erstellt  05.05.2012
Dunkelschaltung mit CMOS Schmitt-Trigger
Diese Schaltung dient dazu ein  armes Opfer vom Schlaf abzuhalten.
Dazu versteckt man die Schaltung einfach im Zimmer des Opfers.
Wird das Licht ausgeschaltet fängt der Piezo an zu summen ,springt das Opfer nun verärgert aus dem Bett
und schaltet das Licht an, um der Sache auf den Grund zu gehen, ist die Schaltung binnen Sekundenbruchteile wieder still,
da der Summer sofort wieder Ruhe gibt sobald Licht auf den Fotowiderstand fällt.

Mit dem CMOS Baustein 4093 den  man unter diversen ähnlichen Bezeichnungen erhält z.B. MC4093 , MOS4093 ....... 
kann man ohne allzu großen Aufwand so einiges an Experimente  anstellen.  Er ist so etwas wie ein Universal Baustein  mit den Vorteilen
das er relativ gut zu  bekommen ist , eine geringe Stromaufnahme hat , große Eingangswiderstände auf weist ,einigermaßen robust ist
und mit einen großen Betriebsspannungsbereich auskommt und natürlich relativ Preiswert zu bekommen ist( aktuell 0,20 Euro).
Hier erst einmal einige Details:
Eingangswiderstand ca 10 000 Mega Ohm
Ausgangsstrom bis 10 mA pro Ausgang
Betriebsspannungbereich 3 - 16 Volt je nach Typ

Meist gibt es diese Bausteine als 14 polige DIL Sockel ( DIL ist die Abkürzung für Dual In Line , was soviel bedeutet wie zwei in Reihe
 damit sind die Anschlussbeinchen gemeint.)

In diesem Baustein , der gemeinhin als IC ( IC ist die Abkürzung für Integrated Circuit
und bedeutet Integrierter Schaltkreis)
bezeichnet wird befinden sich mehrere  sogenannte Gatter
( als Gatter werden die einzelnen Elektronischen Einheiten genannt von denen sich meist mehrere in einem IC befinden die einer eindeutigen Logik folgen , z B. wenn beide Eingänge Plus aufweisen ist auch der Ausgang Plus , es gibt also in diesen Bausteinen keine Zwischenwerte sondern nur Plus oder Masse oder auch Spannung vorhanden oder keine Spannung , man bezeichnet eine vorhanden Spannung auch als 1 oder HIGH und eine nicht vorhandenen Spannung als O oder LOW .)


Das IC 4093 weist also vier dieser Gatter auf , also 4 Schmitt Trigger mit jeweils zwei Eingänge und einen Ausgang.
Falls benötigt benutzt man einen von diesen oder evtl. auch gleich mehrere.
Der großer Vorteil dieser IC's ist die Betriebsspannung die obwohl 4 Schmitt Trigger integriert nur einmal benötigt wird.
Diese CMOS IC's haben den Vorteil das die Eingänge sehr hochohmig sind und somit auch zum ansteuern sehr wenig Strom benötigen
( ca 5 pA), das wiederum birgt aber auch gewisse Nachteile, auf die ich später noch drauf zurück komme.

Es gibt eine Menge andere IC's die auch sogenannte Gatter beinhalten, also auch integrierte Bausteine haben die mit irgend welche Zeichen versehen sind, diese Zeichen sind aber nicht willkürlich gewählt damit die Schaltung schöner aussieht, sonder jedes dieser Zeichen sagt etwas über die Funktion dieser Gatter aus. Das Zeichen welches wir im Bild  sehen ist ein genormtes Zeichen für einen Schmitt Trigger, wenn wir uns den markierten Schmitt Trigger ( Anschluss 1-2-3) betrachten erkennen wir am Ausgang einen kleinen Punkt oder Kreis, der auch eine Bedeutung hat, der besagt nämlich das dass Ausgangssignal negiert wird, aus Plus wird also  Null und ( oder) aus Null wird Plus. Um das zu verstehen gibt es sogenannte Wahrheitstabellen, der ein oder andere hat bestimmt schon einmal so etwas gesehen wusste aber vielleicht nicht so recht etwas damit anzufangen. Eine Wahrheitstabelle gibt die Funktion des Gatter ( hier Schmitt Trigger ) genau an.

