1. Teilerschaltkreis E351D
  2. Funktion
  3. Kenndaten
  4. Einsatzhinweise
  5. Haupteinsatz für den E351
  6. Weitere Einsatzbeispiele E351D
  7. Verwandte Themen

Zur besseren Übersicht zeigt Bild unten die Wirklinien innerhalb des Schaltkreises, bezogen auf die Anschlussbelegung.
Die Setzeingänge erfordern einen L-Impuls von wenigstens 10 μs Breite. Während des Setzens müssen die zugeordneten Teilereingänge H-Pegel führen - eine von der gattersparenden Auslegung des Schaltkreises bedingte Forderung.
Die Ausgänge schalten beim Setzen auf H, und mit dem ersten Takt-L gehen alle Ausgänge auf L. Unabhängig vom Tastverhältnis am Eingang liefern die Ausgänge für die geteilten Frequenzen feste Tastverhältnisse von 1:1. Die Mindestbreite der Taktimpulse muss 5 μs betragen. Der E351D hat daher eine dem E355D entsprechende obere Grenzfrequenz von 105 kHz (garantiert). Beliebig langsames Takten ist dagegen - wie auch beim E355D - möglich.
Maximal 20 μs dürfen die Anstiegs- und Abfallzeiten betragen. Daher ist der E351D in Logikschaltungen niedriger Frequenz auch von den Ansteuerbedingungen her günstiger als übliche TTL-Schaltungen mit ihren weit schärferen Forderungen bezüglich Anstiegszeit. Hinzu kommt, dass der E351D auf Störimpulse von weniger als 1 μs Breite praktisch nicht mehr reagiert.
Zwischen Eingangssignal und Ausgangsreaktion ist mit relativ großen Verzögerungszeiten zu rechnen (bis 100 μs, je nach Anzahl der hintereinandergeschalteten Teilerketten), da die Teiler - siehe schon Bild unten - asynchron arbeiten.
Alle Teiler sind durch Ein- und Ausgangsverstärker TTL-angepasst. Ausgangsseitig liegen Open-collector-Stufen vor. Solange dort nur der nächste Eingang angeschlossen wird, braucht man dabei keine externen Bauelemente. Zum Auskoppeln etwa auf ein TTL- oder CMOS-Gatter oder zu einer Transistorstufe wird dagegen ein Widerstand nach U_CC benötigt. Sein Richtwert liegt bei 1,8 kΩ.
Als Einsatzhilfe zeigt Bild 7.85 das Verhalten der Ausgänge beim Setzen und Takten.

Tafel 1 - Realisierbare Teilerverhältnisse mit dem E351D - Zwischenverbindungen bedeuten auch entsprechende Zwischenausgaben; Teilerreihenfolge beliebig; Setzzuordnung beachten!

Der E351D hat damit folgende typischen Merkmale:

• für zahlreiche Teilerverhältnisse programmierbar

• durch I²L-Technologie relativ geringer Energiebedarf (bei U_CC = 5 V weniger als 7 mA Stromaufnahme)

• TTL-kompatibel bei U_CC = 5 V, jedoch bis 7,25 V einsetzbar (U„, min = 2,4 V beachten!

• Arbeitsfrequenz 0 bis mindestens 105 kHz

• setzbar in 2 Teilergruppen

• relativ hohe Anstiegs- und Abfallzeiten zulässig (20 μs)

• unempfindlich gegen Störnadeln < 1 μs

• mit E355D zusammen in Langzeittimern verwendbar (bis zu 40 Tagen in der Hauptfrequenzlage des E355D).

Tafel 2 - Anschlussbelegung des E351D

Bild 5 - Gehäusebauform des E351D

Tafel 3 -  Grenzwerte des E351D, gültig für den Betriebstemperaturbereich

Tafel 4 - Betriebsbedingungen des E355D

Tafel 5 - Elektrische Kennwerte des E351

Bild 6 - zum E355D

Taktgenerator: Mit einem einfachen CMOS-Taktgenerator nach Bild unten können in 2 Bereichen Taktfrequenzen zwischen 10 Hz und 1 kHz erzeugt werden. Die andere Hälfte des verwendeten V4011D steht dabei entweder als Puffer oder für Start-Stop-Zwecke u. ä. zur Verfügung. In Verbindung mit einem nach Tafel oben entsprechend programmierten E351D kann man dadurch Zeiten zwischen Sekunden und nahezu einer Stunde realisieren, deren Genauigkeit der des E355D nur wenig nachsteht. Voraussetzung ist der Einsatz von zeitlich und thermisch stabilen Kunstfoliekondensatoren.

