11.3 Vom Transistor zum Gatter

 

Der Transistor als Schalter

Die meisten in el. Schaltungen eingesetzten Transistoren arbeiten als Schalter. Wir wollen nun zeigen, wie man einen solchen Schalter verwendet. Zur Funktionsweise eines Transistors, verweisen wir auf "Etwas Physik zum Feldeffekttransistors".
Ist S nach oben gelegt, der mit dem Pfeil gekennzeichnete Eingang, die Steuerelektrode des Transistors mit dem Pluspol verbunden, läuft der Motor M. Der Transistor reagiert wie ein geschlossener Schalter. Ist S aber nach unten gestellt, die Steuerelektrode des Transistors also mit dem Minuspol verbunden, bleibt der Motor stehen, der Transistor reagiert jetzt wie ein geöffneter Schalter.
Diese Eigenschaft, dass man einen Transistor als Schalter verwenden kann, wollen wir jetzt ausnützen, um logische Schaltungen zu bauen. Wir wollen auch klären, was wir unter einer logischen Schaltung verstehen wollen.
NOT-Schaltung Liegt die Steuerelektrode E auf hohen Potenzial (Pluspol) zeigt das linke Voltmeter eine Spannung an und der Transistor arbeitet als geschlossener Schalter. Elektrizität fließt vom Pluspol durch Widerstand und Transistor zum Minuspol. Dabei liegen die Stellen (2) und (3) auf gleichem Potenzial, das rechte Voltmeter zeigt demnach die Spannung 0 Volt an.
Legen wir jetzt die Steuerelektrode E auf tiefes Potenzial (Minuspol) zeigt das linke Voltmeter keine Spannung (genauer: 0 Volt) an. Der Transistor wirkt als geöffneter Schalter. Die Stellen (1) und (2) liegen auf gleichem Potenzial. Demnach herrscht zwischen den Stellen (2) und (3) eine Potenzialdifferenz, das rechte Voltmeter zeigt eine Spannung an. Die Funktionsweise der Schaltung lässt sich in einer Tabelle verdeutlichen:
E A
Spannung keine Spannung
keine Spannung Spannung

Setzen wir die Tatsache, dass Spannung gemessen wird "1" und dass keine Spannung gemessen wird "0", so erhalten wir die Tabelle, des Verneiners, also eine Schaltung, die wie ein logisches NOT reagiert. Wir nennen diese "logische" Schaltung ein NOT-Gatter. Die Schaltung verhält sich zur Logik wie ein äquivalentes Modell.
Mit dem Hintereinander- und dem Parallelschalten zweier Transistoren lassen sich noch weitere logische Schaltungen realisieren.

 
NAND-Schaltung Durch den Widerstand fließt nur dann Elektrizität, wenn beide Transistoren als geschlossene Schalter fungieren, d.h. wenn E1 und E2 auf positiven Potenzial liegen, zwischen E1 bzw. E2 und dem Minuspol also eine Spannung liegt. Wenn aber durch Widerstand und Transistoren Elektrizität fließt, sind die Stellen (2) und (3) auf gleichem Potenzial, in A ergibt sich demnach ein negatives Potenzial. Zwischen A und Stelle (3) wird keine Spannung gemessen. In allen anderen Fällen, wenn also an E1, E2 oder an beiden E1 und E2 negatives Potenzial liegt, fließt keine Elektrizität, liegen die Stellen (1) und (2) auf gleichem Potenzial und zwischen A und Minuspol wird eine Spannung gemessen. Wir bekommen somit folgende Tabelle:
E1 E2 A
keine Spannung keine Spannung Spannung
Spannung keine Spannung Spannung
keine Spannung Spannung Spannung
Spannung Spannung keine Spannung

Ersetzt man "Spannung" wieder durch eine "1" und keine Spannung durch "0" so erkennt man die Äquivalenz zwischen Funktionstabelle der Schaltung und Funktionstabelle des NANDs. Unsere "logische" Schaltung nennen wir deshalb NAND-Gatter 

 
NOR-Schaltung A liegt nur dann auf positiven Potenzial, wenn sowohl E1 als auch E2 auf negativen Potenzial liegen. Entsprechend den bereits beschriebenen Fällen, stellen wir folgende Tabelle auf:
E1 E2 A
keine Spannung keine Spannung Spannung
Spannung keine Spannung keine Spannung
keine Spannung Spannung keine Spannung
Spannung Spannung keine Spannung

Der Vergleich zwischen Funktionstabelle der el. Schaltung und der Funktionstabelle des NOR (dem negierten OR) offenbart auch hier die Äquivalenz. Wir nennen diese logische Schaltung NOR-Gatter

 

  Literatur: Herrmann/Schmälzle: Daten und Energie bei J.B.Metzler-B.G.Teubner 1987
 
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