Dit keer weer eens een digitale avond met gelijk wat ontwerpen met een aantal bekendste IC´s van de CMOS-serie. De:

HEF 4011	2 input AND poort	4x in een behuizing
HEF 4093	2 input NAND poort (Schmitt-trigger)	4x in een behuizing
HEF 40106	1 input NAND poort (Schmitt-trigger)	6x in een behuizing
HEF 4013	flipflop	2x in een behuizing

Deze types zijn wel de meest veelzijdige IC’s waar enorm veel verschillende ontwerpen kan worden gemaakt. Als eerste werd in vogelvlucht de werking van een AND en een NAND poort besproken en in waarheidstabel uitgelegd. Zie tekening1.

Daarna de werking van de Schmitt-trigger en de berekening van de tijdsbepalende elementen. Zie tekening 2.

Als voorbeeld van de veelzijdigheid van de HEF 4093 heb ik een aantal schakelingen ontworpen / gemaakt - en in het radiocafé besproken én gedemonstreerd.

Sinus blokspanning omzetter
De eerste schakeling is een sinus blokspanningomzetter met HEF 40106. Zie tekening 3.

Aan de ingang wordt een LF-sinusgenerator aangesloten waarbij aan de uitgang een blokspanning verschijnt. De uitgangspanning is te regelen met P2 (10k ) en het max output bedraagt 10 volt bij een voedingspanning van 10 V. Door het zeer lage stroomverbruik van ca 1,5 mA kan ook een 9 V batterij worden gebruikt maar dan zal de maximale uitgangspanning ook 9 volt zijn, dit is ruimschoots voldoende om bijvoorbeeld versterkers uit te testen.

De schakeling heeft een bandbreedte vanaf 1 Hz tot 200.000 Hz met een uitstekende stijgtijd. Doordat de schakeling steeds schakelt van 0 naar plus is de amplitude over het gehele bereik even groot. Er is ook nog een potmeter (P1) aangebracht om de blok symmetrisch in te stellen.

Puls schakelaar aan / uit

Deze schakeling is bedoeld om met één druktoets een relais te activeren en te deactiveren (één keer drukken áán, en weer drukken uit ) de voedingspanning bedraagt 12 – 15 V. Zie tekening 2a en 4.

De HEF 4013 is een flipflop wat betekent, dat als er op de ingang van dit IC (P11) spanning of puls wordt toegevoerd van 0 naar 1 (0 naar plus), wordt de uitgang Q een 1 (plus 12 V) en blijft in deze toestand. Wordt deze procedure herhaald van 0 naar 1, wordt de uitgang Q weer een 0 (0 V) en blijft in deze toestand. Resumerend: Bij iedere puls van 0 naar 1 treedt er een verandering op aan de uitgang Q.

Bij Q is 1 wordt via de 10k weerstand de BC547 uitgestuurd én het relais schakelt in. Verandert de ingang op P11 van 1 naar 0 (plus naar nul), gebeurt er niets en het relais blijft ingeschakeld. Bij de volgende spanning of puls van 0 naar 1 wordt de uitgang Q weer een 0, gevolg dat de BC547 geen sturing meer krijgt via de 10k weerstand en valt af, en deze procedure kan steeds worden herhaald.

Voor de goede werking moet de verandering van de ingang van 0 naar 1 zeer snel zijn, vandaar dat er een zeer snelle pulsgever aan de ingang van de HEF 4013 moet worden geplaatst en het Schmitt-trigger IC gebruikt, 1/4 HEF 4093.
Deze werkt als volgt: als de druktoets nog niet is ingedrukt is, zijn beide ingangen van dit IC op P1en P2 een 0 (0 V). Op de elco van 4u7 staat nog géén spanning (0 V), in deze toestand staat er een 1 (plus) op.

De uitgang van de 4093 P3 en op de ingang van de 4013 P11, er gebeurt niets.
Wordt nu de druktoets even ingedrukt zal de elco van 4u7 via een zeer lage weerstand van 47 ohm direct opladen, gevolg dat P1 en P2 van de 4093 een 1 (plus) wordt, en op de uitgang P3 verschijnt een 0.

De flipflop 4013 doet niets, omdat het een puls of spanning van 1 naar 0 is. Via de 100 k weerstand zal de elco van 4u7 ontladen totdat het 1/3 van de spanning heeft bereikt. Dit is het omschakelpunt van de 4093 en zal zeer snel de uitgang op P3 veranderen van 0 naar een 1, en de 4013 zal omschakelen met een 1 op de uitgang Q (P13), het relais komt op.

Wordt de toets weer ingedrukt, herhaalt de procedure zich weer en het relais valt weer af. De tijd van indrukken van de toets en het schakelen van de 4093 is 0,25 s. Door de elco 4u7 en/of de weerstand van 100 k groter te maken kan er ook nog een tijdschakelaar van worden gemaakt, zelfs met een zeer lange tijd omdat het hier om een ontlading van de elco betreft, en geen laadtijd waarbij de eigen lek van de elco een rol gaat spelen.