Bild 7 -  Zwischen etwa 10 Hz und 1 kHz einstellbarer Taktgenerator für E351D

Kurzzeittimer: Für den Zeitbereich von einigen Sekunden als Beispiel entstand der Dunkelkammertimer nach Bild oben. Daher genügten TTL-Gatter im Taktgenerator. Der relativ hoch erscheinende Aufwand von 2 x DL000D (ursprünglich 2 x D100D) in der Steuerung ergibt sich aus folgendem Grund: Bei direkter Startsteuerung über Mikrotaster werden die Teiler des E351D nicht immer zuverlässig komplett gesetzt. Daraus resultierten verkürzte Aktivzeiten. Erst das Entprellen mit einem Gatter-Flipflop brachte zuverlässige Funktion. Das Beispiel verknüpft Ein- und Ausgänge des E351D und soll darum etwas näher erläutert werden. Der durch ein Gatter vom Eingang des E351D getrennte Impulsgenerator kann mit R zwischen etwa 470 kΩ und 1,5 kΩ im Frequenzverhältnis 1:3 eingestellt werden. Höhere oder niedrigere Werte stellen bei normaler TTL die Funktion in Frage. Man wählt daher für die nötige Taktfrequenz einen in diesem Bereich "passenden", möglichst reststromfreien und in der Kapazität stabilen Kondensator aus und gleicht mit R nur noch auf den genauen Zeitwert ab. Der Generator kann über einen freien Gattereingang gestartet (H) und gestoppt (L) werden. Dieser Start-Stop-Befehl wurde auch dem Trenngatter zugeführt, so dass sich an IT1 ein nahezu unverzögertes H bei Stop ergibt.

Bild 8 - Kurzzeittimer mit E351D (Beispiel: Dunkelkammereinsatz) a) mit „statischem" Startschalter; b) Impulsstart für kurze Zeiten

Das kann für eine andere als die vorgesehene Anwendung sinnvoll sein, wenn nämlich das Setzsignal für den E351D nur als „flüchtiges L" ankommt. Bei H am Takteingang bleibt dann auch fair H an IS der durch das vorangegangene Setz-L ausgelöste Setzzustand (alle Ausgänge gesperrt) erhalten. Der Start-Stop-Befehl stammt in der Anwendung nach Bild 7.88 aus dem Gatterausgang des Setzgatters. Sein Ausgang liegt also (auch) an IS1 und IS2, und der Eingang wird sowohl vom angewählten Ausgang des E351D als auch vom Start-Entprell-Flipflop beeinflusst.
Bei Start (kurzes Drücken der Taste) gelangt L an den Gattereingang. Das dadurch an IS1, IS2 erscheinende H gibt die Teiler frei. Da das H gleichzeitig auch den Taktgenerator anlaufen lässt und das Trenngatter „öffnet", kippt die nun folgende H-LTaktflanke die Teiler in die Arbeitslage, und der Vorgang des Teilens läuft ab. Alle Teilerausgänge sind bei Start auf L gekippt und liefern von da an die ihrem Teilerfaktor entsprechende geteilte Taktfrequenz an ihre Ausgänge. Der angewählte Ausgang (z. B. OH) führt also für eine halbe Periodendauer seiner Ausgangsfrequenz L. Dann geht er auf H. Da das Entprell-Flipflop längst wieder in Ruhestellung liegt (Taste S2 am oberen Kontakt, oberer Eingang des Rückführgatters hat bereits H), liefert das Gatter L an Generator, Trenngatter und an die Eingänge IS 1, I S2. Damit nimmt der Takteingang H an, und die Setzeingänge gehen auf L. Das bedeutet, dass der Timer seine Ruhe- bzw. Bereitschaftslage erreicht hat. Seit dem Start ist die Zeit „aktiv" verstrichen, die praktisch der halben Periodendauer der Taktfrequenz, multipliziert mit dem Zahlenwert des Teilerverhältnisses bis zum angeschlossenen Ausgang, entspricht. Die gewählte (in etwa) j2-Stufung der Belichtungszeiten im Bereich von 1 bis 5,6 s gestattet es, mit einer Ebene eines 12stufigen Febana-Schalters mit 2 x 6 Kontakten auszukommen und mit nur 2 einmalig auf die Toleranzen des Taktkondensators hin abzugleichenden Widerständen mit dem R-Verhältnis von 1:j2. Man gleicht sie am besten in den Stufen 4 und 5,6 s auf Sollzeit ab. Wird C etwa auf den 6fachen Wert gebracht und schaltet man IT3 zwischen OE als „kurzem" und OF als „langem" Zeitbereich um,. so können in der längeren Zeitstufe noch Sprünge zwischen 6 und 33,6 s angewählt werden. Dunkelkammereinsatz legt Batteriebetrieb nahe; die nur 25 mA durchschnittliche Stromaufnahme des Mustergeräts (noch mit D100D) sprechen ebenfalls dafür.
Etwas unterhalb der garantierten Daten arbeitete das Mustergerät mit 3 R6-Zellen (oder auch mit einer Flachbatterie) noch einwandfrei. Eingeschalteter Zustand (gleichzeitig „Bereitschaft") wird durch die rote Signaldiode angezeigt, mit 1 kΩ Vorwiderstand der Schaltung genügend angepasst. Sie ist einerseits hell genug im Dunkelkammerbetrieb, andererseits sind durch sie kaum Fremdbelichtungen zu befürchten. Noch weniger hell ist die bei Bedarf einsetzbare gelbe Taktdiode eingestellt. Drückt man den Taster kurz (und schaltet dabei auch gleichzeitig die Belichtungslampe ein), so geht die Signaldiode aus. Die Taktdiode zeigt, dass nun die am Schalter vorgewählte Zeitspanne in 12 Taktschritten zwischen IT4 und OH (für 1 und 1,4 s), in 24 zwischen IT4 und OI (für 2 und 2,8 s) und in 48 zwischen IT4 und OK (für 4 und 5,6 s) gezählt wird. Danach signalisiert die rote Signaldiode, dass die Fotolampe wieder abzuschalten ist. Sachkundige können die Signaldiode - dann aber besser hinter einem Kleinleistungstransistor - durch einen Optokoppler ersetzen und über seinen Ausgang in den Lampenkreis eingreifen. Bei extrem kurzen Zeiten empfiehlt sich die Eingabe nach Bild 8.

