Bei dem Adventskalender konnte man die Grundlagen der digitalen CMOS-Technik (Logik Technik) praxisnah bekommen. Am Ende wurde dann eine Blinkschaltung aufgebaut, die die ganzen Gatter des ICs nutzt.  Allerdings hat man bei diesem Kalender viel mehr gelernt als in der endgültigen Weihnachtsschaltung steckte. Durch dieses Wissen bzw. durch das Kombinieren der gezeigten Schaltungstypen  kann man noch kompliziertere Probleme lösen. Dieser Beitrag sollte zeigen, wie man mit diesem Wissen kompliziertere Projekte Schritt für Schritt bewältigt. Dabei werden nebenbei noch andere (Timer-)Schaltungstypen in einfachen Beispielschaltungen erklärt. Dieser Schaltungswettbewerbsbeitrag baut an dem Wissen der digitalen Technik, die man an diesen 24 Tagen gelernt hat. Es wird dabei mit einem Gatter anfangen und mit 2*4093 enden. Diese Beispiele sollen aber nur einen Anstoß geben, selber dieses oder ein anderes Projekt oder Problem anhand der digitalen Technik leicht zu entwickeln bzw. lösen.

Planungsphase
Zuerst muss man sich überlegen bzw. Informationen rund um das Projekt sammeln. Ein Ei, indem das Eigelb noch flüssig ist, erreicht man durch das 6-minütige Kochen (Bei Siedetemperatur). Ein Ei, das durch sein soll, braucht ungefähr 9 Minuten. Oft wird man abgelenkt oder man vergisst die Zeit. Diese Schaltung sollte Abhilfe schaffen. Was muss aber diese Schaltung erfüllen bzw. besitzen? Es muss auf jeden Fall ein zeitgebendes Element besitzen und eine Ausgangsquelle für die Ausgabe in Optischer oder Akustischer Form haben. Dann sollte es noch ein Eingabetaster oder Schalter zum Start haben. Betrieben sollte es aus einem 9V-Block werden und auf einem Steckbrett gesteckt oder gelötet werden. Es soll vielleicht auch wegen des „gefährlichen“ Einsatzes in der Küche ein Gehäuse haben. Es soll möglichst mit der CMOS-Technik aufgebaut sein und nicht zu teuer und zu aufwändig sein.

Ein-Gatter-Timer
Zuerst wollen wir uns mit dem Zeitgebendem Element beschäftigen. In der Elektronik wird dafür meist ein Kondensator verwendet. Je größer die Kapazität und je größer der Ladewiderstand, desto langsamer erreicht der Kondensator den Spannungspegel beim Laden bzw. Entladen, bei dem die Schaltung „kippt“. Dafür gibt es eine kleine Zeitkonstantengleichung:
T=RC
T:  Zeit in der der Kondensator ca. 63% der Endspannung erreicht [s]
R: Ladewiderstand [Ohm]
C: die zu ladende Kapazität [F]
Da der Kondensator sich nicht linear auflädt, kann man mit dieser einfachen Gleichung nur die Zeit bis ca. 63% der Endspannung berechnen. Wenn man ins Datenblatt schaut oder praktisch experimentiert, bemerkt man, dass der 4093 bei 9V Betriebsspannung bei ca. 64% der Betriebsspannung den Eingang als High erkennt. Somit lässt sich durch die obere Gleichung sehr genau die Zeit ermitteln, in der der Kondensator den High-Level erreicht und der Gatter kippt. Wir nehmen einen Kondensator mit 100uF und mindestens 10V Maximalspannung. Danach rechnen wir den Widerstandswert aus:
R = T/C = 180s / 0,0001F = 1800000Ohm
Wenn man drei Anzeigen machen will, muss jede Stufe eine Zeitdifferenz von 3min haben. Somit können wir jetzt eine einfache Timerschaltung mit einem Gatter bauen. Wegen dem Eingangswiderstand des Gatters muss der Kondensator zwischen Eingang und Masse liegen, da er sich sonst durch den Gatter laden würde. Wegen dem Eingangswiderstand, muss man bedenken dass der Ladewiderstand kleiner als errechnet sein soll. 1MOhm + 680kOhm = 1,68MOhm haben sich als richtig erwiesen. Als der Vorwiderstand der LED wurde wie im Kalender einer mit 3,3kOhm genommen.




