|
De 7401 is, net zoals de 7400, een viervoudige NAND-poort. Het grote verschil is dat de uitgang van een poort bestaat uit slechts één transistor en dat u de collectorweerstand van deze transistor extern aanbrengt. Dit opent de weg naar een aantal praktische toepassingen. |
Kennismaking met de 7401
Een NAND-poort met open-collector uitgang
In onderstaande figuur is het inwendige van een 7401-poort weergegeven. Zoals u ziet is de ingangsschakeling rond T1 en T2 hetzelfde als die van de 7400, lees het artikel 'Lab-tips: 7400 NAND-poort' . De uitgang is evenwel eenvoudiger uitgevoerd. In plaats van de twee in serie geschakelde transistoren, die beurtelings geleiden en sperren, is hier slechts één transistor gebruikt. De collectorweerstand R4 zit niet in het IC, maar moet u opnemen in de externe schakeling waarmee u de poort afsluit. Het is duidelijk dat dit aan de logische functie van de poort niets verandert. Slechts als beide ingangen 'H' zijn, spert T1 waardoor T2 basisstroom krijgt via R1. De spanning over R3 brengt T3 in geleiding, zodat de uitgang 'L' wordt. Dit is het typische NAND-gedrag. Omdat de collector intern nergens mee is verbonden, noemt men een dergelijke schakeling een poort met open-collector uitgang.
 |
| Het schema van een 7401-poort. (© 2017 Jos Verstraten) |
Hebben de ontwerpers van dit IC willen bezuinigen op het aantal interne componenten? De reden van de op het eerste gezicht wat merkwaardige schakeling met uitwendige collectorweerstand moet u op een ander vlak zoeken. In uitgebreide logische systemen komt het namelijk voor dat u belangrijke vereenvoudigingen kunt aanbrengen, als u de uitgangen van poorten parallel schakelt.
Wat kan met de 7401 kan niet met de 7400
Bij de normale NAND-poort 7400 mag u immers in geen enkel geval twee poortuitgangen parallel schakelen. Wat er dan kan gebeuren is geschetst in onderstaand schema. Poort 1 heeft beide ingangen 'L'. De uitgang is dus 'H', dat wil zeggen dat T3 geleidt. Poort 2 heeft de ingangen aan de voedingsspanning, de uitgang is 'L', dus T6 geleidt. Omdat de uitgangen parallel geschakeld zijn vloeit er stroom door de keten Ra, T3 en T6. Deze stroom wordt alleen begrensd door de waarde van Ra en de spanningsval over de diode. Omdat de uitgang van een poort maximaal 16 mA kan verwerken in de 'L'-toestand en de in het schema vloeiende stroom veel groter is, kan het gebeuren dat een wat humeurig IC tegen deze behandeling protesteert door in eeuwige staking te gaan.
Om toch de mogelijkheid van parallel schakelen van poorten mogelijk te maken, hebben de ontwerpers de 7401 op de wereld gezet. Het zal duidelijk zijn dat parallel schakelen van uitgangen hier geen kwalijke gevolgen kan hebben. De stroom door de uitgangstransistor wordt bepaald door de waarde van R4 en deze hebt u zelf in de hand. Bij het bespreken van de praktische schakelingen wordt teruggekomen op het parallel schakelen van de poorten.
 |
| Waarom u nooit ofte nimmer 7400-uitgangen parallel mag schakelen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uiteraard stelt u zich de vraag hoe groot of klein u de collectorweerstand kunt kiezen. Dit is afhankelijk van de op de poort aangesloten belasting. Hoe groter de fan-out, dus hoe meer poortingangen aan de uitgang aangesloten zijn, hoe groter deze weerstand moet zijn. Dit lijkt paradoxaal, maar valt te verklaren uit het feit dat de ingang van een poort stroom levert aan de voorgaande poort in plaats van stroom te vragen. Zoals reeds geschreven mag transistor T3 uit het schema maximaal 16 mA verwerken. Een poortingang levert een stroom van ongeveer 1,5 mA. Hoe meer poortingangen aangesloten zijn, hoe meer stroom T3 moet slikken en hoe groter de weerstand R4 moet zijn om de 16 mA grens niet te overschrijden.
Anderzijds mag u deze weerstand ook niet te groot kiezen. Als T3 spert, is de poortuitgang 'H'. Door T3 en de eindtransistoren van eventueel parallel geschakelde poorten vloeien evenwel nog kleine lekstromen. Bovendien vloeien er nog stromen door de ingangen van de op deze uitgang aangesloten poorten. De som van deze stromen veroorzaakt een spanningsval over R4. Deze weerstand moet nu zo klein zijn, dat deze spanningsval kleiner is dan 2,6 V, zodat onder alle omstandigheden de uitgangsspanning groter is dan 2,4 V en een logische 'H' verzekerd blijft.