Periodischer Langzeitschalter: Dies ist das andere Extrem für den Einsatz eines E351D. Bild 9 zeigt die geforderten Bedingungen. In dieser Anwendung fungiert ein B555D in Verbindung mit einem MKL-Kondensator als Tieffrequenz-Taktgeher.

Bild 9 - Vorgaben für einen Langzeittimer

Die Steuerung wird zu einem festen Zeitpunkt gestartet und kann bei Bedarf zu jedem „Sollzeitpunkt" wieder auf diesen Sollwert hin korrigiert werden. Im Beispiel soll eine Beleuchtungseinrichtung im 24-Stunden-Rhythmus für jeweils 16 Stunden ein- und für 8 Stunden ausgeschaltet werden. An den letzten beiden Ausgängen des E351D erscheinen Impulsfolgen mit einem Gesamtteilerverhältnis von 600 : 48 : 1 bzw. 600 • 96 : 1 mit Tastverhältnis 1:1. Dazu ist dem Takteingang IT1 eine Taktfrequenz mit beliebigem Tastverhältnis zuzuführen. Die jeweils aufeinanderfolgenden Aus- und Eingänge sind zu verbinden: OE mit IT2, OF mit IT3 und OG mit IT4. Für diese Anwendung beachte man, dass unter Extrembedingungen (obere Einsatztemperaturgrenze von 85 °C und maximale Betriebsspannung) laut Standard der Sperrstrom bis zu 250 μA betragen kann. Unter Zimmerbedingungen liegt er jedoch i. allg. unter 1 uA.
Wird also ein pnp-Transistor von einem solchen Ausgang gesteuert, so erfordert das Berücksichtigen von Worst-case-Bedingungen einen Basis-Emitter-Widerstand von weniger als etwa

Da andererseits die Ausgangsbelastbarkeit für U_OL ≤ 0,4 V mit 4 mA angegeben wird, sind

als unterer Grenzwert für den Basisvorwiderstand anzusehen. Dem E351D ist für die gewünschte Wirkung eine Taktfrequenz von 0,5 Hz (= 2 s Periodendauer) zuzuführen, damit der letzte Ausgang für jeweils 16 Stunden auf L und (bei frei schwingendem System zunächst) 16 Stunden auf H schaltet:

