Logiktester mit Transistoren
Logiktester mit Transistoren eignen sich hervorragend zum Selbstbau.
Die Idee zu diesem einfachen und robusten stammt Logiktester von https://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
Einfach Gut Robust
- Die Schaltung des Logiktesters mit 2 Transistoren ist bestechend einfach.
- Logikpegel werden gut detektiert:
- für CMOS zwischen 3V und 12V
- für 3,3V TTL und 5V TTL
- Robust
- Betriebsspannung bis +12V
- Verpolung der Betriebsspannung bis -12V
- Eingangsspannung bis +-12V
- und das für unter 2€
Unser Logiktester (Logic Probe, Logikstift) besteht ebenso wie die Two-Transistor-Logic-Probe aus 2 Transistoren, 2 LED , 3 Widerständen aber einer zusätzlichen Z-Diode. Er hat den Vorteil, die Logikpegel genauer zu erkennen und sehr robust zu sein.
Eigenschaften
- 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).
- High ist unabhängig von der Versorgungsspannung und liegt über 2,2V
- Low hängt von der Versorgungsspannung ab und liegt im Bereich um 0,7V
- Er erkennt keine kurzen Impulse.
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 High noch Low |
| die grüne LED leuchtet | am Logikausgang liegt Low an |
| die rote LED leuchtet | am Logikausgang liegt High an |
| beide LEDs leuchten | am Logikausgang schaltet der Pegel zwischen Low und High um |
Low oder High
Wir verwenden hier die Pegel Low und High.
- Der Pegel Low ist die logische 0
- Low ist unter 0,8V
- Der Pegel High ist die logische 1
- High ist über 2,4V
- Mehr in Logikpegel
Schaltung des Logiktesters
Die Typen der Transistoren sind unkritisch, sie werden mit maximal 20mA und 3V betrieben. Die Anschlussbelegung muss allerdings beachtet werden.
Aufbau
Der Tester lässt sich sehr klein auf einer Lochrasterplatine aufbauen und ist für (Löt-)Anfänger geeignet. Der Aufbau wird weiter unten beschrieben.
Erklärung der Schaltung
Die nachfolgende Erklärung soll Anfängern helfen, Elektronikschaltungen zu verstehen. Es wird empfohlen, die Schaltungen auf einem Steckboard nachzubauen und die Effekte zu untersuchen. Es werden nur übliche Bauelemente benutzt.
Logiktester mit LEDs
Wir gehen von einem einfachen Logiktester aus, wie er in einfacher Logiktester vorgestellt wurde.
Die Schaltung 1 hat einige Nachteile:
- Mit den angegebenen Werten leuchten die LEDs nur bei 5V hell genug.
- Bei 3V müssten 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.
Transistoren als Verstärker
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.
- Die Schaltung 2 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.
Beide Teilschaltungen zusammen ergeben die einfache übersichtliche Schaltung 3.
- 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.
In Schaltung 4 wurden die störenden Widerstände R1 und R2 entfernt und die LEDs unmittelbar an 5V oder GND angeschlossen.
- R1 und R2 begrenzen jetzt den Eingangsstrom.
- Der Strom durch die LEDs wird durch den Widerstand R3 begrenzt.
- 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 
Spannungsbegrenzer
Es gibt noch einen Trick: eine blaue LED oder eine Z-Diode als Spannungsbegrenzer einbauen.
Eine Blaue LED begrenzt auf ziemlich genau 3V. Sie ist zwar schick, leuchtet aber in unserer Anwendung zu hell.
Die Auftrennung der Verbindung zwischen den LEDs bewirkt, dass die LEDs erst über 4V zu glimmen beginnen.
In Schaltung 4 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.
- Die Spannungen an den LEDs fallen geringer aus, wenn nur ein kleiner Strom fließt.
In Schaltung 5 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 4 sind noch zwei Basis-Emitter-Spannungen dazugekommen, 2 * 0,6V. Damit haben wir die über 4V aus der Messung.
Über 4V wird der Strom über die Widerstände R1, R2 und R3 bestimmt. Eigentlich dürfte das Licht den LEDs nicht erkennbar sein, weil der Widerstand R1 ist mit 100kΩ groß ist. Aber
Die Z-Diode wird einfach parallel zur gesamten Schaltung gelegt. Der Widerstand R3 dient als Vorwiderstand. Wird eine der LEDs eingeschaltet, sinkt die Spannung an der Z-Diode unter 3V, weil an der grünen LED etwa 2,0V und an der roten nur 1,8V abfallen. Die Z-Diode stiehlt den LEDs also keinen Strom.
Es kann eine Z-Diode 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.
Die Z-Diode 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 12V betrieben werden. Unter 3V werden die LEDs allerdings zu dunkel. Da der Widerstand R1 auf 100kΩ erhöht wurde, bleibt der Eingangsstrom auch bei Eingangsspannungen von 12V unter 100µA.
Der Widerstand R3 wird bei einer negativen Versorgungsspannung am stärksten belastet. Es sollte deshalb eine Widerstand mit 0,5W Belastbarkeit verwendet werden. Ein Metallschichtwiderstand ist am besten geeignet.
Aufbau des Testers
Lochrasterplatine
Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.
Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.
Der Tester lässt sich sehr klein auf einer Lochrasterplatine aufbauen und ist für (Löt-)Anfänger geeignet.
Die Darstellung des Layout wird ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.
Die gelben Leitungen werden mit isoliertem Draht auf der Oberseite durchgeführt.
Die Transistoren im TO-92-Gehäuse werden flach mit der abgeflachten Seite nach unten eingebaut.
Die Anschlussleitungen werden zur Zugentlastung durch Bohrungen in der Platine geführt. Für die Messspitze kann ein einzelner Stift einer Stiftleiste oder ein harter Draht genommen werden.
Messspitze
Als Messspitze eignet sich ein Tapetennagel aus Stahl.
Stahl lässt sich allerdings nicht gut löten.
- Vor dem Verlöten mit Schmirgel blank putzen.
- Kein Lötfett oder gar Säure verwenden
Die folgenden Bilder zeigen den Aufbau.
Versorgungsspannung
- Die Versorgungsspannung darf höher sein als als die der gemessenen Schaltung.
- Bauteile der gemessenen Schaltung können nicht zerstört werden.
- Am besten wird dennoch die gleiche Stromversorgung verwendet.
Ergebnisse
(Bitte nachmessen)
- High wird erkannt, wenn die Eingangsspannung über 2,2V liegt. Damit kommt man bei allen Logikschaltungen mit CMOS 3V bis 5V und auch TTL zurecht. Bei CMOS über 5V wird allerdings ein zu geringe High-Pegel auch als korrekt angezeigt.
- 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 12V betragen.
- Eine negative Versorgungsspannung von bis zu -12V 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.
Der Logiktester mit Impulserkennung ist eine einfache Erweiterung des hier vorgestellten Logiktesters mit Transistoren. Er kann einzelne und Folgen von Impulsen mit einer Dauer von 100nS erkennen.
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.