Das Ergebnis ist sehr gut. Als Schalter wurde ein Stück Draht (Kabel) benutzt.

Mehrere Stufen
Jetzt können drei Stufen hintereinander geschaltet werden. Wenn alle LEDs leuchten, ist das Ei durch, wenn nur zwei, dann ist Das Eigelb noch zähflüssig. Da die Timerstufen immer das Signal inventieren (NAND Gatter), muss die zweite Stufe genau anders arbeiten, sprich: der Ausgang ist im Leerlauf Low und nach dem Kippen High. Da tritt aber ein Problem, das schon oben angesprochen wurde, auf. Durch den Eingangswiderstand, lädt sich der Kondensator durch ihn schon von alleine, und das verkürzt die spätere „Stufenzeit“ .Deswegen ist die zweite Stufe ziemlich ungenau und kann große Abweichungen haben. Der Rest funktioniert aber einwandfrei. Zur Problemlösung könnte man den Taster auslassen und es dann direkt mit der Betriebsspannung anschalten und den Ladewiderstand erhöhen, damit es sich ausgleicht. Wenn man den Eingang von der Schaltung nach dem Betrieb wieder auf Low zieht, muss man warten, bis sich die Kondensatoren entladen, bevor man es nutzt. Eine andere, viel bessere Lösung wird dann noch unten Beschrieben.





Tipp: Bei Discountern kann man für ca. 59 Cent ein schönes Vesper-Box kaufen und da Alles reinbauen.



Akustischer Zusatz zu den Schaltungen
Der Rechteck-Generator von dem Kalender kann auch mit höheren Frequenzen betrieben werden, in dem man den Gegenkoplungswiderstand und die Kapazität verringert. Wenn man da einen Piezzo-Element anschließt , kann  man einen Ton wahrnehmen. Ihn kann man als akustisches Signal  bei jeder der vorgestellten Schaltung am Ende benutzen. Als Resonanzkörper wäre das gut, wenn man das Element an das Gehäuse dranklebt. Aus diesen RC werten Produziert diese Schaltung einen Rechtecksignal von ca. 625 Hz (s.Oszillogramm). Es muss direkt an dem letzten Gatter angeschlossen werden. 




Verbesserter Ei-Timer
Da es bei der letzten Schaltung Probleme mit dem Inventieren gab, werden in dieser Schaltung zwei Gatter je so geschaltet, dass sie inventierende Puffer werden. Alle Probleme sind somit gelöst. Allerdings braucht man zwei 4093 und ein Großes Steckbrett. Die Zeit der drei Stufen ist mit gewissen Toleranzen gleich. Der Schalter entlädt den Elko sofort und bis die Anderen entladen sind, muss man auch nicht lange warten. Den ersten Widerstand kann man dann falls gewünscht an die untenstehende Schaltung anschließen. Optional kann auch der Tongeber am Ende dazu geschaltet werden! Diese Schaltung kann sehr gut auf einer Steckboardplatine aufgebaut werden und die Vorteile der Platine werden genutzt!




Taster als Trigger
Manche mögen lieber Tasten als Schalter – das sieht auch moderner aus. Reset muss man aber auf jeden Fall mit einem Schalter (oder Transistor) realisieren. Aber der Start-Knopf ist ja das Wichtigste. Außerdem fällt es leichter andere Schaltungen (z.B. Touchsensor) anzuschließen. Also wurde fast die gleiche Flip-Flop-Schaltung wie im Kalender aufgebaut. Jetzt drückt man auf einen Taster und der Timer schaltet sich ein. Als Reset-Schalter wurde beim Steckbrett ein Draht parallel zum Elko benutzt. Danach muss der Flipflop auch durch den Reset-Taster „resetet“ werden. Beim Anschließen der Schaltung an den 9V-Block muss der Elko durch den Schalter kurzgeschlossen werden bzw. der Resettaster beim Flipflop gedrückt sein. Es geht aber auch ohne den Kurzschlusschalter, wenn man in Serie zum Ladewiderstand der ersten Stufe eine Diode schaltet, wird die Schaltung sehr langsam (länger als beim Kurzschließen des Elkos) sich selbst entladen. Somit entfällt der Schalter. Allerdings muss der Ladewiderstand kleiner werden, um den Spannungsabfall an der Diode zu kompensieren.  Somit sind jetzt alle Gatter der Beiden CMOS ausgeschöpft.