Taktgeber - Herzschrittmacher der Elektronik

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 CMOS-IC 4060
1 CMOS-IC 4069
2 Widerstand 470 Ohm  
1 Widerstand 10 kOhm  
1 Widerstand 47 kOhm  
1 Elektrolytkondensator 10 µF/16V  
2 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm

 

 

Grundlagen

 

Bei größeren digitalen Schaltungen benötigt man sehr oft eine Schaltung, die einen gewissen Takt vorgibt. Bekanntestes Beispiel ist hier wohl wieder der heimische PC. Hier wird unter anderem ein Takt benötigt, damit der Prozessor arbeiten kann. Die Taktfrequenz dort befindet sich heutzutage gut im GHz-Bereich, also über 1 Milliarde Taktimpulse pro Sekunde.

 

Digitale Schaltungen benötigen in der Regel erheblich kleinere Frequenzen. Meist werden Taktquellen für Zähler o.ä. benötigt. Man denke da z.B. an eine Digitaluhr. Diese kommt schon mit 1 Hz aus.

 

Nun könnte man sich ja einfach eine astabile Kippstufe zusammen bauen, wie sie in Astabiler Multivibrator - Eine unruhige Schaltung beschrieben ist. Diese Schaltung hat aber einen entscheidenden Nachteil. Digitale Schaltungen benötigen Signale, die sehr schnell von einen Zustand in den anderen wechseln. Astabile Multivibratoren jedoch liefern eher 'fließende' Übergänge. Man müsste erst das Ausgangssignal mit Hilfe weiterer Schaltungen für die Digitalschaltung aufbereiten. Dies wäre ein ziemlicher Aufwand.

 

Besser geeignet sind da Taktgeber die auf einem NE555 aufgebaut sind. Dieses IC liefert ein sauberes Rechtecksignal und ist zudem noch sehr universell einsetzbar (Siehe hierzu NE555 - Der Herr der Zeiten). Dies erfordert aber eben den Einsatz eines 'fremden' Bauteils in der Digitalschaltung.

 

 

Ein Inverter schwingt

 

Anklicken um CMOS-Schnellübersicht zu sehenFür einen einfachen Taktgeber benötigen wir nur einen Inverter-Baustein. Die Grafik zeigt die genaue Anschlussbelegung.

 

Das Grundprinzip eines Taktgebers mit Invertern ist ein Nicht-Gatter dessen Ausgang gleich wieder auf den Eingang geführt wird.

Hier kann man sich leicht vorstellen, dass diese Schaltung unwahrscheinlich schnell schwingt. Unter Umständen hat man hier sogar einen kleinen Radiosender.

Man muss also dafür sorgen, dass sich die Ausgangsänderung nicht sofort auf den Eingang zurückgeführt wird. Hierzu ergänzen wir nur einen Kondensator und ein Ladewiderstand.

 

 

Hier wird nun durch das RC-Glied mit C1 und R1 dafür gesorgt, dass der Inverter nur in einer bestimmten Zeit umkippt.

Die dritte Inverterstufe dient im Grunde nur als Verstärker für die Leuchtiode D1.

Beim anlegen der Spannung blinkt hier die LED. Ändert man ein wenig die Werte von C1 oder R1, kann man andere Frequenzen erzeugen.

 

Für die Funktionsweise nehmen wir erst einmal an, dass sich am Eingang des 1. Gatters ein 0-Signal befindet. Dies bedeutet der Ausgang führt ein 1-Signal. Inverter 2 legt somit wieder eine '0' an den Elko.

Nun kann sich der Kondensator allmählich über den Widerstand R1 aufladen. Die Spannung am Kondensator steigt solange, bis die Schaltschwelle des 1. Inverters erreicht ist.

 

Ist die Schaltschwelle des Inverters 1 erreicht, kippt dieser um und erzeugt somit eine '0' am Ausgang. In diesem Moment wird nun der Kondensator wieder über R1 entladen bis hier die untere Schaltschwelle des ersten Gatters erreicht ist.

Nun beginnt das ganze Spiel von vorne.

 

 

Unterschiedliche Puls-/Pausenzeit

 

 

Benötigt man unterschiedliche Puls-/Pausenzeit muss man dafür sorgen, dass der Kondensator beim Laden bzw. Entladen unterschiedlich schnell geladen oder entladen wird. Hierzu muss man den Widerstand für die Ladephase und Entladephase unterschiedlich gestalten. Zwei zusätzliche Dioden sorgen dafür, dass nur jeweils ein Widerstand die Zeit bestimmt.

Mit der nebenstehenden Schaltung haben wir ein kleines Blitzlicht gestaltet.

Anstelle von R2/R3 kann man auch einen (Trimm-)Potentiometer einsetzen. Damit lässt sich dann die Puls-/Pausenzeit des Taktgebers individuell variieren.

 

 

Taktgeber kompakt

 

Oft werden in Schaltungen aber lieber so genannte Taktgeneratoren eingesetzt. Diese haben neben der einfachen Takterzeugung noch weitere Vorteile.

Eines dieser Schaltkreise ist der 4060. Hier befinden sich neben der uns schon bekannten Inverterstufen, noch eine Teilerkette, die den abgegeben Takt mehrfach teilt.

 

 

 

Wie man im Schaltplan gut sehen kann, wird die Kondensator/Widerstandskombination ähnlich angeschlossen wie schon bei unserem Inverter-Taktgeber. Der daraus resultierende Takt wird dann intern aber gleich auf die Taktteilerkette gegeben.

Diese sorgt nun dafür, dass unsere Leuchtdiode nur bei jedem 8. Takt den Zustand wechselt. Der Ursprungstakt wird hier durch 3 FlipFlop-Stufen geteilt.

Damit wir die LED trotzdem noch schnell genug blinken sehen, wurde hier der Widerstand erheblich verringert.

Wer dies einmal überprüfen möchte, kann den eigentlichen Takt an Pin 9 (Ctc) abgreifen. Dieser muss dann aber noch verstärkt werden.

 

 

Wenn man nun diese Schaltung in Betrieb nimmt, blinkt die Leuchtdiode D2 in den uns schon bekannten Takt aus den Inverter-Versuchen.

Wer jetzt den Takt von D2 mitzählt, wird schnell feststellen, dass D1 bei jedem 8. Takt den Zustand wechselt. Aber, warum gerade 8?

Der Takt wird hier durch 3 FlipFlop-Stufen geleitet. Die erste Stufe teilt den Takt durch 2. Dieser Takt wird durch die 2. Stufe nochmals durch 2 geteilt. Dies ergibt dann 4. Die dritte Stufe halbiert den Takt wiederum. Somit haben wir hier eine Teilung durch 8.

 

 

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