Integrierte Schaltungen

[Pommel]

Hay Leute,
ich beschäftige mich zur Zeit mit integrierten Schaltungen und hab mir jetzt mal diverse ICs bestellt.
Ich möchte erstmal ganz simple logische Schaltungen bauen und habe dafür einen CMOS-IC 4081 mit 4 Und Gattern a 2 Eingänge. Von der Theorie her komme ich ja auf das Thema digitale Schaltungen klar, aber das jetzt in die Praxis umzusetzen bereitet mir gewisse Schwierigkeiten :D

Ich beschreibe jetzt einfach mal, wie ich mir gedacht habe, dass das funktioniert und was ich gemacht habe. Wahrscheinlich werdet ihr beim lesen die Hände über dem Kopf zusammen schlagen und denken was hat der da gemacht? ^^
( Hier ist übrigens das Datenblatt zu dem IC http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/173037-da-01-en-4001_82.pdf )

Also ich habe mir ein Breadboard geschnappt und den IC rein gesteckt. Laut dem Dateblatt müsste ja logisch 1 auf Eingang 1 und 2 = Ausgang 3 mit 1 beschalten.
Also habe ich den IC erstmal an VCC 5v und VSS an die Erde angeschlossen. dann 5V auf Eingang 1und 2 und an Ausgang 3 eine LED.
Diese leuchtet auch, allerdings immer, egal wie ich was verbinde :D

Also ich denke jetzt einfach mal das ich mir das was zu einfach vorgestellt habe und bitte um eure Hilfe.

Ist es eigentlich egal ob ich 5V oder 9V benutze? bedeutet Spannung in dem Bereich zwischen 5 und 15V = 1 und alles unter 5 = 0?

Kann ich den IC kaputt machen? (Außer durch mechanische Einwirkung)

Danke schon mal für die Antworten :)

[Bernd]

moin

schau mal hier
http://www.elektronik-kompendium.de/sit ... 205171.htm

mfg
bernd

[anders]

Zuerst einmal willkommen im Forum, Pommel!

Kann ich den IC kaputt machen? (Außer durch mechanische Einwirkung)

Ja, das geht, insbesondere bei CMOS-Schaltungen, recht leicht.
Falschpolung der Versorgungsspannung, z.B. ist ein sicheres Mittel ICs ins jenseits zu befördern.

CMOS-Schaltunge leiden noch an einem anderen Problem, dem so genannten "Latchup".
Der kann sehr leicht dadurch eintreten, dass man elektrostatisch aufgeladene Leitungen, und seien es nur die Strippen von einem Messgerät, an Eingänge oder Ausgänge anschliesst, während das IC versorgt wird.
Dadurch kommt es intern zu einer Art Kurzschluss zwischen den Versorgungsleitungen, und wenn die Versorgung leistungsfähig genug ist, schmelzen die Innereien des IC.
Man kann die fatalen Auswirkungen des Latchup verhindern, indem man schwache Versorgungen, die also nicht mehr als vielleicht 50mA liefern können, verwendet. Dann braucht man nur den Strom abzuschalten und anschliessend ist die Welt wieder in Ordnung.
Normalerweise bleiben CMOS-Schaltkreise kühl. Wenn eines heiß wird, dann ist mit einiger Wahrscheinlichlkeit ein Latchup eingetreten, und das IC wird gerade gegrillt. Vermutlich ist es dann schon hinüber.

Laut dem Dateblatt müsste ja logisch 1 auf Eingang 1 und 2 = Ausgang 3 mit 1 beschalten.

Reden wir lieber von Spannungspegeln LOW und HI, oder 0V und +5V oder Vss und Vdd.
Bei CMOS-Schaltungen musst du die Eingänge wirklich beschalten! Ein nicht angeschlossener Eingang nimmt von sich aus kein bestimmtes Potential an, sondern vagabundiert zwischen Vss und Vdd. Dann kann es schon ausreichen einen Kugelschreiber in die Hand zu nehmen (Isolator , gewöhnlich auf 1000V oder mehr aufgeladen) um einen unerwünschten Schaltvorgang auszulösen.

