Logiktester mit Transistoren

Der Logiktester mit Transistoren eignet sich hervorragend zum Selbstbau.

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

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

Die folgende Schaltung greift die Idee auf und wird als Beispiel für Einsteiger erklärt und entwickelt. Dabei wurden ganz bewusst Irrwege nicht gelöscht, sondern beschrieben, um Einsteigern 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 erkannt:

• 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 LEDs, 3 Widerständen, aber einer zusätzlichen Z-Diode. Er hat den Vorteil, dass er die Logikpegel genauer zu erkennt und sehr robust ist.

Eigenschaften

• Der Logiktester arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 3V bis 12V. Eine Verpolung der Versorgungsspannung bis 12V wird ebenfalls akzeptiert.

• Eingangsspannungen von ±12V sind auch unproblematisch.

• Sein Einfluss auf die untersuchte Schaltung ist gering. Der Eingangsstrom liegt unter 100µA.

• Er benötigt weniger als 10mA von der Stromversorgung bis 5V (unter 20mA bei 12V).

• HIGH ist unabhängig von der Versorgungsspannung und liegt über 2,2V

• LOW ist abhängig von der Versorgungsspannung ab und liegt im Bereich um 0,7V

• Kurze Impulse werden nicht erkannt.

So wird gemessen

• Masse/0V des Logiktesters wird mit Masse/0V der zu messenden Schaltung verbunden.

• U+ des Logiktesters wird mit der Stromversorgung der zu messenden Schaltung verbunden. Eine 5V- oder 3V-Versorgung ist geeignet.

• Den Messeingang (die Messspitze) an Masse und U+ legen, um zu prüfen, ob die Stromversorgung richtig angeschlossen ist. Die grüne bzw. rote LED muss 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	der Logikausgang ist LOW
die rote LED leuchtet	der Logikausgang ist HIGH
beide LEDs leuchten	der Pegel am Logikausgang wechselt zwischen LOW und HIGH

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 jedoch beachtet werden.

Aufbau

Der Tester kann sehr klein auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden und ist für (Löt-)Einsteiger geeignet. Der Aufbau wird weiter unten beschrieben.

Erklärung der Schaltung

Die folgende Erklärung soll Einsteigern helfen, Elektronikschaltungen zu verstehen. Es wird empfohlen, die Schaltungen auf einem Steckboard nachzubauen und die Effekte zu untersuchen. Es werden nur handelsübliche Bauelemente verwendet.

Logiktester mit LEDs

Wir gehen von einem einfachen Logiktester aus, wie er unter Einfacher Logiktester vorgestellt wurde.

Die Schaltung 1 hat einige Nachteile:

• Mit den angegebenen Werten leuchten die LEDs nur bei einer Versorgungsspannung von 5V hell genug.

• Bei 3V müssten R₁ und R₂ 220Ω sein.

• Außerdem liegt R₂ 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

Wir können den Strom aus der zu messenden Logikschaltung reduzieren, indem wir den Strom mit Transistoren verstärken. Natürlich gibt es auch Schaltungen mit ICs wie den Logiktester mit 4049, die den gleichen Effekt haben.

• Die Schaltung 2 reduziert den Strom aus der gemessenen Logikschaltung um etwa den Faktor 100.

Für Q1 können beliebige NPN-Transistoren und für Q2 beliebige PNP-Typen verwendet werden.

Beide Teilschaltungen zusammen ergeben die einfache und übersichtliche Schaltung 3.

• Der Eingangsstrom ist tatsächlich sehr gering,

• aber bei einer Versorgungsspannung von 3V leuchtet die grüne LED kaum noch.

• Auch eine Reduzierung von R₁ und R₂ auf 220Ω, bringt kaum etwas.

• Das liegt an der Basis-Emitter-Spannung von Q1 und Q2.

Der Transistor Q1 schließt LED2 kurz und LED1 ein. Q2 schließt LED1 kurz und LED2 ein.

In Schaltung 4 wurden die störenden Widerstände R₁ und R₂ aus Schaltung 3 entfernt und durch R₃ ersetzt.

• Die Widerstände R₁ und R₂ in Schaltung 4 begrenzen nun den Eingangsstrom.

