Elektronikkurs am Christoph-Scheiner-Gymnasium

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logikgatterselbst:start

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logikgatterselbst:start [2022/09/04 16:36] – created martinlogikgatterselbst:start [2023/12/07 14:47] (current) – [ODER] martin
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-====== Logikbausteine - selbst gebaut! ======+====== Logikbausteine - selbst gebaut aus Transistoren! ======
 <WRAP center round info 80%> <WRAP center round info 80%>
 Wir wollen in den folgenden Kapiteln langsam lernen, wie grundlegende Bestandteile eines Computers funktionieren. Dabei brauchen wir immer wieder Schaltungen, die grundlegenden logischen Verknüpfungen - NICHT, UND, ODER, XOR - implementieren. Es gibt sie allesamt als kleine Mikrochips zu kaufen, deren Ein- und Ausgänge sich so verhalten, dass sie TTL-Pegel erwarten bzw. liefern, das heißt: Wir wollen in den folgenden Kapiteln langsam lernen, wie grundlegende Bestandteile eines Computers funktionieren. Dabei brauchen wir immer wieder Schaltungen, die grundlegenden logischen Verknüpfungen - NICHT, UND, ODER, XOR - implementieren. Es gibt sie allesamt als kleine Mikrochips zu kaufen, deren Ein- und Ausgänge sich so verhalten, dass sie TTL-Pegel erwarten bzw. liefern, das heißt:
Line 5: Line 5:
    * Die Ausgänge liefern möglichst **0 V im Falle einer 0** und **5 V im Falle einer 1**.    * Die Ausgänge liefern möglichst **0 V im Falle einer 0** und **5 V im Falle einer 1**.
 Zudem wünscht man sich, dass die **Eingänge möglichst hochohmig** sind (d.h. dass möglichst wenig Strom in sie reinfließt oder aus ihnen raus) und dass die **Ausgänge eine möglichst hohe Stromstärke liefern** können (damit das Ausgangssignal wiederum als Eingangssignal möglichst vieler weiterer Logikbausteine verwendet werden kann). \\ \\  Zudem wünscht man sich, dass die **Eingänge möglichst hochohmig** sind (d.h. dass möglichst wenig Strom in sie reinfließt oder aus ihnen raus) und dass die **Ausgänge eine möglichst hohe Stromstärke liefern** können (damit das Ausgangssignal wiederum als Eingangssignal möglichst vieler weiterer Logikbausteine verwendet werden kann). \\ \\ 
-Bevor wir Mikrochips für Logikverknüpfungen benutzen, wollen wir lernen, wie sie intern aufgebaut sind. +Bevor wir Mikrochips für Logikverknüpfungen benutzen, wollen wir an drei Beispielen lernen, wie sie intern aufgebaut sind. 
 </WRAP> </WRAP>
 +Gleich zu Beginn ein sehr gutes Video von Ben Eater zum Thema: 
 + \\  
 +{{ youtube>sTu3LwpF6XI?large }} 
 + \\ 
 ====== NICHT ====== ====== NICHT ======
 {{ :logikgatterselbst:pasted:20220904-182330.png?600 }} {{ :logikgatterselbst:pasted:20220904-182330.png?600 }}
Line 17: Line 20:
   * In Wirklichkeit sind die Logikchips intern noch etwas komplizierter aufgebaut und für möglichst kurze Schaltzeiten und möglichst niedrigen Stromverbrauch optimiert.   * In Wirklichkeit sind die Logikchips intern noch etwas komplizierter aufgebaut und für möglichst kurze Schaltzeiten und möglichst niedrigen Stromverbrauch optimiert.
   * Wollen wir an einen Ausgang eine LED anschließen, so müssen wir uns **selbst um den Vorwiderstand kümmern**. Wir dürfen nicht davon ausgehen, dass er im Logikchip enthalten ist!   * Wollen wir an einen Ausgang eine LED anschließen, so müssen wir uns **selbst um den Vorwiderstand kümmern**. Wir dürfen nicht davon ausgehen, dass er im Logikchip enthalten ist!
-  * Wollen wir einen Eingang mit einem Taster beschalten, so reicht es nicht, den Taster nur an den Eingang und 5 V anzuschließen, denn im Falle des offenen Tasters hat der Eingang einen undefinierten Zustand. Wir benötigen daher zusätzlich einen **Pulldown-Widerstand**, der den Eingang im Falle des offenen Tasters sicher mit Ground verbindet. Dieser Widerstand soll klein genug sein, um den Eingang des Logikgatters sicher auf 0 V zu ziehen, gleichzeitig aber auch möglichst groß, damit im Falle des geschlossenen Tasters nicht zu viel Energie verloren geht (thermische Verlustleistung am Widerstand: $$P = U \cdot I = \frac{U^2}{R}$$) \\ (Möglich ist übrigens auch die umgekehrte Schaltung: Taster mit Ground verbinden und zusätzlich Pullup-Widerstand nach +5 V)+  * Wollen wir einen Eingang mit einem Taster beschalten, so reicht es nicht, den Taster nur an den Eingang und 5 V anzuschließen, denn im Falle des offenen Tasters hat der Eingang einen undefinierten Zustand. Wir benötigen daher zusätzlich einen **Pulldown-Widerstand**, der den Eingang im Falle des offenen Tasters sicher mit Ground verbindet. Dieser Widerstand soll klein genug sein, um den Eingang des Logikgatters sicher auf 0 V zu ziehen, gleichzeitig aber auch möglichst groß, damit im Falle des geschlossenen Tasters nicht zu viel Energie verloren geht (thermische Verlustleistung am Widerstand: $P = U \cdot I = \frac{U^2}{R}$ \\ (Möglich ist übrigens auch die umgekehrte Schaltung: Taster mit Ground verbinden und zusätzlich Pullup-Widerstand nach +5 V)
 </WRAP> </WRAP>
  