Kommen wir nun zu Funktion eines solchen Gatter, also erst einmal Digitale ICs und ein solches ist unser CMOS Baustein arbeiten nur mit zwei Grundzustände,
diese kann man mit Relais durchaus vergleichen, also Spannung vorhanden = Relais zieht an oder keine Spannung vorhanden = Relais fällt ab.

Da man CMOS IC's nicht wie beispielsweise TTL  IC's nur mit einer festen Betriebspannung betreiben kann,sondern hier kann die Betriebsspannung  zwischen 3 und ca 16 Volt liegen , betrachtet man alles  in der unteren Hälfte der verwendeten Betriebsspannung als Null und alles in der oberen Hälfte als 1 .
Beispiel:
Ich verwende als Betriebsspannung 9 Volt dann wird alles unterhalb von 4,5 Volt als Null betrachtet und alles oberhalb von 4,5 Volt als 1 betrachtet.
Diese Betriebszustände nennt man also Null und Eins, gleichbedeutend mit Spannung nicht vorhanden und Spannung vorhanden, oder manchen sagen auch LOW oder High, kommt aus dem englischen und bedeutet LOW = niedrig  und HIGH = hoch .
Diese Schaltschwelle ändert sich also mit der Höhe der Betriebsspannung, ist aber Prozentual immer gleich.

Betrachten wird die Funktion erst einmal anhand eines Relais-Plan (Bild 3) und anhand der schon angesprochenen Wahrheitstabelle, daran erkennt man in Zeile 1 der Tabelle das wenn der Eingang 1 AUS ist und der Eingang 2 AUS ist der Ausgang dann An ist (Plus).
Da wir zwei Schalter oder besser gesagt zwei Eingänge zu Verfügung haben gibt es insgesamt  vier Möglichkeiten der Schalterstellungen, nach dem gleichen Prinzip funktioniert ein Schmitt Trigger Gatter Bild-4


Wahrheitstabelle
Zeile
Eingang 1
Eingang 2
Ausgang
1
Aus (0)
Aus (0)
Plus oder 1
2
Ein (1)
Aus (0)
Plus oder 1
3
Aus (0)
Ein (1)
Plus oder 1
4
Ein (1)
Ein (1)
Minus oder 0
Copyright by Schrod Manfred
Bild 3





Bild 4
Kommen wir nun zum Eigentlichen Schaltung, diese besteht aus den folgenden Bauteile :
1 Stk Fotowiderstand
2 Stk Trimmwiderstände
1 Stk Kondensator
1 Stk Piezo
1 IC mit 4 Schmitt Trigger davon werden aber nur zwei Gatter benötigt.



Zur Funktion
Sobald es dunkel wird fängt der Piezo an einen Ton von sich zu geben solange bis der Fotowiderstand wieder Licht sieht, der Ton kann im gewissen Bereich mit R1 eingestellt werden , und die Schaltschwelle , also der Übergang vom dunkel zu hell kann mit P1 eingestellt werden.
Im Plan oben ist eine Betriebsspannung zwischen 5 und 15 Volt angegeben, gehen wir aber einmal davon aus das wir eine 9 Volt Block Batterie benutzen dann teilt sich die Betriebsspannung im Verhältnis der Widerstande auf  also 9 Volt aufgeteilt auf 25 + 1 Kilo Ohm  macht gleich 9 Volt geteilt durch 26 Kilo Ohm. Somit würden pro  Kilo Ohm  0,34 Volt abfallen, und damit  liegt am oberen Eingang des ersten Schmitt Trigger  weniger als die Hälfte der Betriebsspannung an  und wird  vom Schmitt Trigger als 0 gewertet.
Sehen wir jetzt in der Wahrheitstabelle nach erkennen wir das sobald am Eingang 1 eine O erkannt wird am Ausgang eine 0 ausgegeben wird unabhängig davon was am Eingang  2 anliegt. Somit hat die Schaltung erst einmal keine Funktion.