d. h., es ist eine Periodendauer des Taktes von 2 s nötig, um 32 Stunden Ausgangsperiode an OK zu erreichen. Da bereits das erste Flipflop im E351D an seinem Ausgang ein Tastverhältnis von 1:1 liefert, ist das Tastverhältnis des Taktes ohne Bedeutung.
Nun sollen laut Aufgabenstellung aber den 16 Stunden L-Zeit nicht 16, sondern nur 8 Stunden H-Zeit folgen. Die zweite „Halbwelle" muss also auf 50 % verkürzt werden. Dazu sind die Pulsfolge am Ausgang OI (f_I = 2f_K) und die Setzeingänge der beiden Teilerketten des E351D heranzuziehen. Die Setzbedingung (vgl. Bild 4) enthält noch die Forderung, dass beim Setzen der Takt auf H stehen muss. Mit einer HL-Flanke an IS werden alle Teiler der zugehörigen Kette auf H geschaltet. Danach muss IS wieder auf H gebracht werden. Anschließend führt die erste HL-Flanke des Taktes dazu, dass alle Ausgänge auf L gehen, und der Zählablauf beginnt. Ein 3-Eingangs-NAND ist damit als Optimum für die Verknüpfung anzusehen. Bild 10 zeigt den resultierenden Impulsverlauf: Nur wenn OI, OK und IT1 (Takteingang) H führen, schaltet das NAND auf L. Der asynchrone Betrieb des E351D (die Teiler kippen nacheinander) stellt sicher, dass diese Bedingung nicht schon nach 16 Stunden gegeben ist (vgl. Bild 10). Dagegen geht OI nach 16 + 8 Stunden wieder auf H, während OK bereits seit 8 Stunden H führt. Sobald nun der Takt sein nächstes H einnimmt, ist die Setzbedingung erfüllt. Das NAND erzeugt einen L-Impuls, der über den Setzbefehl die Ausgänge des E351D auf H schaltet. Damit verschwindet das L wieder, die Setzschaltung gibt die Teiler wieder frei, und die nächste HL-Taktflanke leitet die nächste 16-Stunden-Hellzeit ein.

