MC14093B-Schmitt-Trigger: Taster entprellen, Blinker bauen

Ein Taster schaltet nicht sauber, und ein langsam aufgeladener Kondensator durchläuft den verbotenen Bereich zwischen LOW und HIGH. Der MC14093B löst beide Probleme mit vier NAND-Gattern, deren Eingänge eine Hysterese haben. Dieser Leitfaden erklärt das Prinzip und baut eine vollständige Schaltung: einen entprellten Taster, der einen LED-Blinker startet.

Zuerst die Grundlagen: ein NAND-Gatter

Ein NAND-Gatter hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der Ausgang ist nur dann LOW, wenn beide Eingänge HIGH sind; in allen anderen Fällen ist er HIGH. Verbindet man beide Eingänge, wird das Gatter zum Inverter: HIGH am Eingang ergibt LOW am Ausgang und umgekehrt. Hält man einen Eingang auf HIGH, gelangt der andere invertiert zum Ausgang; liegt er auf LOW, bleibt der Ausgang fest auf HIGH. Diese letzte Eigenschaft macht einen NAND-Eingang zum Freigabe-Schalter, den wir unten nutzen. Wenn Logikgatter für Sie neu sind, beginnen Sie mit dem Leitfaden zum MC74HC08AN-AND-Gatter mit Schaltern und einer LED.

Was ein Schmitt-Trigger hinzufügt

Ein gewöhnlicher CMOS-Eingang hat einen einzigen Schaltpunkt etwa bei der halben Versorgungsspannung. Kriecht die Eingangsspannung langsam durch diesen Punkt oder ist sie leicht verrauscht, kann der Ausgang mehrmals hin- und herkippen. Ein Schmitt-Trigger-Eingang hat stattdessen zwei Schwellen:

  • VT+ – ein steigendes Signal muss diesen Pegel überschreiten, bevor das Gatter HIGH erkennt.
  • VT− – ein fallendes Signal muss unter diesen niedrigeren Pegel sinken, bevor das Gatter wieder LOW erkennt.

Der Abstand zwischen beiden ist die Hysterese (VH). Kleine Schwankungen innerhalb dieses Abstands werden ignoriert, sodass eine langsame oder verrauschte Flanke genau einen sauberen Ausgangswechsel erzeugt.

Diagramm eines langsamen, verrauschten Eingangssignals, das eine gestrichelte obere Schwelle VT+ und eine untere Schwelle VT− kreuzt; der invertierte Ausgang schaltet pro Durchgang nur einmal.
Mit verbundenen Eingängen invertiert das Gatter: Der Ausgang fällt, sobald der Eingang VT+ überschreitet, und steigt erst wieder, wenn der Eingang unter VT− sinkt.

Das CMOS-Datenbuch von Motorola nennt für den MC14093B bei VDD = 5 V und 25 °C: VT+ 1,80–4,05 V (typisch 2,70 V), VT− 1,63–3,66 V (typisch 2,44 V) und eine Hysterese von 0,17–0,6 V (typisch 0,26 V). Beachten Sie die breiten Bereiche: Die Schwellen streuen von Chip zu Chip, also dimensionieren Sie nach Minimum und Maximum, nicht nach dem typischen Wert.

Der Baustein und seine Pins

Der MC14093B gehört zur CMOS-Familie der 4000er-Serie (wie das MC14002-NOR-Gatter). Er arbeitet mit 3 bis 18 V und ist pinkompatibel zum CD4093 und zum gewöhnlichen NAND-Gatter MC14011B. Der vorrätige MC14093BCP ist die C-Serie (−40 bis +85 °C) im 14-poligen Kunststoff-DIP (Suffix P, Motorola Case 646) und passt damit direkt ins Steckbrett.

MC14093BCP DIP-14, Draufsicht: Pins 1 und 2 sind Eingänge von Gatter A, Pin 3 sein Ausgang; Pin 4 Ausgang B, Pins 5 und 6 Eingänge B; Pin 7 VSS; Pins 8 und 9 Eingänge C; Pin 10 Ausgang C; Pin 11 Ausgang D; Pins 12 und 13 Eingänge D; Pin 14 VDD.
Draufsicht mit der Kerbe oben. Pins 3 und 4 sind beide Ausgänge, ebenso Pins 10 und 11.

Drei Regeln für jedes CMOS-Gatter: Pin 14 (VDD) an +5 V und Pin 7 (VSS) an 0 V, mit einem 100-nF-Kondensator direkt am Chip; jeden unbenutzten Eingang an VDD oder VSS legen, weil ein offener CMOS-Eingang in den Schwellenbereich driften kann; unbenutzte Ausgänge offen lassen.

Die vollständige Schaltung

Schaltplan: 100 kΩ von VDD zum Knoten X, 100 nF von X nach VSS, Taster mit 10 kΩ von X nach VSS. Gatter A (Pins 1 und 2 verbunden, Ausgang Pin 3) speist Pin 5 von Gatter B; der Ausgang Pin 4 von Gatter B ist über 1 MΩ auf Pin 6 zurückgekoppelt, 1 µF von Pin 6 nach VSS. Gatter C (Pins 8 und 9 verbunden) puffert Pin 4; Ausgang Pin 10 treibt eine LED über 2,2 kΩ.
Gatter A entprellt den Taster, Gatter B ist ein Oszillator, der nur läuft, solange Pin 5 HIGH ist, und Gatter C puffert die LED, damit die Last das Timing nicht stört.