Also habe ich den IC erstmal an VCC 5v und VSS an die Erde angeschlossen

Nicht schlecht, aber: Bei CMOS Schaltungen nennt man das nicht Vcc sondern Vdd, und du hast da hoffentlich +5V angeschlossen und nicht etwa -5V.
Erde ist auch ungebräuchlich, meist sagt man Masse oder GND (Ground).

und an Ausgang 3 eine LED

Nur mit einem Bein?
Dann ist es ungewöhnlich, dass sie überhaupt leuchtet.

Diese leuchtet auch, allerdings immer, egal wie ich was verbinde

Vermutlich hast du aber, um die LED auszuschalten, den Eingang nicht auf 0V gelegt, sondern einfach die Zufuhr der +5V unterbrochen.
Dann bleibt der Eingang eine Weile auf diesem Potential und wie er sich dann entscheidet, steht in den Sternen. Ich hatte das ja oben bereits erwähnt. Ein CMOS-Eingang stellt i.W. einen kleinen Kondensator dar. Gleichstrom fliesst da praktisch keiner.

Ist es eigentlich egal ob ich 5V oder 9V benutze?

Prinzipell schon.
Bei höherer Spannung können die CMOS-ICs mehr Ausgangsstrom liefern und schalten etwas schneller; dafür aber sind die Ausgänge bei 5V noch kurzschlussfest.

deutet Spannung in dem Bereich zwischen 5 und 15V = 1 und alles unter 5 = 0?

Nein, die Spezifikation sagt, dass alles zwischen 0V und Vss/3 als Low erkannt wird und alles zwischen 2Vss/3 und Vss als High.
Real liegt der Umschaltpunkt bei etwa der halben Versorgungsspannung.

Spannungen, die tiefer als Vss legen (also negativ sind) oder Vdd übersteigen, darf man an Eingänge nicht anlegen, sonst zerstört man die an den Eingängen befindlichen Schutzdioden.
(Genau gesagt darf man diese Spannungen um 0,3V überschreiten, oder auch mehr, wenn man den dabei fliessenden Strom auf 1mA begrenzt.)

P.S.:
Kleiner Tipp:
Mit den invertierenden Funktionen, also NAND oder NOR kann man mehr anfangen, als mit AND und OR.
Man klann sogar beweisen, dass man mit nur einer davon, -egal ob NAND oder NOR-, alle anderen Funktionen bis hin zum Supercomputer aufbauen kann.

[Pommel]

Danke erstmal für die Antworten, bin schon mal ein Stück schlauer ^^
Trotzdem bleiben einige Fragen offen und hier sind sie:

Bei CMOS-Schaltungen musst du die Eingänge wirklich beschalten

Meinst du damit, das wirklich alle Eingänge beschaltet werden müssen, auch die nicht benutzten?

du hast da hoffentlich +5V angeschlossen und nicht etwa -5V

Nein, ich habe +5V angeschlossen ^^
Ich arbeite mit einem Arduino Duemilanove um die HIGH und LOW Pegel zu schalten und stelle damit halt auch die 5V Spannungsversorgung zur Verfügung.

Nur mit einem Bein?

Natürlich nicht Das andere kam auf GND.

Vermutlich hast du aber, um die LED auszuschalten, den Eingang nicht auf 0V gelegt, sondern einfach die Zufuhr der +5V unterbrochen.

Richtig, genau das habe ich gemacht :D

Nein, die Spezifikation sagt, dass alles zwischen 0V und Vss/3 als Low erkannt wird und alles zwischen 2Vss/3 und Vss als High.
Real liegt der Umschaltpunkt bei etwa der halben Versorgungsspannung.

Das verstehe ich jetzt nicht so ganz, alles zwischen = und 3 V ist LOW und alles von 2-3V ist HIGH??

Ich habe jetzt nochmal versucht eine Schaltung aufzubauen und habe sämtliche Ein-/ und Ausgänge die ich nicht benutze mit GND verbunden.
VDD and +5V, VSS and GND.

Die EIngänge 1 und 2 habe ich an meinem Arduino auf 11 und 12 gelegt und den Ausgang 3 mit der LED verbunden.