De minimum en maximum waarde van de weerstand wordt gegeven door de twee onderstaande formules:
R4(min) = 4,6 / [16 - (N • 1,6)] (kΩ)
R4(max) = 2,6 / [(0,25 • K) + (0,04 • N)] (kΩ)
N staat voor het aantal ingangen van poorten, die de 7401 belasten. K staat voor het aantal parallel geschakelde 7401-poorten. Een en ander wordt verduidelijkt aan de hand van onderstaande figuur.
 |
| Aan de hand van deze figuur worden de grootheden van de twee formules voor het berekenen van R4 duidelijker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het symbool van de 7401 kent u al, dat is immers hetzelfde als dat van de 7400. Het enige dat u nog nodig hebt om aan de slag te gaan zijn de aansluitgegevens van dit 14-polige IC.
 |
| Aansluitgegevens in bovenaanzicht van de 7401. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als lamp- en LED-driver
Meer stroom door parallel schakelen
Door het parallel schakelen van meerdere poorten wordt uiteraard de belastingscapaciteit van het geheel vergroot. Zo wijst onderstaande figuur op een mogelijkheid om een normaal 6 V - 50 mA lampje direct uit een IC te sturen. Als de ingang 'H' is geleiden alle uitgangstransistoren zodat het lampje met massa verbonden wordt en gloeit. Omdat de vier poorten broederlijk verenigd op één stukje halfgeleidermateriaal door het leven gaan, hebben ze identieke parameters, zodat de stroom zich netjes in vier gelijke delen verdeelt.
 |
| Met verenigde krachten sturen vier 7401-poorten een gloeilampje aan. (© 2017 Jos Verstraten) |
Ook voor het aansturen van hoogvermogen LED’s kunt u de 7401 uiteraard als driver inschakelen. Onderstaande figuur leert u hoe het hoort. Bij de rechtse schakeling zal de LED branden als aan de ingangen van de poort een 'H' niveau wordt aangelegd. De linkse schakeling reageert op een 'L' aan de ingang met een opgloeiende LED. Over de geleidende lichtdiode staat een spanning van ongeveer 1,5 V. De weerstand van 330 Ω zorgt voor een effectieve begrenzing van de stroom.
 |
| Twee methodes voor het aansturen van LED’s uit een 7401. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als trapspanningsgenerator
Een speciale spanningsvorm die soms erg nuttig is
Met een trapspanning, hoewel behorend tot de buitenbeentjes onder de pulsvormen, kunt u toch leuke dingen doen. Zo kunt u er bijvoorbeeld curvetracers mee maken (basisstroomsturing), die de karakteristieken van een transistor op het scherm van een scope zetten. Hoewel de 7401 een typische logische schakeling is en dus slechts in 'L' en 'H' termen kan denken, volstaan vier instelpotentiometers en een vaste weerstand om dit digitale isolement te doorbreken. Onderstaand schema toont deze zeer eenvoudige schakeling. Vier 7401-poorten zijn via vier instelpotentiometers met een gemeenschappelijke belastingsweerstand verbonden. De ingangen van de poorten worden met de BCD-uitgangen van een digitaal telsysteem verbonden. Te denken valt aan de tienteller 7490 of de zestiendeler 7493. Als u deze tellers met een klokfrequentie stuurt, ontstaat er over de belastingsweerstand een spanningsvorm die u door nauwkeurig afregelen van de potentiometers in een keurige trap kunt omvormen. Om die mooie trapvorm te krijgen moet u aan volgende gelijkheden voldoen:
Rc = 2 • Rd
Rb = 4 • Rd
Ra = 8 • Rd
Met uw digitale universeelmeter is dat een eenvoudige klus.
 |
| Het schema van een zeer eenvoudige trapspanningsgenerator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als A = B = C = D = 'L' sperren de vier poorten. Er vloeien geen stromen, zodat de uitgang 5 V voert. Wordt bij de eerste klokpuls A = 'H', dan zal de uitgang van poort A 'L' worden. Door Ra en Re vloeit een stroom i, waardoor over Re een spanningsval V ontstaat. Gevolg is dat de uitgang het niveau 5 V - V voert. Bij de volgende klokpuls wordt A weer 'L', maar schakelt B naar het 'H'-niveau. De uitgang van poort B wordt 'L' en er vloeit stroom door de keten Re-Rb. Omdat Rb de helft is van Ra en Re verwaarloosbaar klein is, stijgt de stroom tot de waarde 2 • i. De spanningsval over Re wordt bijgevolg 2 • V. Bij de derde klokpuls worden A en B 'H', zodat de uitgangen van de poorten A en B 'L' worden. Door Ra vloeit een stroom i en door Rb een stroom 2 • i. De totale stroom door Re is bijgevolg 3 • i en de spanningsval over deze weerstand 3 • V.
