Dioden- und Transistorlogik

Drei Alarmkontakte sollen denselben Interrupt-Pin auslösen. Ein Relais soll nur anziehen, wenn Tür zu und Schlüsselschalter an sind. Für solche einfachen Verknüpfungen brauchst du nicht unbedingt einen Logikbaustein: Ein paar Dioden und ein Widerstand ergeben ein UND oder ein ODER. Kommt ein Transistor dazu, entsteht ein vollwertiges NAND-Gatter, das seine Pegel selbst auffrischt.

Genau so waren die ersten integrierten Logikfamilien der 1960er-Jahre gebaut: als Dioden-Transistor-Logik (DTL) und Widerstands-Transistor-Logik (RTL). Ihr Nachfolger TTL ersetzte die Eingangsdioden durch einen Transistor mit mehreren Emittern; das Prinzip blieb. Wer DTL versteht, versteht deshalb auch, warum ein TTL-Eingang Strom liefert und bei offenem Eingang High sieht. Hier lernst du die Grundgatter kennen und dimensionierst ein DTL-NAND mit 1N4148 und BC547.

Schaltplan

Zuerst die beiden Grundgatter aus Dioden:

Und das vollständige NAND-Gatter:

• D1, D2 (1N4148) mit R1, 4,7 kΩ: Dioden-UND. Der Knoten P ist nur High, wenn kein Eingang Low zieht.
• D3, D4 (1N4148): Pegelverschiebung um zwei Diodenspannungen. Sie sorgen dafür, dass T1 bei Low am Eingang sicher sperrt.
• R2, 10 kΩ: zieht die Basis bei gesperrten Dioden auf Masse und räumt beim Ausschalten die Ladung aus der Basis.
• T1, BC547B: Inverter. Er schaltet den Ausgang Y auf Masse.
• R3, 2,2 kΩ: Pull-up am Kollektor, liefert den High-Pegel.

So funktioniert die Schaltung

Dioden-ODER: Liegt an A oder B ein High, leitet die zugehörige Diode, und Y folgt diesem Eingang abzüglich etwa 0,6 V. Liegen beide auf Low, zieht R1 den Ausgang auf Masse. Die Dioden verhindern, dass ein High-Eingang den anderen Eingang treibt.

Dioden-UND: Liegt ein Eingang auf Low, leitet seine Diode und zieht Y auf etwa 0,6 V. Nur wenn beide High sind, sperren beide Dioden und R2 zieht Y auf 5 V.

Die Schwäche ist offensichtlich: Jede Diode kostet 0,6 V. Ein ODER liefert aus 5 V nur 4,4 V, ein UND bei Low statt 0 V eben 0,6 V. Schaltest du mehrere Stufen hintereinander, laufen die Pegel davon. Außerdem kann ein Diodengatter keinen Strom verstärken, es lebt von dem, was die Eingänge liefern. Wie diese Pegel bei Logikfamilien festgelegt sind, steht unter Logikfamilien.

DTL-NAND: Hier räumt der Transistor mit beiden Problemen auf.

• Beide Eingänge High oder offen: D1 und D2 sperren. Strom fließt von +5 V über R1, D3 und D4 in die Basis, T1 sättigt, Y liegt bei unter 0,1 V. Am Knoten P stellen sich drei Durchlassspannungen ein: etwa 1,95 V.
• Ein Eingang Low: Seine Diode leitet und zieht P auf etwa 0,7 V. Für drei Diodenstrecken (D3, D4 und die Basis-Emitter-Diode) reicht das nicht, T1 sperrt, R3 zieht Y auf 5 V.

Das ergibt die Wahrheitstabelle eines NAND: Y ist nur Low, wenn A und B High sind. Der Ausgang liefert wieder saubere Pegel von 0,1 V und 5 V, egal wie viele Stufen davor liegen. Wie der Transistor als Schalter arbeitet, steht dort im Detail.

Dimensionierung

1. Strom in die Basis. Mit beiden Eingängen High liegen an P etwa 1,95 V (zwei Dioden à 0,6 V und 0,75 V an der Basis):

Davon fließen 0,75 V / 10 kΩ = 0,08 mA durch R2, in die Basis also rund 0,57 mA.

2. Kollektorstrom und Übersteuerung. R3 begrenzt den Strom durch den gesättigten Transistor:

Mit der kleinsten Stromverstärkung des BC547B von 200 genügen 11 μA. 0,57 mA sind gut das Fünfzigfache, der Transistor sättigt sicher, auch wenn weitere Gattereingänge am Ausgang hängen.

