Logikgatter
Bildquelle: NICHT-Gatter von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eui_unterricht.odt
Ein Logikgatter ist eine Anordnung zur Realisierung logischer Verknüpfungen. Die UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen sind die grundlegenden Verknüpfungen. Für eine elektronische Schaltung benötigt man für das UND- und ODER-Gatter je zwei Schalter (UND: Reihenschaltung, ODER: Parallelschaltung). Das NICHT-Gatter kann mit einem Schalter und einem Widerstand realisiert werden.
Werden die Schalter durch Relais ersetzt, so können die Logikgatter mit elektrischen Strömen geschaltet werden. Relais ermöglichten die Entwicklung von Computern. Aufgrund ihrer Schaltzeiten wurden sie relativ schnell durch Elektronenröhren ersetzt.
Die Schalter können auch durch Transistoren ersetzt werden. Mit Feldeffekttransistoren werden die Gatter über eine Spannung gesteuert. Zwischen Ausgang und Pluspol wird ein Widerstand benötigt. Hier im Praktikum wird eine LED mit Vorwiderstand eingesetzt. Damit wird der Spannungszustand am Ausgang auch sichtbar.
Durch diesen zusätzlichen Widerstand wird die am Gatter angelegte Spannung zwischen Ausgang und Pluspol bei einem durchgeschalteten Transistor nicht mehr erreicht. Deshalb können mehrere Gatter nicht hintereinander geschaltet werden. Mit der CMOS-Technologie (Complementary metal-oxide-semiconductor) wird dies z.B. beim UND- und ODER-Gatter mit Hilfe von zwei n-Kanal und zwei p-Kanal MOSFET gelöst. Statt zwei werden jetzt 4 Transistoren benötigt. Weitere Informationen findet man z. B. bei Wikipedia.
https://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal-oxide-semiconductor
Im Arbeitsblatt zum NAND-Gatter wird eine CMOS-Schaltung behandelt.
In ICs befinden sich logische Gatter. Z.B. enthält der IC 4081 vier UND-Gatter.
Laut Bildungsplan müssen die Schülerinnen und Schüler den Aufbau logischer Schaltungen beschreiben und durchführen können. Vorgeben sind die UND- und ODER-Schaltung. Da es keine weiteren Vorgaben gibt, können diese Schaltungen mit zwei Schaltern realisiert werden. Als eine Transistoranwendung kann z.B. die Nicht-Schaltung unterrichtet werden.
21. Stunde
Die Schülerinnen und Schüler planen und bauen je ein UND- und ODER-Gatter mit Schaltern auf.
23_eui_und_oder_schalter.odt
Mit diesem Arbeitsblatt zum UND- und ODER-Gatter ist der Bildungsplan erfüllt.
22. und 23. Stunde
Das Arbeitsblatt zur NICHT-Schaltung zeigt verschiedenen Möglichkeiten der Realisierung (Schalter, FET, CMOS und IC) auf.
Im Anschluss daran kann die, am Anfang gebaute, Blinkschaltung besprochen werden.
24. Stunde
Nach der Erarbeitung des Arbeitsblatts „Gatter mit FET“ können die Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktion der, zur Motivation eingesetzten, Logik-Boxen erklären.
Als Zusatz können die MOSFET-Schaltungen NAND und AND aufgebaut werden. Dies ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe.
26_eui_nand_and_mosfet.odt
25. und 26. Stunde
Bildquelle: Binärzähler von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eui_unterricht.odt
Zum Abschluss der Einheit wird eine weitere Schaltung gelötet.
Eine anspruchsvolle Schaltung ist eine Zählerschaltung. Mit dem 12-Bit-Binärzähler 4040 kann eine Schaltung aufgebaut werden, die mit der Blinkschaltung getaktet wird. Zur Anzeige benötigt man keine 12 Leuchtdioden. Die Schaltung funktioniert auch mit 4 Leuchtdioden.
Zu umfangreich und zu schwierig ist eine Zählerschaltung, die wahlweise durch eine Blinkschaltung oder mit einem Taster mit Prellschutz getaktet wird.
Bildquelle: Binärzähler mit Taster und Blinkschaltung von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eui_unterricht.odt
Unterrichtsgang: Herunterladen [odt][1 MB]
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