis 5V (unter 20mA bei 12V).
  • Er erkennt keine kurzen Impulse.
  • High ist unabhängig von der Versorgungsspannung und liegt über 2,2V
  • Low hängt von der Versorgungsspannung ab und liegt im Bereich um 0,7V

So wird gemessen

  • Die Masse/0V des Logiktesters mit Masse/0V der zu messenden Schaltung verbinden.
  • U+ des Logiktesters mit der Stromversorgung der zu messenden Schaltung verbinden. Die 5V- oder 3V-Versorgung sind geeignet geeignet.
  • Den Messeingang (die Messspitze) zur Überprüfung an Masse und U+ legen. Die grüne bzw. rote LED müssen leuchten.
  • Den Pegel der Logikausgänge der Schaltung messen.

Die Anzeige auswerten

Anzeige Aussage
keine LED leuchtet 1. der Messeingang ist offen
2. der Pegel des Logikausgangs ist weder 0 noch 1
die grüne LED leuchtet am Logikausgang liegt eine 0 an
die rote LED leuchtet am Logikausgang liegt eine 1 an
beide LEDs leuchten am Logikausgang schaltet der Pegel zwischen 0 und 1 um

Schaltung des Logiktesters

LedTesterTransistoren.png
Bild 1: Die Schaltung des Logiktesters mit 2 Transistoren

Die Typen der Transistoren sind unkritisch, sie werden mit maximal 20mA und 3V betrieben. Die Anschlussbelegung muss allerdings beachtet werden.

LedTesterTransistorenBoard_s.png
Bild 2: Das Board des Logiktesters mit 2 Transistoren

Der Tester lässt sich sehr klein auf einer Lochrasterplatine aufbauen und ist für (Löt-)Anfänger geeignet. Die roten Leitungen werden mit isoliertem Draht durchgeführt. Die Transistoren im TO92-Gehäuse werden flach mit der abgeflachten Seite nach unten eingebaut.

Erklärung der Schaltung

Die nachfolgende Erklärung soll Anfängern helfen, Elektronikschaltungen zu verstehen. Es wird empfohlen, die Schaltungen auf einem Steckbrett nachzubauen und die Effekte zu untersuchen. Es werden nur übliche Bauelemente benutzt.

Wir gehen von einem einfachen Logiktester aus, wie er in einfacher Logiktester vorgestellt wurde.

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Bild 3: Schaltung 3

Die Schaltung hat einen Nachteile:

  • Mit den angegebenen Werten leuchten die LEDs nur bei 5V hell genug. Bei 3V müssen R1 und R2 220Ω sein. R2 liegt außerdem parallel zu LED1 und reduziert deren Strom aus R1. Ebenso liegt R1 parallel zu LED2.
  • Der Strom für die LEDs wird aus der gemessenen Logikschaltung entnommen, was diese natürlich stören kann.

Man kann den Strom aus der gemessenen Logikschaltung reduzieren, wenn man den Strom mit Transistoren verstärkt. Natürlich gibt es Schaltungen mit ICs wie den Logiktester mit 4049 mit dem gleichen Effekt.

LedTesterTransistoren_1.png
Bild 4: Schaltung 4

Diese Schaltung reduziert den Strom aus der gemessenen Logikschaltung um etwa den Faktor 100.

Für Q1 kann jeder NPN-Transistor und für Q2 jeder PNP-Typ verwendet werden.

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Bild 5: Schaltung 5

Beide Teilschaltungen zusammen ergeben eine einfache übersichtliche Schaltung. Der Eingangsstrom ist tatsächlich sehr gering, aber bei 3V leuchtet die grüne LED kaum noch. Auch R1 und R2 auf 220Ω zu reduzieren, bringt kaum etwas. Die Ursache ist die Basis-Emitter-Spannung von Q1 und Q2.

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Bild 6: Schaltung 6

Die störenden Widerstände R1 und R2 wurden entfernt und die LEDs unmittelbar an 5V oder GND angeschlossen. R1 und R2 begrenzen jetzt den Eingangsstrom. Im Prinzip begrenzen sie auch den Strom durch die LEDs, aber der ist von der sehr stark schwankenden Stromverstärkung der Transistoren abhängig. Den Strom durch die LEDs wird besser durch einen Widerstand begrenzt: R3. Die LEDs zeigen den Pegel auch bei 3V an. Schön einfach, aber mit einem Schönheitsfehler: bei 5V und offenem Eingang leuchten beide LEDs. Bei 3V ist das nicht der Fall. Die Lösung ist einfach: Die Schaltung wird nur bei 3V betrieben. Es gibt noch einen Trick: eine blaue LED oder eine Zenerdiode als Spannungsbegrenzer einbauen. Eine Blaue LED begrenzt auf ziemlich genau 3V. Sie ist zwar schick, leuchtet aber in unserer Anwendung zu hell.

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Bild 7: Schaltung 7

Die Auftrennung der Verbindung zwischen den LEDs bewirkt, dass die LEDs erst über 4V zu glimmen beginnen.

