Logikschaltungen

Für unseren Informatikunterricht habe ich ein paar Logikschaltungen gebaut, um die „Theorie“ der Digitaltechnik auch mal in der Praxis sehen zu können.

Herausgekommen dabei sind 2 Module, aus denen sich durch Jumper ein NOT-Gatter (Invertierer) und ein Flipflop bauen lässt, sowie ein jeweils eigenständiges AND- bzw. OR-Gatter.

Als NPN-Transistoren habe ich den Typ BC 337 verwendet, da ich von einem alten Fehlkauf noch einige übrig hatte.

Stromversorgung

Für die Stromversorgung habe ich zunächst eine kleine Platine gebaut, die mittels Brückengleichrichter und 7805-Linearregler die Schaltung mit stabilen 5V beliefert. Eine kleine Power-LED ist auch noch dabei.

Schaltplan Stromversorgung
Schaltplan der Stromversorgung
Platine der Stromversorgung
Platine der Stromversorgung

Im Betrieb wird die Stromversorgungsplatine einfach an ca. 7-12V (z.B. 9V-Blockbatterie) angeschlossen, und die einzelnen Module bekommen ihre 5V Betriebsspannung:

overview

 

AND-Gatter

Das AND-Gatter besitzt zwei Taster, die die Basis des Transistors über ein 4,7kΩ Widerstand auf 5V ziehen:

Schaltplan AND-Gate
Schaltplan AND-Gate

Die 10kΩ-Widerstände R2 und R3 sind „Pull-Down“-Widerstände, um bei einem nicht gedrücktem Taster für einen sicheren 0 V-Pegel an der Basis zu sorgen.

Die logische 1 wird, wie bei allen anderen Modulen, über eine grüne LED angezeigt.

 

 

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OR-Gatter

Das OR-Gatter ist dem AND-Gatter bis auf die Parallelschaltung der Transistoren recht ähnlich aufgebaut:

Schaltplan OR-Gate
Schaltplan OR-Gate

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Modul

Um ein NOT-Gatter und ein Flip-Flop zu demonstrieren, habe ich 2 „Module“ gebaut, die jeweils einen Taster enthalten, der die Basis auf GND schaltet. Eine LED zeigt den aktuellen Schaltzustand des Transistors an. Weiterhin ist ein Anschluss für externe Schaltsignale vorhanden (Basis über ein 4,7kΩ Widerstand), sowie eine direkte Herausführung des Kollektors.

Schaltplan eines Moduls
Schaltplan eines Moduls

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Im Standardzustand ist der Transistor nun aufgrund des PullUp-Widerstandes durchgeschaltet, bei Druck auf den Taster öffnet er, da der Basis-Emitter-Strom 0 wird.

NOT-Gatter

Verbindet man nun den Kollektor eines Moduls mit dem Basiseingang des nächsten Moduls, entsteht ein NOT-Gatter.

not-gate

Das heißt, dass das Signal invertiert wird. Ist am Eingang (1. LED) eine 1, kommt am Ende (letzte LED) eine 0 heraus, und umgekehrt.

Aufgrund des Pull-Up-Widerstandes liegt am Eingang (links) trotz des losgelassenem Tasters eine logische 1 an.
Aufgrund des Pull-Up-Widerstandes liegt am Eingang (links) eine logische 1 an, auch wenn der Taster nicht gedrückt ist.

Flip-Flop

Verbindet man den Kollektorausgang des 2. Moduls zusätzlich mit dem Basiseingang des 1. Moduls, entsteht durch Rückkopplung der Signale ein Flip-Flop. Dies ist ein 1-Bit-Speicher, der durch einen Tastendruck eines Tasters den Status 1 „speichert“, und durch den Druck des anderen Tasters wieder löscht. Das Flip-Flop „kippt“ quasi zwischen beiden Zuständen hin und her, daher nennt man es auch bistabile Kippstufe.

flip-flop

Eine LED zeigt den Zustand Q des Flip-Flops an, die andere LED den invertierten Zustand Q.

Zu Beginn hat das Flipflop keinen definierten Zustand, daher leuchten beide LED’s etwa halb hell.

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Zustand zu Beginn

Nun gehe ich davon aus, das die rechte LED Q und die Linke Q ist.

Setzen des Bits
Setzen des Bits
Löschen des Bits
Löschen des Bits

Eigentlich sollte die andere LED gar nicht leuchten, aber aufgrund des Basisstroms, der durch sie fließt, glimmt sie etwas.

Ich finde es ganz interessant, nicht nur mit hochintegrierten IC’s, Mikrocontrollern und Software zu arbeiten, sondern auch mal die dahinter stehende Logik „manuell“ zu verwenden.

Vielleicht habe ich ja den ein oder anderen auf den Geschmack gebracht, dies auch mal zu versuchen.

Weitere Infos zu diesem Thema gibt es beispielsweise bei:

Wikipedia (Flipflop)

Wikipedia (Logikschaltungen)

rn-wissen.de (Flipflop)

Elektronik-Kompendium (Digitaltechnik allgemein)