• Der Strom durch die LEDs wird durch den Widerstand R₃ begrenzt.

• Die LEDs zeigen den Pegel auch bei 3V an.

Der Transistor Q1 schließt LED2 kurz, sodass LED1 leuchtet. Q2 schließt LED1 kurz, sodass LED2 leuchtet.

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 Z-Diode als Spannungsbegrenzer einbauen.

Das Auftrennen der Verbindung zwischen den LEDs bewirkt, dass die LEDs erst ab 4V zu leuchten 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 Flussspannung an den LEDs ist niedriger, wenn ein kleiner Strom fließt.

In Schaltung 5 ist es etwas komplizierter. Der Strom fließt von +5V über R₃, LED2, Emitter Q2 zur Basis, R₂, R₁, Basis-Emitter Q1 und dann LED1 nach Masse. Wenn wir für die Abschätzung die Spannungen an R₁, R₂ und R₃ vernachlässigen, haben wir die Spannungen über LED2, B-E von Q2, B-E von Q1 und LED1. Im Vergleich zu Schaltung 4 kommen noch zwei Basis-Emitter-Spannungen hinzu, 2 * 0,6V. Damit haben wir die über 4V aus der Messung.

Oberhalb von 4V wird der Strom durch die Widerstände R₁, R₂ und R₃ bestimmt. Eigentlich sollte das Licht der LEDs nicht erkennbar sein, weil der Widerstand R₁ mit 100kΩ groß ist. Aber

Die Z-Diode wird einfach parallel zur gesamten Schaltung gelegt. Der Widerstand R₃ dient als Vorwiderstand. Wenn eine der LEDs eingeschaltet wird, sinkt die Spannung an der Z-Diode unter 3V, da an der grünen LED etwa 2,0V und an der roten LED nur 1,8V abfallen. Die Z-Diode stiehlt den LEDs also keinen Strom.

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

Die Z-Diode hat noch einen weiteren positiven Effekt: Sie schließt die Schaltung kurz, wenn die Polarität der Eingangsspannung vertauscht wurde. Mit den angegebenen Werten kann der Logiktester mit Versorgungsspannungen von 3V bis 12V betrieben werden. Unter 3V werden die LEDs jedoch 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 negativer Versorgungsspannung am stärksten belastet. Daher sollte ein Widerstand mit einer Belastbarkeit von 0,5W 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.

Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

Der Tester kann sehr klein auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden und ist für (Löt-)Einsteiger geeignet.

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. Als Prüfspitze eignet sich ein Pin einer Stiftleiste oder ein Tapetennagel. Ein transparenter Schrumpfschlauch ist ein gutes Gehäuse.

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 sollte höher sein als als die der zu messenden Schaltung.

• Bauteile der zu messenden Schaltung können nicht zerstört werden.

• Es ist jedoch am besten, wenn die gleiche Stromversorgung verwendet wird.

Ergebnisse

• HIGH wird erkannt, wenn die Eingangsspannung größer als 2,2V ist. Dieses ist bei allen logischen Schaltungen mit CMOS von 3V bis 5V und auch bei TTL der Fall. Bei CMOS über 5V wird allerdings auch ein zu niedriger HIGH-Pegel 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. Deshalb wird 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 eignet sich gut für statische sich langsam ändernde Digitalschaltungen.

Digitale Schaltungen sind selten rein statisch, sondern arbeiten mit hohen Taktfrequenzen. Ein Logiktester, wie er oben vorgestellt wurde, stößt hier schnell an seine Grenzen. Manchmal wird ein Logikanalysator erforderlich. Aber auch mit einem Logiktester, der auf dynamische Ereignisse reagiert, lassen sich in vielen Fällen gute Ergebnisse erzielen.

Der Logiktester mit Impulserkennung ist eine einfache Erweiterung des hier vorgestellten Logiktesters mit Transistoren. Er kann einzelne Impulse und Impulsfolgen mit einer Dauer von 100ns erkennen.

Die LogicProbe mit PIC ist ein kleines, aber nützliches Werkzeug. Sie unterstützt nicht nur die Erkennung von Einzelimpulsen unter 10ns und über 20MHz, sondern erlaubt auch die Überprüfung der Pegelbereiche von Logikausgängen.