In Schaltung 6 fließt der Strom von +5V über den Widerstand R3, LED2 und LED1 nach Masse. An der grünen LED2 fallen etwa 1,8V ab, an der roten 1,2V. Damit haben wir die 3V.

In Schaltung 7 ist es komplizierter. Der Strom fließt von +5V über R3, LED2, Emitter Q2 zur Basis, R2, R1, Basis-Emitter Q1 und dann LED1 an Masse. Wenn wir zur Abschätzung die Spannungen an R1, R2 und R3 vernachlässigen, haben wir diejenigen über LED2, BE von Q2, BE von Q1 und LED1. Verglichen mit Schaltung 6 sind noch zwei Basis-Emitter-Spannungen dazugekommen, 2 * 0,6V. Damit haben wir die über 4V aus der Messung.

Eigentlich dürften das Licht der LEDs nicht erkennbar sein. Der Widerstand R1 ist schließlich 100kΩ groß. Aber

1.
sind unsere Augen sehr empfindlich, eine LED mit 100kΩ glimmt doch ein wenig und
2.
das ist der wesentliche Faktor, verstärken die Transistoren den Strom durch die Basis. Dadurch fließt beispielsweise ein zusätzlicher Strom von Kollektor Q1 zum Emitter und durch LED1. Dieses kann man leicht überprüfen, indem man den Kollektor von Q1 nicht anschließt.

Die Zenerdiode wird einfach parallel zur gesamten Schaltung gelegt. Der Widerstand R3 dient als Vorwiderstand. Wird eine der LEDs eingeschaltet, sinkt die Spannung an der Zenerdiode unter 3V, weil an der grünen LED etwa 2,2V und an der roten nur 1,8V abfallen. Die Zenerdiode stiehlt den LEDs also keinen Strom.

Es kann eine Zenerdiode mit 3,3V genommen werden. Deren Spannung ist nicht sehr genau, aber selbst bei hohen Strömen wie sie bei 12V Versorgungsspannung auftreten, ist die Spannung unter 4V.

Was denn jetzt? Oben sollten an der grünen LED 1,8V abfallen und jetzt 2,2V? Nun, die Spannung ist vom Strom abhängig. Ein Versuch: In Schaltung 1, Einfacher Logiktester, die grüne LED an Masse anschließen und die Spannung an der LED messen. Dann den Widerstand R1 von 1kΩ durch einen mit 100kΩ ersetzen und erneut messen.

Die Zenerdiode hat noch einen positiven Effekt: Sie schließt die Schaltung kurz, wenn die Polarität der Eingangsspannung vertauscht wurde. Mit den angegeben Werten kann der Logiktester mit Versorgungsspannungen von 3V bis 5V betrieben werden. Unter 3V werden die LEDs allerdings zu dunkel. Der Widerstand R1 konnte übrigens noch auf 100kΩ erhöht werden. Damit bleibt der Eingangsstrom auch bei Eingangsspannungen von 12V unter 100µA.

Ergebnisse, Fazit

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Bild 8: Lötseite des LogikTesters
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Bild 9: Bauteilseite des LogikTesters
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Bild 10: Fertiger LogikTester im transparenten Schrumpfschlauch

Die Ergebnisse (Bitte nachmessen)

  • High wird erkannt, wenn die Eingangsspannung über 2,2V liegt. Damit kommt man bei allen Logikschaltungen mit CMOS 3V bis 12V und auch TTL zurecht.
  • Low hängt von der Versorgungsspannung ab. Bei 3V muss Low unter 0,5V liegen, bei 3,3V unter 0,7V. Das entspricht den Pegeln bei CMOS und TTL.
  • Die Schaltung besticht durch ihre Symmetrie und Einfachheit. Aus diesem Grunde wurde sie hier vorgestellt.
  • Der Logiktester mit Transistoren ist robust:
  • Die Versorgungsspannung kann bis zu 10V betragen.
  • Eine negative Versorgungsspannung von bis zu 10V führt zu keiner Zerstörung.
  • Die Eingangsspannung kann ± 12V betragen.

Logiktester mit Impulserkennung

Der oben vorgestellte Logiktester mit Transistoren ist für statische Digitalschaltungen oder solche mit langsamen Änderungen gut geeignet.

Digitale Schaltungen sind in den seltensten Fällen rein statisch, sondern laufen mit hohen Taktfrequenzen. Ein Logiktester, wie oben vorgestellt, kommt damit schnell an seine Grenzen. Oft wird ein Logikanalysator benötigt. Vielfach kann man allerdings mit einem Logiktester, der auf dynamische Ereignisse reagiert, gute Ergebnisse erzielen. Die LogicProbe mit PIC ist ein kleines und dennoch hilfreiches Werkzeug. Sie unterstützt nicht nur die Erkennung von Einzelimpulsen unter 10ns und über 20MHz, sondern erlaubt auch die Prüfung der Pegelbereiche von Logikausgängen.