Berufsgrundbildung Elektrotechnik Polyboard 2 - e

Berufsgrundbildung Elektrotechnik
Polyboard 2 – Grundschaltungen der Steuerungstechnik
Bausteine der Digitaltechnik
4.0
Grundbausteine der Digitaltechnik
So umfangreich und kompliziert Steuerungen auch sein können, von der Logik her
betrachtet unterscheiden wir nur zwischen zwei Signalzuständen. Ist ein Signal
vorhanden, geben wir ihm den Wert 1 und im entgegengesetzen Fall den Wert 0.
Der Wert eines Signals stellt in steuerungstechnischer Hinsicht eine „Information“
dar. Den Informationsinhalt drücken wir in der Elektrobranche sinnvoller Weise in
Form eines Spannungswertes aus. Dem 1-Signal können wir beispielsweise 5 V und
dem 0-Signal 0 V zuordnen. Etwas lässiger könnten wir das 1-Signal auch mit „high“
und das 0-Signal mit „low“ bezeichen.
1 und 0 wird dich sicher auch an das duale Zahlensystem erinnern. Damit lässt sich bekanntlich
elektronisch vortrefflich rechnen. In einem Metallgehäuse verpackt, haben sich diese - auf den ersten
Blick „primitiven“ Rechner – den Beinamen „Blechtrottel“ eingehandelt.
Das Prinzip der Digitaltechnik beruht darauf, dass ein Signal in „Digitalbausteinen“
sozusagen „verarbeitet“ wird. In der einfachsten Form kann ein Signal einfach
weitergegeben werden. Diesem wenig spannenden Baustein haben Digitaltechniker
den Namen „Buffer“ gegeben. Wird ein Logikbaustein beauftragt, ein Signal
umzukehren (1-Signal in 0-Signal und umgekehrt) so sprechen wir bei diesem
„Inverter“ von einer Nicht-Verknüpfung oder Negation.
Mehrere Möglichkeiten der Informationsverarbeitung ergeben sich aber dann, wenn
ein zweites Signal hinzukommt und diese beiden Eingangsignale zu einem
Ausgangssignal „verarbeitet“ werden sollen.
Signal – Eingang A
Signal - Eingänge
DigitalBaustein
Signal - Ausgang
Signal – Ausgang Q
Signal – Eingang B
Jeder Eingang besitzt zwei Signalzustände (0 bzw. 1), sodass vier verschiedene
Eingangskombinationen möglich sind:
1.
2.
3.
4.
A=0
A=1
A=0
A=1
B=0
B=0
B=1
B=1
Aus diesen Eingangszuständen, können wir nun für den Ausgang Q eine
„Verknüpfungsvorschrift“ festlegen.
83
4.1
UND-Verknüpfung
Wenn wir dem Logikbaustein nun „anordnen“, dass das Ausgangssignal nur dann 1
sein soll, wenn beide Eingangssignale 1 sind, so haben wir in logischer Hinsicht eine
UND-Verknüpfung hergestellt.
Signal – Eingang A
&
Signal – Ausgang Q
Signal – Eingang B
AND-Element
Du wirst dich nun sicher daran erinnern, dass wir auch bei unseren Grundschaltungen in konventioneller Weise schon mit dem Prinzip von AND-Elementen
gearbeitet haben.
Wenn zwei Taster - als Schließer - in reihe geschaltet werden, wie wir das bei der
Tippschaltung gemacht haben, handelt es sich in digitaler Hinsicht um eine UNDVerknüpfung.
Logikbausteine werden in integrierter Form für elektronische Schaltungen hergestellt.
Dabei sind oft mehrere Verknüpfungen in einem Gehäuse untergebracht.
Klassische Bauweise von Logikbausteinen mit vier integrierten Modulen
(z. B. UND-Elemente) mit jeweils
zwei Eingängen und einem Ausgang.
Mit den zwei Anschlüssen für die
Spannungsversorgung sind sie mit 14
Kontakten versehen.
Wenn wir aber nun zusätzlich verlangen, dass das Ausgangssignal Q umgekehrt
wird, müssen wir dem AND-Element ein NICHT-Element nachschalten.
Signal – Eingang A
Signal – Ausgang Q
&
1
Signal – Eingang B
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Signal – Ausgang Q
umgekehrt
Mit integriertem NICHT-Element erhalten wir so einen
Logikbaustein.
Signal – Eingang A
&
NAND (Not And) -
Signal – Ausgang Q
Signal – Eingang B
NAND-Element
Für die oben erwähnten 4 Eingangskombinationen ergibt sich bei einem ANDElement in einem und bei einem NAND-Element in drei Fällen das Ausgangssignal 1:
Wenn A=0 und B=0
dann bei AND Q=0
bei NAND Q=1
Wenn A=1 und B=0
dann bei AND Q=0
bei NAND Q=1
Wenn A=0 und B=1
dann bei AND Q=0
bei NAND Q=1
Wenn A=1 und B=1
dann bei AND Q=1
bei NAND Q=0
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4.2
ODER – Verknüpfung
Wir können an den Signalzustand des Ausganges aber auch „weniger strenge“
Anforderungen stellen und festlegen, dass am Ausgang ein 1-Signal entsteht, wenn
auch nur einer der beiden Eingänge ein 1-Signal besitzt.
