Die Vorgeschichte
Der Conrad Elektronik-Adventkalender 2021 war der letzte in einer
langen Serie, die Franzis gemacht hat. Im Mittelpunkt stand dieses CMOS-IC, ein sechsfacher
Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Alle Versuche aus dem Kalender
findet man hier:
https://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/Kalender21/Conrad21.htm
Bei jedem neuen Kalender war die Spannung bei Franzis groß. Wird alles
gut laufen, werden wir viele Fehlermeldungen bekommen, werden viele
Bauteile kaputt gehen? Da war es üblich, dass Bauteile verschickt
wurden, wenn etwas nicht funktioniert hat. Und deshalb gab es in diesem
Jahr einen stattlichen Vorrat an CD40106 im DIL-Gehäuse, aber kaum
einen Bedarf vonseiten der Anwender. Die Bauteile lagen dann lange herum und sind jetzt bei
mir gelandet. Kann ja nicht schaden, dachte ich, wer weiß, was damit
noch anzufangen ist. Und jetzt habe ich mir die Versuche aus dem
Kalender nochmal angesehen und überlegt, was außerdem noch möglich ist.
Sechs Inverter sind schon gut einsetzbar. Und Schmitt-Trigger bieten
eine besondere Chance. Man braucht nur einen Widerstand und einen
Kondensator, um einen Rechteckgenerator zu bauen. Bis zu sechs Blinker,
Tongeneratoren, Testgeneratoren in einem IC! Vgl. Tag 11 und 12 im Kalender.
Bei diesen Versuchen setze ich oft das
TestLab
ein, weil es zum
minimalistischen Ansatz passt: Spannende Experimente mit geringstem
Hardware-Aufwand. Alles geht auch mit ganz anderen Messgeräten oder
auch ohne Messungen. Und auch der CD40106 ist ersetzbar. Vieles kann
auch mit anderen ICs wie z.B. dem CD4093 probiert werden. Oder man
übernimmt nur die Grundidee und realisiert sie ganz anders. Spielerisch
Forschen, oft kommt dabei etwas ganz anderes heraus, als ursprünglich
geplant.
1 Messungen mit dem TestLab
Zuerst wurde in einfacher Rechteckgenerator gebaut. Hier eine
Zweikanalmessung an 1 und 2. Man kann erkennen, dass die Umschaltpunkte
bei 35% und 65% der Betriebsspannung liegen. Am Kondensator entsteht
ein Dreiecksignal, am invertierenden Ausgang ein Rechtecksignal. Das
Rechteck ist oben und unten etwas angeschrägt. Daran erkennt man die
Belastung durch den Ladewiderstand von 10 k. Die Innenwiderstände der
Ausgangstransistoren sind also nicht sehr klein. Mit dem Ohmmeter
konnte ich ca. 400 Ohm messen. Mit steigender Betriebsspannung wird der
Ausgang niederohmiger.
Wenn ich den ersten Ausgang (Punkt 2) mit einer grünen LED mit
internem Widerstand von 1 k belaste, sinkt die Ausgangsspannung um ca.
1 V ein. Der Anstieg der Kondensatorspannung wird dadurch verlangsamt,
und das Rechtecksignal ist nicht mehr symmetrisch.
Dagegen hilft ein Puffer, der aus zwei weiteren Invertern gebildet
wird. Am Ausgang erhält man ein perfektes Rechtecksignal mit 0 V und 5
V. Unter Belastung sinkt die Ausgangsspannung auch hier ein, aber das
Signal bleibt symmetrisch.
2 Ein Ringoszillator
Wenn man den Elko aus der Blinkschaltung entfernt, sieht man nur
noch ein gleichförmiges Leuchten. Tatsächlich entstehen aber immer
Schwingungen. Weil nur noch wenige Picofarad der Schaltungskapazität
übrig sind, erhält man eine sehr hohe Frequenz.
Speziell der CH32V003 kann im TestLab einen einfachen Frequenzzähler
bis 24 MHz bilden. Dazu muss man nur die entsprechende
Funktionserweiterung mit B = 12 und Call L250 aufrufen. Damit konnte
die Ausgangsfrequenz gemessen werden. Mit 10 k und keinem zusätzlichen
Kondensator wurden bei 5 V (genauer 4,7 V wegen USB-Hub) ca. 9,7 MHz
gemessen. Kurzwelle!
Da geht noch mehr! Wenn der Widerstand überbrückt wird, kommt man sogar
auf 16,3 MHz. Die Periodendauer beträgt ca. 60 ns, Das bedeutet, der
Ausgang reagiert mit einer Laufzeit von 30 ns auf jeden Pegelwechsel.
Die Laufzeit wird aber mit steigender Betriebsspannung kürzer. Man kann
also über die Spannung die Frequenz einstellen, der Oszillator ist
zugleich ein VCO (Voltage Controlled Oscillator).
So ein Oszillator funktioniert mit einer beliebigen ungeraden Anzahl
von Invertern und wird auch als Ring-Oszillator bezeichnet. Mit drei
Stufen sollte eine dreifache Laufzeit zu einer auf ein Drittel
verringerten Frequenz führen. Tatsächlich werden jetzt 4,6 MHz
gemessen. Das Verhältnis beträgt 3,5, die Vermutung stimmt so
ungefähr. Was aber auch auffällt ist die wesentlich bessere
Frequenzkonstanz bei drei Stufen.
