Logische Grundverknüpfungen

 Mit den Bauteilen aus dem Elektronik-Adventskalender lassen sich, wie ich beim Experimentieren herausfand, auf dem vorhandenen kleinen Experimentier-Steckboard z. B. die folgenden Schaltungen aufbauen.

In ihnen wird der jeweilige Transistor als Schalter verwendet. Ohne eine Ansteuerung durch Verbinden von E1 (E2, E4) mit +9V fließt bei keinem der drei BC547B ein Basisstrom und damit auch kein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke. Diese verhält sich wie ein geöffneter Schließer-Kontakt eines Relais. Fließt bei einem der npn-Transistoren ein Basisstrom, wird ihre Kollektor-Emitter-Strecke niederohmig und wirkt damit wie ein betätigter Schließer-Kontakt eines Relais.
Beim pnp-Transistor BC557B ist für eine Ansteuerung der Eingang E3 mit dem Minuspol der Batterie zu verbinden, damit seine Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird.

Verbindet man die einzelnen Transistorstufen sinnvoll mit dem im Elektronik-Adventska-lender vorhandenen Draht und fügt zusätzlich die beiden Leuchtdioden LED1 und LED2 ein, erhält man Schaltungen, mit denen man die logischen Grundverknüpfungen im Experiment begreifen kann. Dies wird im Folgenden erläutert.
Die Leuchtdiode LED3 dient dabei als Pegel-Anzeige.
Um sicher zu sein, dass die gerade entstandene „neue" Schaltung einer bestimmten logischen Verknüpfung entspricht, kann man eine sogenannte Wahrheitstabelle erstellen, in der die jeweiligen Eingangs- und Ausgangszustände als Wert 0 (LED3 leuchtet nicht) oder 1 (LED3 leuchtet) eingetragen werden, und anschließend die eigene Tabelle mit einer in einem Fachbuch angegebenen vergleichen.

NICHT-Verknüpfung (Negation, Inverter)

Alle Transistoren sind als NICHT-Gatter geschaltet. Ist der Eingang E1 (E2, E4) mit dem Pluspol der Batterie verbunden, so leitet der npn-Transistor T1 (T2 , T4). Die jeweilige Kollektor-Emitter-Strecke wird sehr niederohmig im Vergleich zum Kollektorwiderstand von 1 kOhm., und der Ausgang A1(A2, A4) hat den Zustand 0 (Low-Pegel). Bleibt E1 (E2, E4) offen oder wird mit GND verbunden, so ist der npn-Transistor T1(T2, T4) gesperrt, und seine Kollektor-Emitter-Strecke ist im Vergleich zum Kollektorwiderstand sehr hochohmig. An seinem Ausgang A1 (A2, A4) kann mit dem Digital-Multimeter etwa die Spannung der Batterie gemessen werden (Zustand 1, High-Pegel).

Bleibt der Anschluss E3 offen oder wird mit dem Pluspol der Batterie verbunden, ist der pnp-Transistor gesperrt. Der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ist sehr viel größer als der Kollektorwiderstand von 3,3kOhm. An ihm fällt nur eine sehr kleine Spannung von fast 0 V ab (Zustand 0, Low-Pegel). Wird E3 mit dem Minuspol der Batterie verbunden, so leitet der pnp-Transistor T3, und seine Kollektor-Emitter-Strecke wird daher sehr niederohmig im Vergleich zum Kollektorwiderstand von 3,3kOhm. An R6 kann nahezu die gesamte Spannung der Batterie gemessen werden(Zustand 1, High-Pegel).

Die Leuchtdiode 3 mit ihrem Vorwiderstand von 27kOhm dient als Pegelanzeige. Ist ihr Anschluss P mit einem Punkt mit High-Pegel verbunden, leuchtet sie auf.

Im Bild sind die oben beschriebenen Schaltungen auf dem Experimentier-Steckboard des Elektronik-Adventskalenders aufgebaut.

Verbindet man z. B. zwei der oben dargestellten Nicht-Gatter so miteinander, dass A1 an E4 angeschlossen ist und A4 als Ausgang der Schaltung dient, während E1 als Eingang verwendet wird, lässt sich mit der Leuchtdiode LED3, deren Anschluss P mit A4 verbunden ist, im Experiment feststellen, dass eine doppelte Negation wieder die ursprüngliche nicht negierte Größe ergibt.