Diese Schaltung erinnert uns an die Parallelschaltung von zwei Tastern, wie wir sie
bei der Selbsthaltesteuerung aufgebaut haben, wenn ein Motor von einer oder von
der anderen Schaltstelle eingeschaltet werden soll.
Signal – Eingang A
>1
Signal – Ausgang Q
Signal – Eingang B
OR-Baustein
Soll das Ausgangssignal - wie schon gehabt - umgekehrt werden, so wird die
Verknüpfungsvorschrift international mit „Not Or“ bezeichnet.
Signal – Eingang A
>1
Signal – Ausgang Q
Signal – Eingang B
NOR-Baustein
Wenn A=0 und B=0
dann bei OR Q=0
bei NOR Q=1
Wenn A=1 und B=0
dann bei OR Q=1
bei NOR Q=0
Wenn A=0 und B=1
dann bei OR Q=1
bei NOR Q=0
Wenn A=1 und B=1
dann bei OR Q=1
bei NOR Q=0
Die zwei in reihe geschalteten Aus-Taster (Öffner) der Selbsthaltesteuerung arbeiten
nach dem Prinzip der NOR-Funktion.
Wenn du dich nun beschwerst, dass bei Eingangssignal A=1 und B=1 die ODERVerknüpfung eigentlich nicht mehr eindeutig ist, muss ich dir recht geben.
Verlangen wir von einem Baustein, dass diese Signalsituation ausgeschlossen wird,
so bezeichnen wir ihn als ausdrücklich, also exclusiv, ODER bzw. als XOR
(EXCLUSIV-OR)
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4.3
Speicherfunktion
Um die Selbsthaltesteuerung komplett zu „digitalisieren“ ist es schließlich nur mehr
notwendig, für die Speicherfunktion des Selbsthaltekontaktes ein entsprechendes
Logikelement einzusetzen.
Nicht nur aus den Grundlagen der Elektronik sind dir sogenannte Flipflops sicher
schon ein Begriff. Diese bistabilen Kippstufen besitzen einen Setzeingang und einen
Rücksetzeingang. Mit dem Ein-Taster der Selbsthaltesteuerung wird der Ausgang
der Kippstufe solange auf 1 gesetzt, bis mit dem Aus-Taster - in diesem Fall als
Schließer, der Kippstufenausgang auf 0 rückgesetzt wird.
S – Setzeingang
Q1
Rücksetzeingang
R-
Q1
RS-Flipflop besitzen
meist zwei Ausgänge,
wobei der zweite
Ausgang ein umgekehrtes Signal liefert.
Ein Speicherlement kann aber auch aus Logikbausteinen zusammengesetzt werden:
Rückführung von Q
Ein - Taster
>1
A
&
Q (K1)
B
Aus - Taster
Einschaltvorgang: (Setzen)
Wird der Ein -Taster betätigt, erhält ein Eingang des UND-Elements über den Ausgang des ODER-Bausteins ein 1-Signal. Über den (unbetätigten) Austaster ist auch
der zweite UND-Eingang auf 1 gesetzt, sodass über den Ausgang Q K1 Spannung
erhält.
Speicherfunktion:
Das 1-Signal von Q wird an den zweiten ODER-Eingang rückgeführt, sodass obwohl der Ein-Taster nicht mehr betätigt wird - das 1-Signal von Q bestehen bleibt,
also gespeichert wird.
Ausschaltvorgang: (Rücksetzen)
Wird der Aus-Taster betätigt hat Eingang B von UND 0-Signal und damit wird der
Ausgang Q ebenfalls auf 0 gesetzt.
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4.4
Zeitfunktion
Eine bistabile Kippstufe hat bekanntlich zwei stabile Schaltzustände und wird in der
Digitaltechnik als Speicherelement eingesetzt.
Ebenfalls nicht unbekannt dürften dir aus den Grundlagen der Elektronik sogenannte
Monoflops sein. Monostabile Kippstufen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie
nach einer bestimmten Zeit wieder den vorhergehenden Schaltzustand einnehmen.
Durch die Beschaltung mit einem RC-Glied (Widerstand-Kondensator) kann die
Kippzeit eingestellt werden, wodurch sich ein digitaler Baustein mit Zeitfunktion
ergibt. In Kombination mit Logikbausteinen entstehen die unterschiedlichen
zeitbezogenen Schaltfunktionen (Einschalt-, Ausschaltverzögerung, Blinker) wie sie
dir vom Zeitrelais her schon bekannt sind.
Packen wir nun Logikbausteine, Flipflop und Monoflop in ein einzelnes Gerät, und
versehen es mit den entsprechenden Ein- und Ausgangsklemmen, so erhalten wir
ein elektronisches Steuerrelais.
Steuerrelais Easy
Steuerrelais Logo
Ersetzen wir in unseren Grundschaltungen die Relais durch ein elektronisches
Steuerrelais, verbinden die Eingangsklemmen mit Tastern und die Ausgänge mit
Meldelampen und Motoren, so können wir unterschiedliche Schaltungen realisieren
ohne eine Neuverdrahtung vorzunehmen. Die gewünschte Schaltungsfunktion kann
entweder direkt am Gerät oder über eine Software am PC programmiert werden.
Für digitaltechnische Übungen bzw. Schaltungen mit dem Steuerrelais Logo wurden
schon umfangreiche Unterrichtsmaterialien erstellt, sodass sich eine eigene
didaktische Anleitung erübrigt.
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