Jetzt habe ich an meinem Arduino 11 und 12 auf HIGH gesetzt und es tut sich überhaupt nichts :D
Ich habe mal ein Foto gemacht und hochgeladen,damit man mal sieht was ich hier fabriziere :D

IMG_1524.JPG

[derguteweka]

Moin,

Ich hab' noch nie mit diesen Boards was aufgebaut, aber kanns sein, dass bei deinem Aufbau immer 2 Pins am IC kurzgeschlossen sind? Also Pin 14 mit Pin 1, 2 mit 13, 3 mit 12, usw?
Ansonsten gilt: NUR die Eingaenge auf definertes Potential legen. Unbenutzte Ausgaenge keinesfalls auf GND oder VCC oder sonstwohin ziehen. Die kann/sollte man offenlassen.
Der Vorwiderstand fuer die LED ist mal angenehm hoch (=voellig richtig) dimensioniert.

Gruss
WK

[Jornbyte]

Ich hab' noch nie mit diesen Boards was aufgebaut, aber kanns sein, dass bei deinem Aufbau immer 2 Pins am IC kurzgeschlossen sind?

Das kann nicht nur sein, so ist es. An der Stelle wo die Rot-Gelben-Brücken sind, sollte der IC seinen Platz finden.

[anders]

Meinst du damit, das wirklich alle Eingänge beschaltet werden müssen, auch die nicht benutzten?

Ganz genau!
Man soll sogar die Eingänge von überhaupt nicht benutzten Gattern beschalten, denn bei anderen, viel schnelleren, CMOS-Schaltungen kann es sonst zu einer unzulässigen Erwärmung des Chips kommen, wenn die Eingangstransistoren im Linearbetrieb verbleiben.

Natürlich nicht Das andere kam auf GND.

Immerhin hättest du die LED auch gegen Vdd schalten können, denn die Ausgangsstufe ist eine annähernd gleich starke Stromsenke wie Stromquelle.
Bei TTL-Schaltkreisen schaltet man externe Lasten sogar meist gegen Vcc, weil die Stromsenke-Eigenschaft dort viel stärker ausgebildet ist, als die der Quelle.

Das verstehe ich jetzt nicht so ganz, alles zwischen = und 3 V ist LOW und alles von 2-3V ist HIGH??

Nein.
Bei Betrieb mit 5V ist alles zwischen 5* 1/3=1,7V und 0 Low, und alles zwischen 5* 2/3=3,3V und 5V High.
Bei Betrieb mit 15V liegen die Bereiche entsprechend höher, also 0..5V und 10..15V.

,damit man mal sieht was ich hier fabriziere :D

Du unbenutzen Ausgänge darfst du nicht auf GND oder Vdd legen.
Bei 5V passiert zwar noch nichts, aber bei höherer Betriebsspannung brennt dir die Ausgangsstufe ab.

Die EIngänge 1 und 2 habe ich an meinem Arduino auf 11 und 12 gelegt und den Ausgang 3 mit der LED verbunden.

Das ist richtig, aber du musst im Programm des µC die Pins auch als Ausgänge definieren, sonst kannst du soviel schalten wie du willst und es tut sich nichts.
Am einfachsten überprüfts du mit der LED mal, ob an den Pins auch die gewünschen Pegel erscheinen.


@WK:

Der Vorwiderstand fuer die LED ist mal angenehm hoch (=voellig richtig) dimensioniert

Ja, aber die Ausgänge der 4000er Serie sind so schwach, dass man bei 5V auf die Vorwiderstände ganz verzichten kann.


@Jornbyte:
Bei der Versorgung kann ich keinen Fehler sehen.
Zwar etwas umständlich, aber wie mir scheint ok.
P.S.:
Oh ja jetzt sehe ichs! Er hat alles kreuz und quer kurzgeschlossen.
Manchmal sieht man eben den Wald vor lauter Bäumen nicht.

[Pommel]

Ok jetzt bin ich leicht verwirrt :D
"derguteweka" hat geschrieben

Unbenutzte Ausgaenge keinesfalls auf GND oder VCC oder sonstwohin ziehen. Die kann/sollte man offenlassen.

Und "anders" schrieb

Man soll sogar die Eingänge von überhaupt nicht benutzten Gattern beschalten

Ich glaube an dieser Stelle müssen wir mal kurz klären was "beschalten" überhaupt bedeutet :D

Für mich bedeutet LOW = 0V = Entweder gar nichts anschließen oder auf GND legen und
HIGH = 5V = Spannung anlegen.