Besluitend kunt u stellen dat bij iedere volgende klokpuls de stroom door Re met een portie i toeneemt. De spanning aan de uitgang neemt telkens met een fractie V af. Op deze manier wordt de vorming van een trapspanning verklaard. De grootte van de treden is V. Voorwaarde is, behalve de boven omschreven weerstandswaarden, dat aan de vier ingangen signalen worden aangelegd die volgens de BCD-code evolueren.
De alineariteit die u duidelijk merkt in het oscillogram wordt veroorzaakt door de invloed van Re. Een verkleining van deze weerstand komt de lineariteit ten goede.
Deze schakeling als 7490 tester
Een snelle test van een 7490 tiendeler is alleen mogelijk met een oscilloscoop. Als u een dergelijk apparaat niet bezit kunt u zich behelpen met de hierboven beschreven schakeling. Inderdaad is deze trapspanningsgenerator niets anders dan een zeer eenvoudige digitaal naar analoog omzetter. Iedere inhoud van de digitale informatie A, B, C en D wordt vertaald in een ondubbelzinnig bepaalde spanning aan de uitgang. Vervangt u de weerstand Re door een mA meter, dan is de meteruitslag bepalend voor de binaire combinatie aan de ingang. In onderstaande figuur is het principe van de tienteller tester getekend. Een universeelmeter, geschakeld op het 1 mA bereik, wordt tussen 5 V en het knooppunt van de afgeregelde instelpotentiometers geschakeld. De ingangen van de 7401 worden met de uitgangen van de te testen 7490 verbonden. De ingang van dit laatste IC moet u met een 1 Hz klokpulsgenerator verbinden. Als nu de meteruitslag bij iedere klokpuls met een gelijk bedrag toeneemt, kunt u besluiten dat alle uitgangen van de tienteller doen wat van hen verwacht wordt. Uiteraard zegt deze test niets over de HF-eigenschappen van het IC. U kunt er alleen uit concluderen dat de schakeling logisch goed functioneert.
 |
| Een 7401 vormt een simpele mA meter om in een volwaardige tienteller tester. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als ringteller
Het principe van een ringteller
Het principe van een ringteller is vrij eenvoudig. Deze schakeling heeft een aantal uitgangen die om beurt 'H' of 'L' worden op het ritme van een klokpuls. De duur van deze verandering is gelijk aan de periode van de klokpuls. Dit proces herhaalt zich cyclisch. Uiteraard staan voor het verwezenlijken van deze schakeling geïntegreerde schuifregisters ter beschikking. Hebt u echter niet meer dan vier uitgangen nodig, dan kan een combinatie van twee prijsgunstige IC’s dit werk opknappen. Een van die twee is uiteraard de 7401, de andere is de dubbele flip-flop 7473. In onderstaande figuur is de schakeling weergegeven. De 7473 is als vierdeler geschakeld. Iedere poort is verbonden met een specifieke uitgang van de eerste flip-flop en met een specifieke uitgang van de tweede. De rechter waarheidstabel toont duidelijk het ontstaan van de vier gewenste ringpulsen.
 |
| Principe, waarheidstabel en oscillogram van een ringteller. (© 2017 Jos Verstraten) |
Poort 1 is met Ainv en Binv verbonden. Deze twee signalen zijn slechts gedurende de eerste klokpuls beide 'H'. De uitgang van poort 1 is bijgevolg slechts dan 'L'. Door de keuze van de specifieke verbindingen tussen de FF’s en de poorten stelt u vast dat de 'L'-toestand de vier uitgangen doorloopt. Bij de vijfde klokpuls wordt uitgang 1 wederom 'L' en zo verder. In het oscillogram zijn de vier uitgangen van onder naar boven op het scoopscherm weergegeven.
Rechtstreeks sturen van relais
Het is duidelijk dat deze toepassing eveneens met een 7400 mogelijk is. U spaart dan de vier belastingsweerstanden uit. Wilt u eventueel met het systeem belastingen sturen, dan is de 7401 natuurlijk economischer. De belastingsweerstanden worden dan vervangen door miniatuurrelais, die rechtstreeks door de poorten bekrachtigd worden. De relaiscontacten schakelen de belastingen in en uit.