Ändert sich jetzt der Fotowiderstand indem er abgedunkelt wird auf beispielsweise 36 Kilo Ohm sehen die Spannungsverhältnisse völlig anders aus.
Nehmen wir wieder unsere 9 Volt Versorgungsspannung und teilen sie durch 25 Kilo  + 36 Kilo so kommen wir auf 9 Volt durch 61 Kilo somit fallen pro Kilo Ohm 0,14 Volt ab . Nehmen wir den jetzt erhöhten Fotowiderstand von 36 Kilo Ohm mal 0,14 Volt so kommen wir am Fotowiderstand auf 5,3 Volt.
Damit wurde mehr als die Hälfte der Betriebsspannung erreicht und unsere Schmitt Trigger erkennt diesen Zustand als 1
Sehen wir jetzt in die Wahrheitstabelle stellen wir fest das sobald eine 1 am Eingang 1 oder am Eingang 2 erkannt wird ,wird der Ausgang auch auf 1 umgeschaltet also liegt am Ausgang fast die volle Betriebsspannung an . Über diese Betriebsspannung wird jetzt der Kondensator über den Trimmer R1 langsam aufgeladen wobei langsam relativ ist. Sobald  der Kondensator aufgeladen ist liegt auch am Eingang 2 des Schmitt Trigger die Positive Betriebsspannung an also eine 1, jetzt sehen wir wieder in die Wahrheitstabelle und schauen was passiert wenn am Eingang 1 und am Eingang 2 eine 1 anliegt.
In Zeile  4 der Tabelle erkennen wir das sobald an beiden Eingängen eine 1 anliegt der Ausgang automatisch auf 0 springt. Ist aber der Ausgang auf Null so entlädt sich der Kondensator über den Schmitt Trigger bis er fast leer ist somit liegt wieder eine 0 am Eingang 2 und der Vorgang beginnt von neu. Der Schmitt Trigger Oszilliert also jetzt mit einer gewissen Frequenz die abhängig ist von der Größe des Kondensators und des Trimmer R1. Mit dieser Frequenz wird der Piezo angeregt und gibt nun einen hörbaren Ton von sich der verstummt sobald Licht auf den Fotowiderstand fällt.
Der zweite Schmitt Trigger ist nicht zwangsläufig notwendig sonder entkoppelt den Piezo nur vom ersten Schmitt Trigger der dadurch in seiner Frequenz stabiler läuft und erhöht gleichzeitig die Leistung für den Piezo der dann etwas lauter ertönt.
Am zweiten Schmitt Trigger  erkennen wir dass man Eingänge auch parallel schalten kann und auch bei Ausgängen ist es Prinzipiell möglich.
Mit P1 können wir die Schaltschwelle zum Umschalten von Hell auf Dunkel einstellen.Und mit R1 können wird die Frequenz des Piezo ändern also den Ton in seiner Frequenz ändern.
Durch einfaches vertauschen von P1 und LDR1 kehrt sich die Funktion um , somit ertönt dann ein Ton wenn es Hell ist und verstummt wenn der Fotowiderstand abgedunkelt wird.


Noch einiges Grundsätzliches zu CMOS Bausteien
Nicht benutzte Eingänge sollte man Grundsätzlich auf Masse oder Plus Potenzial anschließen, weil die sehr empfindlichen  Eingänge  durch Umwelteinflüsse ( Elektro Statik )  ungewollt  Werte von 0 oder 1 annehmen können , es können dadurch Fehlfunktionen ausgelöst werden , oder zumindest aber können Gatter dadurch aktiviert werden die somit unnützen Strom verbrauchen.
Aber Achtung
Nur  Eingänge und auf keinen Fall die Ausgänge auf Plus oder Minus legen

Und so sieht das ganze Experiment komplett aus.
Anhang


Datenblatt CMOS 4093


Datenblatt HEF 4093B


Schaltplan als Splan Datei


Splan Betrachter


aktualisiert 18.12.2016