Ich verstehe nicht warum ich jetzt alle kurzgeschlossen haben soll, ich habe die unbenutzten doch einfach auf GND geschaltet.

Wie müsste ich denn in meiner jetzigen Situation die Pins vom IC beschalten? So für ganz dumme jetzt ^^

[Pommel]

Hab die Schaltung mal geändert und die LED leuchtet jetzt auch, aber egal ob ich nur einen oder beide Eingang Pins auf HIGH stelle. Wenn beide auf LOW sind geht sie aus.

IMG_1525.JPG

[Jornbyte]

In der Mitte sind 4 Rote Drähte und ein Gelber, die müssen raus.
An der Stelle wo diese Drähte waren muss nun der IC.

[derguteweka]

Moin,

Ja, aber die Ausgänge der 4000er Serie sind so schwach, dass man bei 5V auf die Vorwiderstände ganz verzichten kann.

Boaaah - NEIN, das kann man nicht. Das ist schlechtes Schaltungsdesign - und zwar ganz schlechtes. Nicht alles, was den Chip nicht sofort und sicher toetet, muss gleich ausprobiert werden. Also : Bitte den Vorwiderstand umgehend wieder einbauen.

Ich glaube an dieser Stelle müssen wir mal kurz klären was "beschalten" überhaupt bedeutet :D

Für mich bedeutet LOW = 0V = Entweder gar nichts anschließen oder auf GND legen und
HIGH = 5V = Spannung anlegen.

Das sieht der Chip ganz anders als du. Nichts anschliessen oder auf GND legen sind 2 voellig verschiedene Faelle. Um dich weiter zu verwirren: Bei alter TTL Logik (also Standard oder LS) nehmen unbeschaltete Eingaenge ein High Potential an (oder fangen sich was ein, wenn in der Nachbarschaft HF mit ordentlich Bums rumfliegt).
Auf jeden fall ist ein offener Eingang nicht 0V. Um den Eingang verlaesslich auf logisch 0 zu legen, muss der entweder direkt oder ueber einen Widerstand auf GND gelegt werden.

Ein Ausgang, der logischen 0 Pegel fuerhrt ist auch nicht offen, sondern da wird im IC ein Transistor durchgesteuert, der den Ausgang mit GND verbindet. D.h. da kann evtl. auch Strom in den IC reinfliessen, obwohls ein Ausgang ist.

Wie müsste ich denn in meiner jetzigen Situation die Pins vom IC beschalten? So für ganz dumme jetzt ^^

Damit's schulbuchmaessig ist, wuerd' ich's so vorschlagen:
Pins 14, 7 : Vcc, GND
Pins 1,2 : Von deinem Board kommend, die Ausgaenge des µControllers sollten dann auf Push-Pull stehen, oder Open-drain, wenn ein Pullup-Widerstand an dem Signal haengt.
Pin3 : ueber den Vorwiderstand eine LED nach Masse.
Pins 4,10,11 : NC (not connected, d.h. nix dran anschliessen)
Pins 5,6,8,9,12,13 : entweder direkt oder ueber einen Widerstand 0Ohm...paar MOhm an GND oder Vcc - wenn du das nicht machst, wird' die Schaltung trotzdem funktionieren, aber es ist
a.) Schlechtes Schaltungsdesign
b.) Es kann passieren, dass der 4081 viel mehr Strom zieht als er eigentlich muesste und sich deshalb mehr erwaermt als es sein muss.

Hab die Schaltung mal geändert und die LED leuchtet jetzt auch, aber egal ob ich nur einen oder beide Eingang Pins auf HIGH stelle. Wenn beide auf LOW sind geht sie aus.

Die Pins am IC sind ja auch immernoch kurzgeschlossen. Pass auf. dass dein µController nicht hops geht. Dessen einen Ausgang hast du direkt an die 5V gehaengt (ueber die Leitung im Experimentierboard zwischen Pin 1 und 14)

Der arme IC - dem gehts jetzt mindestens so schlecht wie den FLH101 (das waren SN7400 von Siemens), die ungefaehr das gleiche bei mir vor ca. 35 Jahren mitmachen mussten :D

Gruss
WK

[Erfinderlein]

Hallo Pommel,

du hast das nicht geschnallt habe ich das Gefühl. Dein Experimentierbord ist so gestaltet, dass die Reihe e und f das aktive Bauteil trägt. Die davon weg gehenden weiteren 4 Reihen ( 5 insgesamt auf jeder Seite )sind quer verbunden um weitere Verbindungen stecken zu können. Also das IC ist bestens geschützt gewesen der Ausgang des µ-Kontrollers dagegen gefährdet. Sonst siehe oben.

