Toggeln
"Toggeln" heißt so viel wie Kippen, Wechseln. Aus der Vergangenheit kennen wir entsprechende elektromagnetische Schalter unter der Bezeichnung "Fernschalter" oder heute "Stoßstromrelais". Sie schalten mit jedem Eingangsimpuls die Ausgänge von einem in den anderen Zustand. Leider gibt es keinen Schaltkreis mit diesem FlipFlop-Vertreter. Wir müssen uns diesen also selbst 'herstellen'. Da dies aber sehr einfach möglich ist hat sich wohl die Industrie gedacht, wozu einen zusätzlichen Schaltkreis der dann auch noch zu nichts anderes nütze ist wenn man aus jeden anderen diesen erstellen kann (mein persöhnlicher Eindruck).
Mit einem D-FF geht das sehr einfach indem man den D-Eingang mit 'seinem' invertierten Ausgang /Q verbindet. Ab diesem Moment schaltet dann dieses FF mit jedem Taktsignal in den anderen Zustand um (Bild oben links).
Wie im Bild (unten links) zu sehen kann auch ein JK-FF dazu verwendet werden, bei dem die verbundenen J- und K- Eingänge auf 1 (hoch) gelegt sein müssen. In beiden Fällen entsteht ein T-FF (Toggel-Flip-Flop, Bild rechts oben und unten).
Spätestens jetzt muß das Dreieck am C- bzw T- Eingang erwähnt werden. Es bedeutet das dieses FF von der Taktflanke gesteuert wird. Sie heißen deshalb "Flankengesteuerte" Speicher. Gemeint ist das nicht der Zustand 1 oder 0 des Taktsignals sondern der Übergang von 0 nach 1 bzw von 1 nach 0 den Speichervorgang bewirkt. Dieses muß beim Beschaffen beachtet werden da sonst das T-FF nicht richtig arbeitet.
Warum nun dieser 'Aufwand'? Wie oben schon erwähnt können diese Fernschaltrelais (Stoßstromrelais) für Aufgaben genutzt werden wo mit einem Taster ein- und ausgeschaltet werden soll. So weit ich weiß stellt kein Hersteller ein entsprechendes Relais speziell als Modellbahnzubehör her und wenn dann sind diese sehr teuer und nicht besonders zuverlässig.
Es gibt Versender "C.. u.a." die ganz einfache Bausätze mit diskreten Bauelementen (Transistoren, Widerstände ..) zum Selberlöten, nicht grade besonders billig und auch nicht besonders zuverlässig, anbieten. Das Toggel-Flip-Flop aber ist sehr zuverlässig, klein, und sehr billig (wenige Cent). Außerdem, da ja meistens mehrere FF in einem IC sind, können die anderen Speicher gleichzeitig auch für andere Funktionen genutzt werden.
Bei der MoBa können wir nun damit sehr gut Weichen und Signalen umschalten aber auch anderes Zubehör ein/ausschalten (zB Beleuchtung).
Als Schaltungsbeispiel für das 'Toggeln' soll das Schalten einer Beleuchtung dienen.
Links habe ich wieder die elektromechanische Lösung aufgezeichnet. Um nun verständlich zu machen was ein T-FF ist habe ich im/am Relais die Verriegelung mit dargestellt. Natürlich sind in der Realität nicht beide Arten (mechanich und elektromagnetisch) gleichzeitig notwendig, es soll nur verdeutlichen welcher Aufwand da betrieben werden muß der ja auch den Preis begründet. Dem Toggel-Flip-Flop (rechts) ist das nun so was von 'wurscht' weil ja die Verriegelung schon elektronisch im Innern vorhanden ist (siehe bistab MV). Das Ergebnis ist auf jeden Fall das Gleiche, nämlich das der Ausgang auf 1 (hoch) geht sobald der Taster betätigt wird. Damit wird auch der Verbraucher (im Bild eine LED) mit Strom versorgt auch dann wenn ich den Taster wieder loslasse. Erst mit einer weiteren Betätigung des Tasters wird das FF zurückgesetzt und damit die Versorgung des Verbrauchers beendet.
Im Normalfall wird ja die Stromversorgung nicht mit dargestellt, doch nun ist das notwendig weil eine weitere Besonderheit dies erfordert.
Die Schaltkreise arbeiten im Gegensatz zu elektrischen Geräten (Relais, Schütze usw) mit sehr viel kleineren Strömen. Das ist auch so gewollt (Energieeinsparung, Kosten, Umweltbelastung usw) und auch richtig so. Es zieht aber einen gravierenden Nachteil mit sich, denn dadurch sind die Eingänge hoch empfindlich für elektromagnetische Störungen, sodas die Arbeitsweise stark gestört werden kann bis hin zu Versagen. Dem ist aber mit einem sehr einfachen Mittel wirkungsvoll zu begegnen. Wie im Bild deutlich zu erkennen würde der Eingang jetzt wo der Taster offen ist der Eingang quasi in der Luft hängen. Das heißt er würde wie eine Antenne alle Störungen 'aufsaugen' und dadurch die Schaltung im Inneren zum wilden Schwingen bringen. Nicht auszumahlen was in einer komplexen Schaltung mit vielen Schaltkreisen und viel mehr Eingängen passieren würde. Lange Rede .. ein sogenanter Pull-Widerstand (R down) verhindert das. Im Bild sieht man wie dieser Pull-Down-Resistor (zieh-runter-Widerstand) den Eingang zum entgegengesetzten Pol wie der Taster zieht. So ist der Eingang während der 'Pausen' nach Masse 'ruhiggestellt'. Auch den Pull-Up gibt es aber jetzt nicht wichtig viel mehr das Prinzip. Inzwischen gibt es sogar Schaltkreise (bei Controllern) in denen die Pull-Down's (etwa je 50kOhm) fest integriert sind und bei Bedarf aktiviert werden können. Bei Logic's meines Wissen's noch nicht. Auf jeden Fall ist anzuraten die Pull-Up/Down-Widerstände vorzusehen oder zumindest im Layout mit einzuplanen. Sie können sehr klein sein weil über einen 50kOhm kaum ein Strom fließt.
Dieser Widerstand hat aber noch eine nicht zu unterschätzende 'nützliche' Wirkung. Im Allgemeinen sind die Sensoren elektromechanische Kontakte, (Taster, Schalter, Schienenkontakte, Anfahrkontakte usw) die wie jede Mechanik durch Umweldeinflüsse Alterung unterliegt. Das hat nicht selten zur Folge das diese Kontakte korrigieren und dann mal Kontakt geben und mal nicht (deshalb auch vergoldet usw). Da nun bei diesen Schaltkreisen praktisch überhaupt kein Strom fließt ist auch der sogenannte Selbstreinigungseffekt nicht vorhanden. Ob und wie das funktioniert mag jeder für sich beurteilen, auf jeden Fall soll die KFZ-Industrie dies bei Unterbrecherkontakten (Zündfunkenerzeugung) angewandt haben (vllt auch nur ein Phantom).
So genug davon, beschäftigen wir uns im nächsten Beitrag unter Logic mit einer weiteren sehr nützlichen Kategorie von Schaltkreisen, den Multiplexern KK