De 7401 als AC flip-flop
Wat is een AC flip-flp?
De RS flip-flop, besproken in het artikel 'Lab-tips: 7400 NAND-poort', heeft slechts beperkte toepassingsmogelijkheden. Een van de grootste nadelen is dat twee triggersignalen nodig zijn. Een schakeling die slechts één triggeringang heeft is weergegeven in onderstaande figuur. Het is een zogenaamde AC flip-flop, die is opgebouwd rond twee 7401-poorten. De schakeling kunt u bijvoorbeeld als tweedeler gebruiken.
 |
| Principe en oscillogram van een AC flip-flop als tweedeler. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking wordt besproken aan de hand van de rechter oscillogrammen. Stel dat de uitgang van de schakeling 'H' is. Het punt C is dan 'L'. Ingang B is eveneens 'H', omdat deze ingang via R3 met de uitgang verbonden is. Ingang A van poort 1 voert eveneens een positieve spanning. Alhoewel C 'L' is, bouwt de lekstroom van de ingangstransistor over de grote weerstand R1 zo’n grote spanning op dat ingang A logisch 'H' is. Uiteraard is deze spanning veel kleiner dan de normale 'H' van ongeveer 4 V. De ingang wordt met een vierkantgolf gestuurd. De netwerken C1-R1 en C2-R3 vormen differentiatoren. Van de blokgolven blijven bijgevolg alleen de overgangen als naaldpulsen over. Een positieve overgang resulteert in een positief gerichte naaldpuls op A en B. Omdat beide ingangen reeds 'H' zijn, gebeurt er niets. Bij een achterflank evenwel komt de negatieve naaldpuls op A en B. De spanning op B is echter zo positief, dat het niveau niet onder de 'H' waarde daalt. De negatieve naaldpuls is wel in staat ingang A, die zoals geschreven een kleinere spanning voert, 'L' te maken. Het gevolg is dat C 'H' wordt. Beide ingangen van poort 2 zijn 'H', zodat de uitgang 'L' wordt. De flip-flop is omgeklapt.
Besluitend kunt u stellen dat de schakeling bij iedere negatieve achterflank van de ingangspuls zal omklappen. De frequentie van de uitgang is dus de helft van die van het ingangssignaal, de schakeling werkt als tweedeler. Door cascadeschakeling van meerdere delers zijn 4-, 8-, en 16-delers te vormen. Het volstaat de uitgang van de eerste schakeling met de ingang van de tweede te verbinden en zo verder.
De 7401 als aan-uit schakelaar
Drukknopbedieningen zijn modern
Met een 7401 kunt u een schakeling samenstellen waarmee u met een drukknop allerhande functies kunt in- en uitschakelen. De schakeling is in onderstaande figuur getekend. De poorten 1 en 2 vormen een monostabiele multivibrator, die reeds uitvoerig besproken is in het artikel '7400 in de praktijk' (http://verstraten-elektronica.blogspot.nl/p/7400-in-de-praktijk.html). De poorten 3 en 4 zijn als tweedeler geschakeld. De MMV zorgt voor een effectieve onderdrukking van de denderpulsen van de druktoets. De werking is vrij eenvoudig. Als u de drukknop bedient, verschijnt aan de uitgang van poort 2 een negatieve puls die de flip-flop triggert. Deze schakeling slaat bijgevolg bij iedere druk om.
 |
| Een aan- en uitschakelaar die u met één drukknop kunt bedienen. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als binaire vergelijker
Binaire signalen vergelijken
In het artikel 'Lab-tips: 7400 NAND-poort' werd reeds het begrip binaire vergelijker ter sprake gebracht. Dit is een schakeling die een uitgangspuls geeft als twee logische signalen aan elkaar gelijk zijn. Met twee 7401-poorten, parallel geschakeld, kunt u eveneens zo’n vergelijker samenstellen. De schakeling wordt belicht aan de hand van het onderstaand schema en waarheidstabel. U weet dat de uitgangstransistor van een poort geleidt als beide ingangen 'H' zijn. Dit doet zich voor in de tweede situatie, waar A en B 'H' zijn, zodat de uitgang C door poort 1 op 'L'-niveau gehouden wordt. Dezelfde situatie ontvouwt zich in de derde toestand, maar dan is het poort 2 die de uitgang laag houdt. Samenvattend kunt u besluiten dat de uitgang van de schakeling 'H' is, als A en B aan elkaar gelijk zijn.
 |
| Een eenvoudige binaire vergelijker met twee 7401-poorten. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als NOR
Wat is een NOR-poort?
