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
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
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.
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.
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
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
>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.
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.
>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.
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
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
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.
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.
>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 )
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.
