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Taktgenerator-Modul

Der Taktgenerator ist eine kleines Modul für das Steckboard.

Dieser einfache Taktgenerator ist mit einen 555-Timer aufgebaut.

Timer-Modul.png
Bild 1: Schaltung des Taktgenerator-Moduls

Die Schaltung des Taktgenerators ist ziemlich einfach. Sie entspricht der Schaltung, die wir im Praktikum Timer 555 betrachtet haben. Die Frequenz kann allerdings durch einstellbare Widerstände und Kondensatoren verändert werden.

Das Potentiometer R1.1 erlaubt es, die Frequenz in einem weiten Bereich zu verändern. Der Widerstand R1.2 verhindert, dass der Widerstand R1 zu klein wird. Die Grundfrequenz wird über die Kondensatoren C1.1 bis C1.6 per Jumper eingestellt. Der Widerstand R2 bestimmt die Zeit t₀, die der Ausgang auf 0 liegt. Diese Zeit hängt auch von den Kondensatoren C1 ab.

Der Taktgenerator ist nicht besonders genau, aber für einfache Messungen und die meisten Schaltungen ausreichend. Er liefert nur Rechteckimpulse, wie wir sie für Digitalschaltungen benötigen.

Der Taktgenerator liefert Impulse, bei denen die 1-Zeit mit dem Potentiometer R1.1 variiert werden kann. Die Frequenz kann von etwa 0,5Hz bis 2MHz eingestellt werden.

C1 fmin fmax t₀
100pF 130kHz 1,4MHz 0.2µs
1nF 13kHz 140kHz 2µs
10nF 1,3kHz 14kHz 20µs
100nF 130Hz 1,4kHz 200µs
1µF 13Hz 140Hz 2ms
10µF 1,3Hz 14Hz 20ms

Tabelle 1: Frequenzbereiche des Taktgenerators

Die Werte in der Tabelle 1 sind Mittelwerte. Aufgrund der Ungenauigkeit der Kondensatoren und des Potentiometers R1.1 kann es zu Abweichungen über ±20% kommen.

Die Frequenz bei 100pF ist meistens geringer als berechnet. Das liegt an den Streukapazitäten des Aufbaus und dass der Timer LMC555 an seine Grenzen kommt. Der Aufbau des Prototypen ergab für C1.1 eine günstige Kapazität von 68pF.

Aufbau

Bauteilliste

Name Wert Beschreibung Preis/€
R1.1 100kΩ Potentiometer ALPS, stehend, mono 0.76
R1.2 3.3kΩ Typ 207 0.08
R2 3.3kΩ Typ 207 0.08
R3 470Ω Typ 207 0.08
C1.1 100pF Keramik 50V 0.05
C1.1' 68pF Keramik 50V 0.05
C1.2 1nF Keramik 50V 0.05
C1.3 10nF Keramik 50V 0.05
C1.4 100nF Keramik 50V 0.05
C1.6 1µF Tantal 35V 0.22
C1.6 10µF Tantal 16V 0.25
C2 220µF Elko 10V 0.22
C3 100nF Keramik 50V 0.05
C4 10µF Tantal 16V 0.25
T1 IRLML6402 P-MOSFET, SMD, SOT23 0.16
IC1 LMC555N Timer, CMOS, DIL8 0.99
C-C 6x2 Stift-Leiste ,2,54mm
U+, U-, U-, Takt 1x1 Stift-Leiste, 2,54mm 0.50
Summe 3.89

Tabelle 3: Bauelemente

Die Preise verstehen sich als Schätzung. Die Kosten für die Platine kommen hinzu. Der Taktgenerator kann für etwa 4 Euro aufgebaut werden. Der Kondensator C1.1' mit 68pF ist für den Aufbau nach Bild 2 am besten. Das Potentiometer R1.1 ist im Prinzip unkritisch. Für das Layout nach Bild 2 wird ein stehendes Potentiometer von ALP benötigt, z.B. Reichelt RK09K113-LIN100K.

Layout

Der Taktgenerator kann leicht auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Am besten wird eine Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten verwendet. Das Layout wurde für eine durchkontaktierte Lochrasterplatine erstellt.

Timer-Modul-brd.png
Bild 2: Layout des Taktgenerators

Der Aufbau auf einer durchkontaktierten Lochraster-Platine ist auch für Anfänger zu bewältigen. Die türkisen Linien im Layout stellen das Lochraster dar. Nur die Lötpunkte, die als Vias (Verbindung zwischen der Ober- und Unterseite) dienen, werden dargestellt. Die Verbindungen auf der Oberseite sind rot oder magenta dargestellt, die auf der Unterseite grün. Rote Verbindungen werden unmittelbar mit blankem Draht erstellt. Die Drahtbrücke ist magenta.