Zoals u wellicht weet kenmerkt een NOR-poort zich door slechts dan een 'H' op de uitgang te leveren, als alle ingangen 'L' zijn. NOR's bestaan uiteraard onder geïntegreerde vorm, maar u kunt ook een 7401 toepassen voor het verwezenlijken van een NOR-functie.
Het schema van de NOR
Door het parallel schakelen van twee poorten wordt een NOR-element gevormd, zie onderstaande figuur. Het is vrij snel in te zien dat de getekende schakeling aan de logische definitie van een NOR voldoet. In dit verband is het grappig op te merken dat het parallel schakelen van 7401-poorten in het Engels wordt aangeduid door de benaming 'wired-or', terwijl duidelijk is dat de verkregen functie een NOR is!
 |
| Twee 7401-poorten transformeren zichzelf tot een NOR. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7401 als lineaire versterker
Het schema
Iedere actieve elektronische schakeling is te herleiden tot een versterker. Een TTL-poort kunt u beschouwen als een zeer breedbandige versterker met hoge versterkingsfactor. Door deze hoge versterking wordt de uitgang in verzadiging gestuurd of niet gestuurd, afhankelijk van de ingangsspanning. Slaagt u er in deze versterkingsfactor te temperen, dan kan de schakeling als gewone versterker worden toegepast. Dit is eenvoudig te verwezenlijken door een forse tegenkoppeling over de poort te schakelen. In onderstaande figuur zorgt een weerstand van 1 kΩ tussen in- en uitgang van de poort voor deze terugkoppeling. De poort is nu eigenlijk gedegradeerd (of bevorderd?) tot een eenvoudige op-amp. De versterking wordt bepaald door de verhouding van de tegenkoppelweerstand R2 tot de ingangsweerstand R1.
 |
| Een TTL-poort als lineaire versterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uiteraard heeft deze schakeling zijn beperkingen. Omdat de weerstanden in de keten klein moeten blijven, bij gebruik van standaard 74xx-schakelingen, zal ook de ingangsimpedantie klein zijn, zodat de waarde van de koppelcondensator C1 zeer groot moet zijn om ook bij lage frequentie een redelijke versterking te behouden. Anderzijds heeft deze schakeling het voordeel van een grote bandbreedte zodat ze zonder meer als extra trap in bijvoorbeeld een FM-middenfrequent versterker ingezet kan worden. Bij dergelijke frequenties kan de koppelcondensator klein blijven en zijn de lage in- en uitgangsimpedanties eerder een voordeel dan een nadeel. Cascade schakeling van verschillende trappen is in principe mogelijk, al is het gevaar van oscillaties vrij groot omdat de verschillende poorten op één chip gemonteerd zijn zonder voldoende afscherming voor dergelijke toepassingen.
Vergelijken van de 7401 met de 7400
Gelijk en niet gelijk
Bij vergelijking van de toepassingen van de 7400 en de 7401 kunt u besluiten dat een 7401 wel een 7400 is, maar een 7400 niet noodzakelijk een 7401 is. De 7401 is zonder meer de meest universele TTL-poortschakeling. Niet alleen voert hij de normale NAND opdrachten uit, maar door de 'wired-or' mogelijkheid is zijn toepassingsgebied veel groter dan dit van de 7400. Iedere 7400 toepassing kan de 7401 uitvoeren. Wel moet u steeds de uitwendige belastingsweerstanden aanbrengen.
Slechtere stijgtijden
Een nadeel van de enkelvoudige uitgang is dat de stijgtijd van de voorflank van de uitgangspuls afneemt. Dit wordt verduidelijkt aan de hand van onderstaande figuur. De ingangen van een 7400-poort en een 7401-poort worden parallel geschakeld. In beide gevallen wordt de uitgang capacitief belast. Om het beoogde effect zichtbaar te maken is deze belasting buitensporig groot gekozen. Feit is echter dat deze capacitieve belasting steeds in meer of mindere mate aanwezig is, onder de vorm van bedradingscapaciteiten. U stuurt de ingang met mooie rechthoekpulsen en het resultaat wordt duidelijk op uw scope. De 7400-poort (midden) inverteert het signaal probleemloos, terwijl de 7401-poort (onder) duidelijk moeilijkheden heeft.
 |
| Vergelijking van de 7401 met de 7400, de 7400 is duidelijk in het voordeel! (© 2017 Jos Verstraten) |
DPS3003 32 V-3 A Buck Adjustable Voltage Power Supply