3. Warum zwei Dioden? Zieht ein Eingang auf Low (0,1 V vom vorigen Gatter), liegt P bei etwa 0,7 V. Ohne D3 und D4 käme das direkt an die Basis, und T1 würde schon leiten. Mit zwei Dioden in Reihe bräuchte P etwa 1,8 V, um den Transistor zu öffnen. Die Schaltschwelle am Eingang liegt eine Diodenspannung darunter, bei rund 1 V. Ein Low darf also bis knapp 0,9 V ansteigen, bevor der Ausgang reagiert. Dieser Abstand ist der Störabstand.

4. Last für das treibende Gatter. Ein Low-Eingang muss den Strom aus R1 aufnehmen:

Hängen zehn Eingänge an einem Ausgang, muss T1 zusätzlich 9 mA schlucken, zusammen 11 mA. Dafür braucht er mindestens 55 μA Basisstrom, er hat 570 μA. Ein Ausgang treibt also locker zehn Eingänge; in Datenblättern heißt das Fan-out.

Bauteilliste

Varianten

Widerstands-Transistor-Logik (RTL). Jeder Eingang bekommt einen eigenen Transistor mit Basiswiderstand, alle Kollektoren hängen an einem gemeinsamen Widerstand. Leitet einer, ist der Ausgang Low: ein NOR. RTL braucht keine Dioden, hat aber einen kleineren Störabstand, weil schon 0,6 V am Eingang einen Transistor öffnen.

Mehr Eingänge. Beim DTL-NAND hängst du für jeden weiteren Eingang einfach eine Diode an P. Eine Diode mehr kostet fast nichts, deshalb hatten DTL-Gatter oft acht Eingänge.

Diodenlogik am Mikrocontroller. Sollen mehrere Taster oder Sensoren einen einzigen Interrupt-Pin auslösen, verbindest du ihre Low-aktiven Ausgänge über Dioden mit dem Pin, der einen Pull-up hat: Jeder einzelne zieht ihn auf Low. Zusätzlich liest du jeden Taster an einem eigenen Pin, um zu wissen, wer es war. Mit Schottky-Dioden wie der BAT54 sind es nur 0,3 V Verlust (Schottky-Diode). Dasselbe Prinzip im Großen ist die ODER-Schaltung mit Dioden für zwei Stromversorgungen.

Wired-AND mit Open-Collector. Mehrere Transistorausgänge ohne eigenen Kollektorwiderstand an einer gemeinsamen Leitung mit Pull-up ergeben ebenfalls eine Verknüpfung: Die Leitung ist nur High, wenn alle loslassen. So arbeitet der I²C-Bus, siehe Open-Collector-Ausgang.

Und heute? Für mehr als zwei, drei Verknüpfungen ist ein Logikgatter-IC einfacher, kleiner und sparsamer. Ein 74HC00 enthält vier NAND-Gatter und braucht im Ruhezustand weniger Strom als ein einziges DTL-Gatter.

Typische Fehler

• Diodengatter hintereinandergeschaltet: Jede Stufe kostet 0,6 V. Nach drei ODER-Stufen bleiben aus 5 V nur 3,2 V, und das Low eines UND-Gatters wandert nach oben. Spätestens nach zwei Stufen gehört ein Transistor oder ein Gatter dazwischen.
• Pull-up oder Pull-down vergessen: Ohne R1 im Dioden-ODER hängt der Ausgang in der Luft, solange kein Eingang High ist. Ein CMOS-Eingang dahinter liest dann Zufall.
• Dioden verkehrt herum: Ein ODER mit gedrehten Dioden wird zum UND, das nichts treiben kann. Merkregel: Beim ODER zeigt die Kathode zum Ausgang, beim UND zum Eingang.
• Nur eine Diode zur Pegelverschiebung: Dann sinkt die Schaltschwelle auf etwa 0,4 V, und schon ein leicht angehobenes Low schaltet. Am Multimeter siehst du dann einen Ausgang, der zwischen den Pegeln hängt.
• Langsames Ausschalten: Ein gesättigter Transistor braucht einige Mikrosekunden zum Ausschalten. Fehlt R2, dauert es noch länger. Für schnelle Signale sind diskrete Gatter ungeeignet.

Selbsttest