Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schmitt Trigger Inverter Spielereien


von chris_ (Gast)


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Nachdem ich nun jahrelang Mirocontroller programmiert habe, will ich mal 
ein wenig Elekktronik ohne Programmspeicher entwickeln.

Ein sehr interessantes Bauteil ist der Schmitt-Trigger Inverter. Damit 
lassen sich sehr viele Schaltungen realisieren, die vor allen Dingen 
einen großen Vorteil haben: extrem niedriger Stromverbrauch.

Als erstes habe ich mit einen einfachen Tongenerator angefangen.

http://www.hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=5&t=150

Das Interessante: Man kann mit einer LtSpice-Simulation direkt einen Ton 
berechnen lassen.

Was ich herausgefunden habe: Die im Datenblatt für den CD40106 als 
typisch angegebenen Triggerlevel sind bei meine Bauteilen nicht gegeben. 
Ich habe mal von Hand nachgemssen und die Schwellen in die Simulation 
eingebaut, so dass die simulierte Tonhöhe einigermaßen zu der gemessenen 
passt.

Vt=2.7 Vh=0.4

von NurEinGast (Gast)


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Sehr schön - weitermachen !
Basteln, rumspielen, lernen ist nie verkehrt.

von jep (Gast)


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Beim 74HC14 weichen sogar die einzelnen Triggerlevel der 6 Inverter auf 
dem gleichen Chip relativ stark voneinander ab.

von Stephan (Gast)


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dieses Phänomen wird besonders deutlich und hässlich , wenn die 
Schaltung auf diese Level konzipiert ist.
Ich hatte ein Problem mit einem Bissanzeiger, welcher sein Verhalten 
nach Ersatz eins solchen Bauteils etwas änderte.
Die Lösung:
JEDER Hersteller hat eigene Werte für die Schaltschwellen. Bei mir war 
original ein Philips CD 40xx verbaut und einer vom anderen Herrsteller 
funzte nicht so wie er sollte. Erst der Ersatz durch einen Philips CD 
brachte das gewünschte Ergebnis.

Das Datenblatt vom Hersteller des eingesetzten IC benutzen.
Nicht von einem anderen 40xx

von chris_ (Gast)


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Das ist interessant. Ich habe jetzt 3 CD40106 verwendet. Dort waren die 
Triggerlevel ziemlich ähnlich ( zumindest kommen ähnliche Zeite raus ).
Der verwendete Typ: HEF40106BP von NXP.

von chris_ (Gast)


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Kleine Korrektur zu obigem Text: Es ist der HEF40106 und nicht der 
CD40106

Aus dem Datenblatt:
VT+=3.0V
VT-=2.2V
VH=0.8V

In Spice habe ich folgende Daten aus den Messungen am Bauteil 
eingetragen:

Vt=2.7 Vh=0.4

( Vt ist hier die Mittenspannung und Vh die halbe Hysterese, das kann 
man leicht falsch machen.)

Damit ergibt sich aus den Messungen

VT+=3.1V
VT-=2.3V

Ich schreibe das alles hin, falls ich Fehler mache, es jemand merken 
kann.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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chris_ schrieb:
> Was ich herausgefunden habe: Die im Datenblatt für den CD40106 als
> typisch angegebenen Triggerlevel sind bei meine Bauteilen nicht gegeben.

Kein Wunder. Das sind keine Präzisionsbauelemente. Folgerichtig ist im 
Datenblatt auch nur ein typischer Wert für die Schaltschwellen 
angegeben. Bessere Datenblätter zeigen zusätzlich noch die 
Toleranzbänder. Ich hänge mal einen Screenshot aus dem (Fairchild-) 
Datenblatt des CD4093 an.


XL

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Axel Schwenke schrieb:
> Ich hänge mal einen Screenshot aus dem (Fairchild-)
> Datenblatt des CD4093 an.

Ach guck mal, ich habe ja auch ein Diagramm für den 40106B.
Ebenfalls Fairchild.


XL

von chris_ (Gast)


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>Kein Wunder. Das sind keine Präzisionsbauelemente. Folgerichtig ist im
>Datenblatt auch nur ein typischer Wert für die Schaltschwellen
>angegeben.

Ja, das habe ich auch schon bemerkt. Deshalb habe ich mir mal die NE555 
angeschaut. Obwohl es ein Timer-IC ist, von dem man ein einigermaßen 
exaktes Timing erwarten würde, sind die Schaltschwellen auch extrem 
variabel.

>Bessere Datenblätter zeigen zusätzlich noch die
>Toleranzbänder. Ich hänge mal einen Screenshot aus dem (Fairchild-)
>Datenblatt des CD4093 an.

Toleranzbänder haben die im NXP-Datenblatt gar nicht angegeben.

von ArnoR (Gast)


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chris_ schrieb:
> Ein sehr interessantes Bauteil ist der Schmitt-Trigger Inverter. Damit
> lassen sich sehr viele Schaltungen realisieren, die vor allen Dingen
> einen großen Vorteil haben: extrem niedriger Stromverbrauch.