UND-Verknüpfung

Werden im Schaltungsteil oben die Leuchtdioden LED1 und LED2 in der dargestellten Richtung zwischen X und A1 bzw. A2 eingefügt, sowie x anschließend mit E4 verbunden, entsteht ein UND-Gatter. Beim Anschließen von E1 und E2 an den Pluspol der Batterie werden die Transistoren T1 und T2 leitend, und infolgedessen ist dann T4 gesperrt. An seinem Ausgang kann nahezu die Spannung der Batterie gemessen werden(Zustand 1, High-Pegel). Der Anschluss P der Leuchtdiode 3 ist mit A4 verbunden. Am Ausgang stellt sich Zustand 1 ein, wenn an beiden Eingängen Zustand 1 liegt (Verbinden von E1 und E2 mit +9V).

NAND-Verknüpfung

Schaltet man hinter das oben beschriebene UND-Gatter das noch vorhandene NICHT-Gatter, indem man A4 mit E3 verbindet und A3 anschließend als Ausgang der gerade gebildeten logischen Verknüpfung verwendet und daran die Leuchtdiode LED3 anschließt, entsteht ein NAND-Gatter. Am Ausgang A3 stellt sich Zustand 0 ein, wenn an beiden Eingängen E1 und E2 Zustand 1 liegt.

ODER-Verknüpfung

Die Leuchtdioden LED1 und LED2 sind dem folgenden Schaltplan entsprechend zwischen A1, A2 und X in die Schaltung einzufügen, und Anschluss X ist mit E3 zu verbinden.

Der pnp-Transistor T3 wird leitend, wenn mindestens einer der Eingänge E1 oder E2 mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist. In diesem Fall ist der Stromkreis für die betreffende Leuchtdiode über die Emitter-Basis-Strecke des pnp-Transistors T3, den Widerstand R5 und die gerade sehr niederohmige Transistor-Emitter-Strecke geschlossen, und sie leuchtet ein wenig. Am Ausgang von T3 kann eine Spannung etwa in Höhe der Batteriespannung gemessen werden (Zustand 1, High-Pegel). Wird Anschluss P3 der Leuchtdiode LED3 mit A3 verbunden, leuchtet sie.
Am Ausgang A3 stellt sich Zustand 1 ein, wenn mindestens einer der Eingänge E1 oder E2
mit +9V (Zustand 1)verbunden wird.

NOR-Verknüpfung

Schaltet man hinter das oben beschriebene ODER-Gatter das noch vorhandene NICHT-Gatter, indem man A3 mit E4 verbindet und den Anschluss A4 als Ausgang der gerade gebildeten logischen Verknüpfung verwendet und daran die Leuchtdiode LED3 anschließt, entsteht ein NOR-Gatter.
Am Ausgang A4 ergibt sich Zustand 1, wenn keiner der Eingänge E1 und E2 mit +9V verbunden ist (Zustand 0).

UND-Gatter mit negiertem Eingang

Wenn man ein UND-Gatter, wie es oben beschrieben ist, aufbaut, nun aber dessen Eingang E2 mit dem Ausgang A3 des noch freien NICHT-Gatters verbindet und den Eingang E3 als zweiten Eingang verwendet, während E1 wie vorher beim UND-Gatter als erster Eingang dient, erhält man ein UND-Gatter mit negiertem Eingang.
Eingang E3 muss mit GND (Minuspol der Batterie) verbunden werden (E3 = 0  A3 =1, da NICHT-Gatter! ), und E1 an +9V angeschlossen werden, damit die an A3 angeschlossene Leuchtdiode LED3 leuchtet (Zustand 1).

ODER-Gatter mit negiertem Eingang

Verbindet hingegen bei einem ODER-Gatter, das nach dem Schaltplan oben aufgebaut worden ist, den Eingang E2 mit dem Ausgang A4 des noch freien NICHT-Gatters und verwendet dessen Eingang E4 als zweiten Eingang, während man wie vorher E1 als ersten Eingang nutzt, erhält man ein ODER-Gatter mit einem negierten Eingang.

Nur im Fall, dass Eingang E1 offen bleibt (Zustand 0), während E4 an +9V angeschlossen wird (E4 = 1  A4 = 0, da NICHT-Gatter!), stellt sich am Ausgang A3 Zustand 0 ein. Dies kann mit der Leuchtdiode LED3, deren Anschluss P mit A3 verbunden ist, überprüft werden.

Der Schaltplan mit den Logik-Symbolen soll die beiden letzten Schaltungsmöglichkeiten verdeutlichen.