Gruß Lothar

Nachtrag: da haben wir ihn wieder den alten Spruch: "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte"

[anders]

Ok jetzt bin ich leicht verwirrt :D
"derguteweka" hat geschrieben

Unbenutzte Ausgaenge keinesfalls auf GND oder VCC oder sonstwohin ziehen. Die kann/sollte man offenlassen.

Und "anders" schrieb

Man soll sogar die Eingänge von überhaupt nicht benutzten Gattern beschalten

Das braucht dich nicht zu verwirren.
Beim Ersten geht es um Ausgänge, beim Zweiten um Eingänge.
Das dazwischen ein gewisser Unterschied besteht, dürfte dir doch einleuchten?

[Pommel]

Oh man bin ich ein Stratege :D Hab das jetzt auch mal geschnallt wie das mit dem kurzgeschlossen gemeint war, ja das kann ja alles nicht funktionieren, weis doch eigentlich das die Spalten verbunden sind :D

Bin zur Zeit auf Montage und kann jetzt leider nichts ausprobieren, aber werde mal am Wochenende berichten ob es jetzt funktioniert :)

Vorweg schonmal eine andere Frage, unzwar wie mache ich es, das wenn ein Schalter gedrückt wird und nach z.B. 10 Sekunden nicht noch ein anderer gedrückt wird z.B. ein Alarm ertönt?

Und noch eine Frage ^^ Gibt es Taster die viel Druck aushalten und klein sind, also das man sich drauf stellen könnte. Will nämlich sowas wie eine zugangskontrolle mit tastern unterm laminat bauen (also ich will mir das nach und nach erarbeiten, schon klar das das nicht ganz einfach wird )

[anders]

wie mache ich es, das wenn ein Schalter gedrückt wird und nach z.B. 10 Sekunden nicht noch ein anderer gedrückt wird z.B. ein Alarm ertönt?

Das sind zwei bis drei verschiedene Probleme:

Zum Einen die Erzeugung des Alarmtons.
Dafür erzeugt man z.B. eine Wechselspannung mit z.B. 1000Hz, die man auf einen Lautsprecher gibt.

Aus der 4000er Serie eignet sich dafür z.B. ein invertiertender Impulsformer, wie der 4093 oder 40106, bei dem man den Ausgang über einen Widerstand auf den Eingang zurückführt und mit einem vom Eingang gegen Masse geschalteten Kondensator festlegt, wie lange es dauert, bis der Eingang das "merkt".
Auch viele andere invertierende Gatter kann man mit wenig Aufwand so beschalten, dass sie schwingen. Stichwort: Astabiler Multivibrator.

Zum Anderen muss man eine Verzögerung bauen.
Das kann ebenfalls mit einer solchen RC-Kombination und einem Impulsformer geschehen.
Falls man aber genaue und stabile Zeiten benötigt, nimmt man besser einen monostabilen Multivibrator "Monoflop" wie den 4047 oder 4098.
Für sehr lange Verzögerungen (Minuten, Stunden , Wochen, ...) verwendet man aber besser Zähler, weil man sonst unpraktikable Werte für das zeitbestimmende RC-Glied erhält.

Schließlich braucht man noch ein paar Gates um diese beiden Funktionsgruppen zusammenzuschalten.
Ein RS-Flipflop um den Alarmzustand zu speichern kann man leicht aus zwei NOR- oder NAND-Gates zusammenschalten.
Die logische Verknüpfung könnte z.B. darin bestehen, dass durch den Fußmattenkontakt das Alarm-Flipflop auf 0 gesetzt wird, und gleichzeitig das Monoflop getriggert wird.
Deren Ausgänge werden auf ein NOR gegeben, und wenn beide Low sind, wird von dem NOR der Oszillator, der den Alarmton erzeugt, freigegeben.

Zum Löschen oder Verhindern des Alarms muss das RS-Flipflop mit dem Taster gesetzt werden.