Line 23: Line 26:
   * Liegt am Eingang 5 V an, so fließt ein Strom über die B-E-Strecke und damit ein hoher Strom durch die C-E-Strecke, d.h. deren Widerstand ist sehr gering und der Ausgang liegt praktisch an Ground.   * Liegt am Eingang 5 V an, so fließt ein Strom über die B-E-Strecke und damit ein hoher Strom durch die C-E-Strecke, d.h. deren Widerstand ist sehr gering und der Ausgang liegt praktisch an Ground.
   * Liegt am Eingang 0 V an, so sperrt der Transistor, d.h. der Widerstand der C-E-Strecke ist sehr hoch und der Ausgang hängt über den $1\,\mathrm{k\Omega}$-Widerstand an 5 V.   * Liegt am Eingang 0 V an, so sperrt der Transistor, d.h. der Widerstand der C-E-Strecke ist sehr hoch und der Ausgang hängt über den $1\,\mathrm{k\Omega}$-Widerstand an 5 V.
 +
 +===== UND =====
 +{{ :logikgatterselbst:20220904-185110.png?600 }}
 +=== Funktionsweise ===
 +  * Nur wenn bei beiden Transistoren an den Basen 5 V anliegen und somit beide durchschalten, liegen am Ausgang 5 V an.
 +  * Liegen bei mindestens einem Transistor 0 V an der Basis an, so sperrt dieser, d.h. seine C-E-Strecke hat einen sehr großen Widerstand. Damit liegt der Ausgang über den 1k-Widerstand an 0 V.
 +
 +===== ODER =====
 +{{ :logikgatterselbst:20220904-185348.png?600 }}
 +=== Funktionsweise ===
 +  * Sobald an einem der Eingänge 5 V anliegen, schaltet der dahinterliegende Transistor durch und der Ausgang liegt an 5 V.
 +  * Nur wenn an beiden Eingängen 0 V anliegen, sperren beide Transistoren und der Ausgang liegt über den 1k-Widerstand an 0 V.
logikgatterselbst/start.1662309373.txt.gz · Last modified: by martin