Das stimmt nicht. Den niedrigen Stromverbrauch gibt es nur, wenn die 
Eingangspegel auch ganz dicht an Gnd oder Vcc sind, nicht aber im 
Übergangsbereich. Und da bei der Anwendung als Relaxationsoszillator der 
Eingangspegel zwischen den Schaltschwellen pendelt, ist die 
Stromaufnahme besonders groß. Selbst die vergleichsweise hochohmige 
HEF-Reihe liegt da schon im mA-Bereich.

von chris_ (Gast)


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>Das stimmt nicht. Den niedrigen Stromverbrauch gibt es nur, wenn die
>Eingangspegel auch ganz dicht an Gnd oder Vcc sind, nicht aber im
>Übergangsbereich.

Aha, das wusste ich auch nicht. Ich habe den Schmitt-Trigger Oszillator 
aus obigem Link mit einer 3x2cm Solarzelle, die maximal 3V bringt in 
Betrieb. Am Oszillator hängt ein Piezo-Lautsprecher. Ich muss die 
Solarzelle gut abdecken, weil die Schaltung sonst bei geringstem 
Lichteinfall den Ton erzeugt ( was ein wenig nervt ). Ich schätze, der 
Strom liegt im uA Bereich. Die Schaltung ist allerdings mit einem 
MM74HC14 aufgebaut.

Ich habe noch einen Sensor On/Off Switch
http://www.hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=5&t=150&p=581#p581

um den Ton umzuschalten.

von chris_ (Gast)


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Hier ein Beispiel für ein Solar-Sound-Modul:
http://www.cla.purdue.edu/vpa/etb/resources/solar_sound_module.pdf

von Axel S. (a-za-z0-9)


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chris_ schrieb:
>>Kein Wunder. Das sind keine Präzisionsbauelemente.

> Ja, das habe ich auch schon bemerkt. Deshalb habe ich mir mal die NE555
> angeschaut. Obwohl es ein Timer-IC ist, von dem man ein einigermaßen
> exaktes Timing erwarten würde, sind die Schaltschwellen auch extrem
> variabel.

In der Praxis ist ein 555 doch deutlich datenhaltiger als ein CMOS- 
Schmitt-Trigger. Die Schaltschwellen liegen ziemlich genau bei 1/3 und 
2/3 der Betriebsspannung. Widerstandsverhältnisse lassen sich in IC auch 
sehr genau einhalten (im Gegensatz zu absoluten Widerstandswerten).
Die Abweichungen dürften eher auf Bias-Ströme und Offsetspannungen der 
Komparatoren zurückzuführen sein.


XL

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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In diesem Zusammenhang auch immer wieder nett:
Beitrag "ST ausgenutzt und bis aufs Blut gequält - Wettbewerb"

von Stephan H. (stephan-)


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Falls es für jemanden interessant ist, kann ich ja mal konkret werden.
Es sind Bissanzeiger zum Angeln von FOX Micron LXR.
Die sind komplett diskret in CMOS Technologie gebaut.

Bei einem Biss des Fisches, welcher mir entgegen kommt wird diese fest 
gestellt und über eine blinkende LED und Sound signalisiert.
Bei einem Biss wo sich der Fisch entfernt, leuchtet die LED ständig.

Diese LED blinkt dann für 10 oder 20 Sekunden im Takt von evtl. 2Hz.
Danach geht sie schlagartig aus.
Nach Austausch des Triggers blinkte sie ebenfalls. Aber nicht mit 2 Hz 
und nach den 10-20 Sekunden wurde sie immer schwächer und langsamer.
Bis sie dann mal aus war.

Da habe ich die Datenblätter verglichen und woila.

Den Trigger habe ich dann durch den Originalen Philips ersetzt
und alles war wie früher.

Die Ingenieure haben wirklich mit den Schwellen gerechnet.
Ich finde das doch eine Art "effizienter" Kopierschutz.
Es funktioniert alles, nur nicht so wie es soll.
Da muss man erst drauf kommen.

Gruß

Stephan

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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chris_ schrieb:
> Solarzelle, die maximal 3V bringt

Bei 3V oder noch weniger liegt die Eingangsspannung immer in der Nähe
von VCC oder GND (der Abstand ist maximal 1,5V). Da stellt sich das
Problem des erhöhten Stromverbrauchs um Übergangsbereich nicht so sehr.
Wie aus den von Arno geposteten Diagrammen zu erkennen ist, steigt der
Stromverbrauch im Übergangsbereich überproportional mit der
Versorgungsspannung an und ist bis 5V noch halbwegs akzeptabel, bei 10V
und erst recht bei 15V aber schon recht heftig.

Wie stark der Stromverbrauch mit der Versorgungsspannung steigt, hängt
vor allem von den Parametern der internen Mosfets ab, insbesondere von
deren Gate-Threshold-Spannung. Liegt diese höher, sinkt zwar der
Stromverbrauch, dafür kann es aber passieren, dass der Baustein bei
niedrigen Versorgungsspannungen überhaupt nicht mehr funktioniert.