Um den Einsatz des dreistufigen Ringoszillators als VCO zu testen,
habe ich die Schaltung über einen Superkondensator mit 10 F betrieben.
Am Anfang war er mit 2,8 V geladen, die Frequenz war ca. 1,6 MHz.
Während der Entladung des Speicherkondensators sank die Frequenz
langsam ab. Bei 2,08 V wurden 700 kHz gemessen. Die 500 kHz wurden bei
1,96 V erreicht. Bei 1,89 V wurden die 30 kHz unterschritten! Bei 1,88
V ging es unter 16 kHz. Es ist erstaunlich, dass das IC da noch
funktioniert, denn eigentlich ist es erst ab 3 V spezifiziert. Und
insgesamt konnte ein Bereich im Umfang von mehr als 1 : 100
überstrichen werden.
3 Lichtsensor-Blitzer
Ein Blitzgenerator nur mit CD40106, LED und Kondensator? Ja, das
funktioniert. Die LED ist zugleich die Ladestromquelle und abhängig von
der Helligkeit. Im Anfang ist die Kondensatorspannung klein, und der
Ausgang ist high. Die LED wird als Fotodiode in Sperrrichtung
betrieben. Immer wenn der Fotostrom den Kondensator bis auf ca. 65%
geladen hat, kippt die Schaltung um, der Ausgang wird low, und die LEDs
liegt in Durchlassrichtung am Kondensator, der dadurch schnell entladen
wird. Dann sieht man einen Lichtblitz. Die Schaltung benötigt eine
Betriebsspannung, die mindestens dreimal so groß ist wie die
LED-Brennspannung, 5 V reichen also nicht. Hier wurde alles auf eine
gebraucht Batterie gelötet, die noch ca. 8 V hatte.
Um die Spannung am Kondensator zu beobachten, kann kein übliches
Messgerät oder Oszilloskop mit einem Innenwiderstand von 10 Mohm
verwendet werden, weil es den Kondensator zu stark entladen würde. Der
Ladestrom durch die LED liegt oft nur im nA-Bereich. Ausreichend
hochohmig ist aber ein analoger Eingang des Mikrocontrollers. Der
CH32V003 wird jedoch nur mit 5 V betrieben und kann daher auch nur bis
5 V messen. Zur Anpassung wurde der Speicherkondensator aus dem Letzten
Versuch passend in die Messleitung gelegt. Er hatte noch 1,0 V. Damit
wurden alle Messwerte um 1 V heruntergesetzt.
Hier sieht man, dass die Spannung jeweils in 8 s um 2 V anstieg und
dann in einem Blitz entladen wurde. Das bedeutet 250 mV/s und mit 100
nF einen Ladestrom von 0,025 µA. Bei vollem Sonnenschein mit 100 klux
wurde bis zu 1 µA gemessen. Die Helligkeit während der Messung könnte
also etwa bei 2,5 klux gelegen haben, Man sieht, dass über die
Blitzfrequenz die Helligkeit bestimmt werden kann.
Das Sägezahnsignal am Kondensator steigt linear an. Daran erkennt man,
dass die LED nicht wie ein Widerstand wirkt, sondern wie eine
Konstantstromquelle. Wenn allerdings die Helligkeit während der Messung
verändert wird, ändert sich auch die Steilheit der Aufladung.
4
Kapazitätsmessung
Der aus einem Blutdruckmessgerät ausgebaute
Drucksensor
ist ein kleiner Kondensator. Mit steigendem Drück wird eine dünne Folie
näher an ein dickeres Blech gedrückt, sodass die Kapazität steigt. Ich
wollte wissen, ob es mir gelingt, die sehr kleine Kapazitätsänderung zu
messen. Da bietet sich der dreistufige Ringoszillator an. Er wird hier
mit 220 k und 12 pF betrieben. Zusätzlich kann der Sensor parallel
geschaltet werden.
Die Messung zeigt ohne den Sensor 254,4 kHz. Nach dem Anschließen des
Sensors sinkt die Frequenz auf 158,3 kHz und bei einem Druck auf den
Gummiball weiter bis auf 156,2 kHz. Nach dem Loslassen des Balls
entstand ein Unterdruck, und die Frequenz stieg bis auf maximal 162,5
kHz.
Für die Umrechnung in die Sensorkapazität gehe ich von einer
Leerlaufkapazität von 15 pF aus (12 pF + 3 pF für die Eingangskapazität
des ICs). Die Frequenz ändert sich umgekehrt proportional zur
Gesamtkapazität. Damit komme ich auf 9,1 pF für den Sensor. Die
Frequenz konnte durch den Luftdruck bis auf 9,4 pF erhöht werden, wobei
offensichtlich Luft an der Verbindungsstelle entwichen ist. Deshalb
bildete sich beim Loslassen ein Unterdruck, der länger gehalten werden
konnte. Die Sensorkapazität sank bis auf 8,5 pF. Insgesamt war die
Variation mit 0,9 pF nicht besonders hoch. Aber bei dieser hohen
Frequenz wäre eine feine Auflösung und Umrechnung in den Druck machbar.