Audio blok generator

Nog even een audiogeneratorontwerp gemaakt, wat voor bijna iedere audioliefhebber prima is te gebruiken en door het extreem lage stroomgebruik (circa 1,5 mA ) op een simpel 9 V batterijtje kan worden aangesloten, wat zo’n 200 uur mee gaat. Het gebruikte IC is de HEF 40106 (door één ingangspoort naar de plus aan te leggen is de HEF 4093 er ook prima geschikt voor). De audiogenerator heeft een bereik van 20 – 200.000 Hz in vier stappen. De potentiometer p1 van 250 k lineair dient voor het regelbereik en regelt:

Stap  1    20 Hz  – 200 Hz
 ,,   2   200 Hz  –   2 kHz
 ,,   3     2 kHz –  20 kHz
 ,,   4    20 kHz – 200 kHz

De schakeling werkt als volgt : IC 1A is als oscillator geschakeld. Bij het aanzetten van de voedingspanning zal op dat moment de aangeschakelde condensator een 0 zijn (0 V). De ingang P1 is ook een 0, wat resulteert dat de uitgang op P2 dat moment een 1 is (+UB). De condensator wordt nu opgeladen via R1/ P1 tot zo’n 0,7 x UB, dit is het schakelpunt waarbij de Schmitt-trigger gaat omschakelen.

De Schmitt-trigger ziet nu de ingang P1 van ICA als een 1, wat resulteert dat de uitgang P2 een 0 wordt (0 V). De condensator ontlaadt zich via P1/R1 tot de spanning over de condensator zo’n 1/3 van +UB heeft bereikt en de Schmitt-trigger ziet de ingang weer als een 0, en schakelt de uitgang P2 weer naar een 1 (+UB). Dit wordt steeds herhaald. De herhalingstijd dat dit gebeurt hangt af van de waarde van de condensator en de weerstand. Des te hoger de waarde van de condensator en weerstand is, hoe trager dit verloopt (RC).

Op tekening 5 staat een formule hoe dit kan worden berekend. Om een zo mooi mogelijke blokspanning aan de regelbare uitgang te verkrijgen zijn er nog twee extra poorten aan toegevoegd, ook mede om de oscillator niet te belasten. Als een batterij bij het gebruik wat gaat ontladen, zal er een hogere inwendige weerstand ontstaan, en de schoonheid van het bloksignaal iets aantasten. Om dit te voorkomen is er een grote elco en een condensator geplaatst over de voeding, en is dit probleem opgelost. Als laatste werd besproken en gedemonstreerd: de pulsbreedteregelaar.

Pulsbreedteregelaar voor motoren en lampen voor hoog vermogen

In het radiocafé werd een vraag gesteld door de Heer van der Vinden over een pulsbreedteregelaar, die een zware DC motor kon regelen om een invalidewagentje harder of zachter te laten rijden, maar dan wel een regeling met géén of dan wel met zo min mogelijk eigen vermogensverlies. Gelijk dacht ik aan de HEF 4093, die voor dit doel een prima geschikt IC is, voor een pulssturing. In een korte tijd het ontwerp getekend (zie tekening 6), berekend én gebouwd en gedemonstreerd.

De werking: de oscillator (IC1A) werkt op hetzelfde principe als de audioblokgenerator met het verschil dat deze op een vaste frequentie werkt van 425 Hz, en door middel van de diodes D1 en D2 de laad- en ontlaadtijd kan worden geregeld. Om de oscillator niet te belasten zijn hier achter nog eens twee buffers (IC1B en 1C) geplaatst. Achter IC1C is nog eens een zeer laagohmige buffer (BC547B / BC557B) geplaatst om de stroom van de laad- en ontlaadtijd te voeden, omdat bij P1 in maximaal en minimale stand het IC zelf de laad- en ontlaadstroom dan nauwelijks kan leveren, en op den duur het einde van het IC betekent.

Tevens dient de buffertrap er voor om de gate capaciteit van de BUZ11 snel te laden en te ontladen, wat resulteert in het snel in en uit schakelen van de FET, met nagenoeg geen dissipatie. In serie met de gate is nog een kleine weerstand van 47 ohm aangebracht om HF-oscillatie tegen te gaan. Het pulsbereik kan met P1 worden geregeld van 1% tot 99% van de blokspanning (zie tekening 2d).

In dit ontwerp is een BUZ11 gebruikt en kan schakelen zonder probleem tot zo’n 6 - 8 ampère. Om grotere vermogens FET’s te gebruiken is geen enkel probleem.

Nb: Bij verschillende fabrikanten zijn de trigger punten Vp en Vn van de 4093 en de 40106 verre van gelijk aan elkaar, wat resulteert in een kleinere Vh (zie tekening 2c). Dit heeft invloed op de R-C tijd van de schakeling. Deze schakelingen zijn ontworpen met de HEF-serie. Bij een CD of een andere MOS-serie kan de uitkomst anders zijn.

Gyula Kiss