  • Die Verbindungen mit Sicht auf die Unterseite müssen spiegelbildlich betrachtet werden. Sie werden in der 3D-Ansicht in Bild 4 korrekt dargestellt.
Timer-Modul-brd-top-3D.png
Bild 3: Taktgenerators von oben in 3D

Bild 3 zeigt wie die Drahtbrücken auf der Oberseite eingesetzt wird.

Der MOSFET Q1 hat ein SMD-Gehäuse. Er wird auf der Oberseite auf vier Lötpunkte gesetzt. Der einzelne Anschluss liegt zwischen zwei Lötpunkten und wird über einen Draht angeschlossen. Dieses ist in der 3D-Draufsicht gut zu sehen.

SMD-Bauelemente löten

Der IRLML6402 ist ein SMD-Bauteil, das nicht leicht zu löten ist. Wie wir einfache SMD-Bauelemente auf eine Lochrasterplatine aufbauen, ist prinzipiell auf der Bauelemente-Seite für SOT-Gehäuse beschrieben.

Die Lötpunkte werden dünn verzinnt und dann das SMD-Bauelement darauf gelegt, mit einer Pinzette fixiert und ein Anschluss erhitzt.

Der nächste Anschluss wird erst verlötet, wenn das Bauelement gut abgekühlt ist. Dann muss sehr schnell gelötet werden, damit sich der erste Anschluss nicht löst. Danach können die übrigen Anschlüsse ebenso verlötet werden.

Der dritte Anschluss eines IRLM6402 liegt zwischen zwei Lötpunkten. Er wird später mit einem Verbindungsdraht, der die beiden Lötpunkte überbrückt, verbunden.

Neben den ICL555 ist die Drahtbrücke eingesetzt.

Die Stifte werden von unten eingesetzt, von oben verlötet und mit einem daneben liegenden Lötpunkt verbunden (rot). Die Verbindungen sind in der Draufsicht gut zu erkennen.

Die beiden Buchsen werden normal auf der Oberseite eingesetzt. Damit kann der Taktgenerator auch über Drähte mit anderen Geräten oder Steckboards verbunden werden. Es ist nicht unbedingt notwendig, den Taktgenerator auf ein Steckboard zu setzen. Die Stifte dienen dann als Beine.

Die Stiftleiste für die Umschaltung des Frequenzbereichs, der Kondensatoren, wird selbstverständlich auf der Oberseite eingesetzt.

Timer-Modul-brd-bottom-3D.png
Bild 4: Taktgenerators von unten in 3D

Die Leitungsführung auf der Unterseite wird am besten mit 0,3mm Draht hergestellt. Die Lötpunkte werden durch das Liniengitter angedeutet.

Taktgenerator-Modul-Aufbau.png
Bild 5: Prototyp des Taktgenerator-Moduls

Der Prototyp wurde auf einer einseitigen Lochrasterplatine aufgebaut. Deshalb sind die Stifte von oben eingesetzt, der MOSFET auf Unterseite montiert. Eine weitere Drahtbrücke ist deshalb notwendig.

Verwendung des Taktgenerators

Der Taktgenerator ist für Spannungen von 3V bis 6V ausgelegt. Durch den MOSFET Q1 ist er gegen Verpolung geschützt. Der Ausgang des Timers ist nicht hoch belastbar (CMOS).

Von links nach rechts.

Jumper Kapazität Frequenz
1 100pF 140kHz
2 1nF 14kHz
3 10nF 1,4kHz
4 100nF 140Hz
5 1µF 14Hz
6 10µF 1,4Hz

Tabelle 4: Jumper J-C und Frequenz

In Tabelle 4 wird den Jumpern in J-C die Größenordnung einer Frequenz zugeordnet. Mit dem Potentiometer R1 kann die Frequenz im Bereich 1:10 variiert werden.

Bei C=100pF wurden beim Prototypen Frequenzen von 87kHz bis 830kHz gemessen. Die Zeit t₀ beträgt 1µs.

Bei offenem Jumper J-C wurden beim Prototypen 373kHz bis 3.3MHz gemessen. Daraus ergibt sich eine Streukapazität von etwa 35pF. Wird der Kondensator C1.1 durch einen mit 68pF ersetzt, wird die Streukapazität kompensiert. Beim Prototypen wurden damit 140kHz bis 1,3MHz gemessen.

Alternativen