Um nicht so sehr von Exemplarstreuungen abhängig bzu sein, wird man bei
einem Serienprodukt wohl eher einen CMOS-555er bzw. 556er einsetzen, der
da deutlich definiertere Verhältnisses bietet, selbst dann, wenn man
Bausteine unterschiedlicher Hersteller verwendet.

von Helge A. (besupreme)


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Ich erinner mich grad an eine "Hawaii-5-0-Sirene", das war glaubich das 
erste, was ich mit einem TTL-Baustein aufgebaut hatte. Da waren 2 
gekoppelte Oszillatoren drin, einer mit Ton, der andere mit ca. 1Hz. 
Läuft mit 2 Schmitt-Triggern.

von chris_ (Gast)


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>In diesem Zusammenhang auch immer wieder nett:
> Beitrag "ST ausgenutzt und bis aufs Blut gequält - Wettbewerb"

Den Thread habe ich auch verfolgt und fand ihn super. Es fängt ganz 
langsam an und wird immer besser. Erstaunlich, wie schierig hohe 
Frequenzen zu handhaben sind und wie es doch geschaft wurde, auf fast 
1GHz zu kommen.

Ich habe mal die Triggerschwellen für den NE555 angehängt. Wenn ich das 
so überschlage, sind die auch nur auf etwa +-20% genau. Erstaunlich für 
einen "präzissions" Timer.

Für meine Anwendungen hat der NE555 Nachteile im Vergleich zum 
Hex-Inverter.

1. ich brauche viele Schmitt Trigger
2. der Preis ist im Vergleich zu den Hex-Invertern hoch
3. hoher Stromverbrauch ( im Vergleich zu den nA bei den Hex-Invertern )

von chris_ (Gast)


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>Ich erinner mich grad an eine "Hawaii-5-0-Sirene",

Meinst Du so einen Ton:
http://fsb.zedge.net/dl/ringtone/08c2960e07b94e4b181f95fe509e4b11/police_siren.mp3?ref=www&type=mc

von chris_ (Gast)


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>Ich erinner mich grad an eine "Hawaii-5-0-Sirene", das war glaubich das
>erste, was ich mit einem TTL-Baustein aufgebaut hatte. Da waren 2
>gekoppelte Oszillatoren drin, einer mit Ton, der andere mit ca. 1Hz.
>Läuft mit 2 Schmitt-Triggern.

Hier mal eine LtSpice-Sirene. Wer Spaß daran hat, kann es laufen lassen. 
Die Simulation erzeugt die Sound-Datei.

Version 4
SHEET 1 3372 960
WIRE 736 -1296 512 -1296
WIRE 1712 -1296 1488 -1296
WIRE 512 -1280 512 -1296
WIRE 1488 -1280 1488 -1296
WIRE 512 -1184 512 -1200
WIRE 640 -1184 512 -1184
WIRE 736 -1184 736 -1296
WIRE 736 -1184 704 -1184
WIRE 832 -1184 736 -1184
WIRE 992 -1184 912 -1184
WIRE 1088 -1184 992 -1184
WIRE 1264 -1184 1168 -1184
WIRE 1488 -1184 1488 -1200
WIRE 1488 -1184 1328 -1184
WIRE 1616 -1184 1488 -1184
WIRE 1712 -1184 1712 -1296
WIRE 1712 -1184 1680 -1184
WIRE 1872 -1184 1712 -1184
WIRE 512 -1168 512 -1184
WIRE 1488 -1168 1488 -1184
WIRE 992 -1152 992 -1184
WIRE 512 -1056 512 -1104
WIRE 992 -1056 992 -1088
WIRE 1488 -1056 1488 -1104
FLAG 1488 -1056 0
FLAG 1872 -1184 out
IOPIN 1872 -1184 Out
FLAG 992 -1056 0
FLAG 512 -1056 0
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SYMATTR Value 10n
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TEXT 520 -816 Left 2 !.tran 0 4 0 10u
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TEXT 1032 -1424 Left 5 ;Siren

von chris_ (Gast)


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Hier noch ein spannungsgesteuerter Pulsgenerator für RC-Servos mit nur 
einem Inverter:
http://www.hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=5&t=150#p582

von chris_ (Gast)


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Axel Schwenke (a-za-z0-9)
>In der Praxis ist ein 555 doch deutlich datenhaltiger als ein CMOS-
>Schmitt-Trigger. Die Schaltschwellen liegen ziemlich genau bei 1/3 und
>2/3 der Betriebsspannung. Widerstandsverhältnisse lassen sich in IC auch
>sehr genau einhalten (im Gegensatz zu absoluten Widerstandswerten).

Im Datenblatt ist der NE555 zwar auch nicht so besonders genau mit 
seinen Schaltschwellen, aber vielleicht haben die Bauteile in der Praxis 
ja eine viel bessere Tolleranz als die Inverter-Schmitt-Trigger.

Beim NE555 vermute ich aber einen wesentliche höheren Leckstrom am 
Triggereingang als beim CMOS-Inverter. Ich habe testweise einen 
RS-Flip-Flop mit Haltekapazität gebaut

http://hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=5&t=150#p581

Dort ist der Leckstrom wohl so gering, dass der Zustand schon mit der 
1nF Kapazität lange stabil gehalten wird.

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