Aufbau auf dem Steckbrett an 5 V:

  1. Den MC14093BCP über die Mittelrille stecken. Pin 14 an +5 V, Pin 7 an 0 V, 100 nF dazwischen.
  2. Entprellnetzwerk: 100 kΩ von +5 V zu einem Knoten, den wir X nennen; 100 nF von X nach 0 V; den Taster in Reihe mit 10 kΩ von X nach 0 V.
  3. Gatter A als Inverter: Pins 1 und 2 verbinden und an X legen. Pin 3 liefert das saubere Signal „Taster gedrückt“.
  4. Gatter B als gesteuerter Oszillator: Pin 3 an Pin 5. 1 MΩ von Pin 4 nach Pin 6 und 1 µF von Pin 6 nach 0 V (Elko: Minus an 0 V).
  5. Gatter C als Puffer: Pins 8 und 9 zusammen an Pin 4. Von Pin 10 über 2,2 kΩ zur Anode der LED, Kathode an 0 V.
  6. Gatter D bleibt unbenutzt: Pins 12 und 13 an 0 V, Pin 11 offen.

Ein vollständiger Tastendruck, Schritt für Schritt

  1. Ruhe. 100 kΩ zieht X auf 5 V. Beide Eingänge von Gatter A sind HIGH, also ist Pin 3 LOW. Ein LOW an Pin 5 zwingt den Ausgang von Gatter B (Pin 4) auf HIGH, egal was Pin 6 tut; der Kondensator lädt sich auf 5 V auf, und der Oszillator ruht. Gatter C invertiert das HIGH, Pin 10 ist LOW und die LED aus.
  2. Drücken. Der Taster verbindet X über 10 kΩ mit 0 V. Der 100-nF-Kondensator entlädt sich mit einer Zeitkonstante von etwa 0,9 ms und pendelt sich bei 5 V × 10 k / 110 k ≈ 0,45 V ein – sicher unter dem kleinstmöglichen VT− (1,63 V). Sobald X VT− unterschreitet, geht Pin 3 genau einmal auf HIGH.
  3. Prellen. Die Kontakte prellen einige Millisekunden lang. Jede kurze Öffnung lädt den Kondensator über 100 kΩ (Zeitkonstante 10 ms) nur wenig auf, weit unter VT+, also bleibt Pin 3 HIGH. Ohne Schmitt-Eingang und Kondensator würde ein Zähler wie im Leitfaden zum MC14027B-J-K-Flipflop jeden Preller mitzählen.
  4. Blinken. Pin 5 ist jetzt HIGH, also invertiert Gatter B das Signal an Pin 6. Pin 4 ist HIGH, der 1-µF-Kondensator lädt sich über 1 MΩ auf; überschreitet er VT+, geht Pin 4 auf LOW und der Kondensator entlädt sich; unterschreitet er VT−, geht Pin 4 wieder auf HIGH. Die Kondensatorspannung pendelt zwischen den beiden Schwellen, und Pin 4 liefert ein Rechtecksignal. Gatter C invertiert es, und die LED blinkt.
  5. Loslassen. X lädt sich über 100 kΩ wieder auf. Nach etwa 4–17 ms (0,45–1,7 Zeitkonstanten, je nachdem, wo VT+ bei diesem Exemplar liegt) überschreitet X VT+, Pin 3 geht auf LOW, Gatter B stoppt mit Pin 4 auf HIGH, und die LED erlischt.

Wie schnell blinkt es?

Der Kondensator bewegt sich nur zwischen VT− und VT+, daher hängt die Periodendauer von den Schwellen ab: T ≈ R·C·[ln((VDD−VT−)/(VDD−VT+)) + ln(VT+/VT−)]. Mit den typischen Werten bei 5 V ergibt das etwa 0,21 × R·C; 1 MΩ und 1 µF liefern also rund 0,2 s pro Periode, etwa 5 Hz. Da die Hysterese irgendwo zwischen 0,17 und 0,6 V liegen kann, blinkt ein anderes Exemplar vielleicht mit etwa 2 Hz oder 7 Hz. Nutzen Sie die Formel als Abschätzung und passen Sie R oder C an; für eine genaue Frequenz nehmen Sie einen Quarz oder einen eigenen Timer-Baustein.

Grenzen, die Sie kennen sollten

  • Schwache Ausgänge. Bei 5 V garantiert die CP-Version nur 0,44 mA Quellstrom bei 4,6 V bzw. 2,1 mA bei 2,5 V. Mit 2,2 kΩ erhält die LED etwa 1 mA, also eine hocheffiziente LED wählen. Für mehr Strom steuert Pin 10 einen NPN-Transistor an.
  • Geschwindigkeit. Die typische Laufzeit beträgt 125 ns bei 5 V (maximal 250 ns). Ideal für Taster, Sensoren und Oszillatoren bis in den kHz-Bereich, nicht für schnelle Buslogik.
  • Eingangsspannung. Alle Eingänge zwischen VSS und VDD halten. Signale aus einer anderen Versorgung brauchen eine Pegelanpassung.
  • Kontakte. Der 10-kΩ-Widerstand begrenzt den Strom, wenn der Taster den Kondensator entlädt, und schont so die Kontakte.

Das vorrätige Bauteil und Quellen

Vorrätig ist der Motorola MC14093BCP: vier NAND-Schmitt-Trigger mit je zwei Eingängen im 14-poligen Kunststoff-DIP. Pinbelegung, Gehäuse, Schwellen und Zeiten in diesem Leitfaden stammen aus den MC14093B-Seiten des Motorola-Datenbuchs CMOS Logic Data von 1988; das aktuelle Datenblatt von onsemi beschreibt denselben Baustein.

Zur Produktseite des MC14093BCP · MC14093B-Datenblatt (onsemi) · Motorola CMOS Logic Data (1988)