Bild 10 -  Zwischen etwa 10 Hz und 1 kHz einstellbarer Taktgenerator für E351D

Bild 11 -  Gesamtschaltung des Langzeittimers mit unvollkommener Setzschaltung

Bild 12 -  Verbesserte Setzschaltung mit Möglichkeit automatischer Steuerung

Die Beleuchtungseinrichtung wird vom Ausgang OK gesteuert, der nun gemäß Bild 10 das gewünschte Verhalten zeigt. Ein pnp-Transistor steuert im konkreten Anwendungsfall (Gesamtschaltung siehe Bild 11) über einen Begrenzungswiderstand einen Triac. Sein Gate erhält also 16 Stunden lang einen Gleichstrom von etwa 50 mA und ist danach für 8 Stunden gesperrt. Auch während dieser Zeit liegt an der Steuerschaltung Netzpotential. Die gesamte Einrichtung ist daher schutzisoliert gegen ihre Umgebung in einem schlagfesten Isoliergehäuse unterzubringen. Eine Netzschnur und eine eingebaute Steckdose für den Lampenanschluss sind die einzigen Verbindungen zur Außenwelt. Zum Eintakten bzw. für eventuelle spätere Zeitkorrekturen kann der Setzanschluss im einfachsten Fall über eine nichtrastende, ebenfalls sicher isolierte Taste kurzzeitig an Masse gelegt werden. Perfekter und von außen steuerbar ist der Zusatz nach Bild 12. Für viele Einsatzfälle stört es kaum, wenn infolge der Ungenauigkeiten bzw. thermisch-zeitlicher Abhängigkeiten der Bauelementewerte im Oszillator eine Unsicherheit von z. B. 1 % der Gesamtzeit zustande kommt. Daher wird meist eine z. B. wöchentliche Korrektur zum Sollzeitpunkt durch kurzen Druck auf die isolierte Taste genügen.
Bei Inbetriebnahme der Schaltung empfiehlt sich ein Test im Zeitrafferbetrieb. Dazu wird der zeitbestimmende Kondensator z. B. auf 6,8 nF verringert. Kennt man seinen tatsächlichen Wert und auch den des später einzusetzenden MKL- oder MKT-Typs, so kann damit ein recht guter Zeitabgleich bereits in 1/1000 der Echtzeit vorgenommen werden. Das sind 57,6 s bei Bauelemente-Nennwerten.
Aber auch am endgültigen Zeittakt ist es möglich, einen Kurzzeitabgleich vorzunehmen. Das erlaubt der Ausgang OE. Dort erscheint - mit einem Tastverhältnis von 1:1 - die auf 1/10 geteilte Taktfrequenz. 10 s Hell- und 10 s Dunkelzeit bedeutet das für eine dort angeschlossene Leuchtdiode. Der Miniaturtyp VQA15 mit seinem angemessenen Vorwiderstand für ausreichende Helligkeit nach Plus eignet sich dafür. 10 s aber lassen sich genauer überprüfen als die je 1 s Hell- und Dunkelzeit der Taktkontrolldiode direkt am Ausgang des B555D.
Die Stromversorgung der Einheit erfordert nur einen recht kleinen Transformatortyp. Er muss auf jeden Fall - konzeptionsbedingt - mit im Isolierstoffgehäuse untergebracht werden. Bei etwa 50 mA Triac-Steuerstrom, 15 mA Schaltkreisbedarf, 1 mA für das Steuern des Transistors und ggf. nochmals etwa 4 mA für eine Kontroll-LED werden maximal 70 mA gebraucht (16-Stunden-Teil), in den 8 Dunkelstunden fließen etwa 20 mA.
Es ist sinnvoll, den relativ großen Steuerstromhub von 50 mA für den Triac außerhalb einer Stabilisierungsschaltung zu halten, die für die Schaltkreise (mindestens für E351D und D110D bzw. DL010D) benötigt wird.
Für die Stabilisierung der Schaltkreisspannung wurde ein pnp-Transistor benutzt. Gegenüber einer Z-Diode im „Leistungskreis" ist diese einfache Serienstabilisierung günstiger, da nie mehr als der von der Schaltung selbst benötigte Strom fließt. Die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors liegt dort, wo sich bei Z-DiodenStabilisierung der Vorwiderstand befinden würde. Wegen seiner U_UE von etwa 0,6 V wird eine 5,6-Volt-Z-Diode benötigt, deren Vorwiderstand aber nur noch für den Basisstrombedarf und einen gewissen Z-Dioden-Grundstrom hin dimensioniert sein muss. Selbst bei 11 V Spannung am Ladekondensator belasten nur etwa 120 mW diesen Transistor. Für die vorliegende Schaltung ist eine solche einfache Stabilisierungsschaltung ausreichend.

• 0 - abgelaufene Zeit > 0 bis 25 %
• 2 - abgelaufene Zeit > 25 % bis 50 %
• 4 - abgelaufene Zeit > 50 % bis 75 %
• 6 - abgelaufene Zeit > 75
• 8 - Ende, Ruhezustand (Neustart möglich).

Bild 19 erleichtert das Verständnis dieser Maßnahme.

Diese Schaltung setzt für die Ende-Anzeige den Eingang „Lampentest" voraus. Er ist beim veralteten D147D vorhanden (ursprüngliche Version der vorgestellten Schaltung), aber auch beim U40511D. Wird dieser benutzt, so braucht man eine Anzeige mit gemeinsamer Katode. Das kann - energiesparend - eine VQB37 sein. Der U40511D benötigt wie der D147D Segmentwiderstände, jedoch so gut wie keinen eigenen Betriebsstrom. Wird ein Decoder der Reihe D345D bis D348D benutzt, so fehlt der Eingang Lampentest. Statt der 8 kann man dann den Bereitschafts- bzw. Ende-Zustand auch durch ausgeschaltete Anzeige über den Eingang BI demonstrieren. Statt an LT liegt also der Emitter des Transistors dann an BI. Die Ziffernanzeige muss jetzt wieder eine Ausführung mit gemeinsamer Anode sein.
Bei größeren Sperrströmen in OH und OI sind Widerstände von etwa 3,3 kΩ nach +U_CC zu empfehlen. Das gilt auch für mögliche Störbeeinflussung von IB und IC.

Bild 14 -  Timer mit Tonsignal am Ende der Aktivzeit

Bild 15  - Impulsdauer gemäß Vorgabe nach Bild 9

Bild 16 -  Standinformationen über 7-Segment-Ziffemanzeige (LT gilt für D147D, siehe Text)

Bild 17 a -  Start einer Schalteinrichtung hinter einem E351D mit Sofortstart

Bild 17 b -  Start einer Schalteinrichtung hinter einem E351D mit verzögertem Start

Bild 18 -  Standortinformationen über 7-Segment Ziffernanzeige (LT gilt nur für 4747)

Bild 17 b -  Start einer Schalteinrichtung hinter einem E351D mit verzögertem Start

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist