Logikgatter-ICs (74xx und 4000)

Auf fast jeder Platine mit Mikrocontroller findest du irgendwo noch ein kleines Logik-IC: einen Inverter, der ein Reset-Signal umdreht, ein UND-Gatter, das zwei Freigaben verknüpft, ein Schieberegister, das acht LEDs an drei Pins betreibt, oder einen Pegelwandler zwischen 3,3 V und 5 V. Solche Bausteine heißen auch „Glue Logic“ – der Klebstoff zwischen den großen Chips. Sie stammen aus zwei großen Familien: der 74er-Reihe und der 4000er-Reihe. Wie die Familien sich in Spannung, Pegeln und Geschwindigkeit unterscheiden und wie die Typenbezeichnung aufgebaut ist, erklärt Logik-Familien. Hier geht es um die Bausteine selbst: was drinsteckt, wie du sie beschaltest und wo die Grenzen liegen.

Aufbau: Gatter aus MOSFETs

Heute sind fast alle Logik-ICs in CMOS-Technik gebaut. Das einfachste Gatter, der Inverter, besteht aus nur zwei MOSFETs: einem P-Kanal-Transistor zwischen Versorgung und Ausgang und einem N-Kanal-Transistor zwischen Ausgang und Masse. Ihre Gates sind verbunden und bilden den Eingang. Bei High am Eingang leitet der untere, der Ausgang wird Low; bei Low leitet der obere, der Ausgang wird High. Ein NAND braucht vier Transistoren, ein NOR ebenfalls.

Daraus folgen drei Eigenschaften, die du kennen solltest:

• Im Ruhezustand fließt fast kein Strom. Einer der beiden Transistoren sperrt immer. Ein 74HC00 braucht ohne Umschalten nur wenige Mikroampere.
• Die Eingänge sind Gates von MOSFETs. Sie sind extrem hochohmig – und deshalb empfindlich gegen offene Eingänge und ESD.
• Strom fließt beim Umschalten. Jede Flanke lädt Kapazitäten um. Die Stromaufnahme steigt proportional mit der Frequenz.

Welche Logikfunktion jedes Gatter hat und wie die Schaltzeichen nach IEC und ANSI aussehen, steht unter Digitale Schaltzeichen.

Die wichtigsten Bausteine

Die Nummer hinter der Familie gibt die Funktion an, und sie ist in allen 74er-Familien gleich: Ein 74HC00, 74HCT00 und 74LVC00 enthalten dieselben vier NAND-Gatter mit derselben Pinbelegung.

Achtung: Die Nummern der beiden Reihen entsprechen sich nicht. Ein CD4011 ist ein NAND, ein 74HC11 dagegen ein dreifaches UND mit drei Eingängen. Und auch bei gleicher Funktion unterscheiden sich die Pinbelegungen zwischen den Reihen oft.

Die meisten einfachen Gatter-ICs folgen im 14-poligen Gehäuse einem Muster: Masse an Pin 7, Versorgung an Pin 14. Beim 74HC00 liegen die vier Gatter so:

Die Inverter 74HC04 und 74HC14 haben eine eigene, ebenfalls weit verbreitete Belegung mit Ein- und Ausgang nebeneinander. Den Schmitt-Trigger 74HC14 brauchst du überall, wo Signale langsam oder verrauscht ankommen.

Bauformen

Die klassischen Bausteine gibt es im bedrahteten DIP-14 und DIP-16, auf Platinen meist als SOIC-14 oder TSSOP-14. Wer nur ein einziges Gatter braucht, nimmt eine Einzelgatter-Variante wie den 74LVC1G00 (ein NAND) oder 74LVC1G04 (ein Inverter) im SOT-23-5 oder noch kleiner. Das spart Platz und Leiterbahnen, und du hast keine unbenutzten Gatter. Wie du Pin 1 an den Gehäusen findest, steht unter IC-Gehäuse.

Kennwerte: was ein Ausgang leisten kann

Ein 74HC-Ausgang ist kein schwacher Logikpegel, sondern eine kleine Stromquelle: Bei 4 mA fällt der High-Pegel nur um rund 0,5 V. Das reicht, um eine LED mit wenigen Milliampere direkt zu treiben. Die 4000er-Reihe liefert bei 5 V dagegen nur etwa 0,5–1 mA – zum Treiben von LEDs taugt sie bei dieser Spannung kaum, erst bei 10–15 V wird sie kräftiger.

Für den Vorwiderstand gibt es den Rechner:

Stromaufnahme beim Umschalten

Weil CMOS-Gatter nur beim Umschalten Strom ziehen, steigt die Leistung mit der Frequenz. Für jedes schaltende Gatter gilt:

C_pd ist die interne Kapazität aus dem Datenblatt, C_L die Last am Ausgang – Leiterbahn und nachfolgende Eingänge, meist 10–50 pF.

Typische Anwendungen

• Signale verknüpfen und umkehren: ein Freigabesignal invertieren, zwei Bedingungen per UND kombinieren, ein Reset aus mehreren Quellen per ODER zusammenführen.
• Taktgeber und Teiler: Mit einem 74HC14 und einem RC-Glied entsteht ein einfacher Oszillator, mit einem 74HC4060 und einem Schwingquarz ein genauer Takt samt Teiler.
• Ausgänge erweitern: Der 74HC595 macht aus drei Pins eines Mikrocontrollers acht Ausgänge, mehrere lassen sich kaskadieren.
• Pegel anpassen: Ein 74HCT-Baustein an 5 V erkennt die 3,3-V-Signale eines Mikrocontrollers sicher als High. Umgekehrt vertragen 74LVC-Eingänge an 3,3 V auch 5 V.
• Lauflichter und Zähler: Der CD4017 schaltet bei jedem Takt einen seiner zehn Ausgänge weiter – zusammen mit einem Timer 555 das klassische Lauflicht.

Auswahl und Praxistipps

Für neue 5-V-Schaltungen ist 74HC der Standard, für 3,3 V 74LVC. Muss ein 3,3-V-Signal in einen 5-V-Baustein, nimm 74HCT. Die 4000er-Reihe lohnt sich bei Versorgungen von 9–15 V, etwa direkt an einem 12-V-Bordnetz, und in sehr sparsamen, langsamen Schaltungen. Reine TTL-Bausteine (74LS) brauchst du nur noch für Reparaturen.

Häufige Fehler:

• Unbenutzte Eingänge offen: Ein offener CMOS-Eingang schwebt irgendwo zwischen High und Low. Dann leiten beide Transistoren halb, das Gatter zieht Querstrom, wird warm und kann schwingen. Lege jeden freien Eingang an Masse oder Versorgung. Unbenutzte Ausgänge bleiben offen.
• Kein Abblockkondensator: Die schnellen Flanken ziehen kurze Stromspitzen. 100 nF direkt zwischen Pin 14 und Pin 7 gehören zu jedem IC.
• Familien gemischt, ohne die Pegel zu prüfen: Ein 74HC an 5 V erkennt 3,3 V nicht zuverlässig als High (er braucht mindestens 3,5 V).
• Eingang über der Versorgung: Liegt ein Signal an, während das IC noch stromlos ist, fließt Strom über die Schutzdioden in die Versorgung. Ein Serienwiderstand von 1–10 kΩ begrenzt ihn.
• Lange Leitungen mit schnellen Flanken: 74AC- und 74LVC-Ausgänge schalten in wenigen Nanosekunden und klingeln auf langen Leitungen. Ein Serienwiderstand von 22–47 Ω am Ausgang dämpft das.

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