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Vom Schaltplan aufs Steckbrett mit 74HC-ICs

8 Min. Lesezeit · bitGateLab-Team

Eine Schaltung, die im Schaltplan funktioniert, kann auf dem Steckbrett an Details scheitern, die der Schaltplan nicht zeigt: eine unterbrochene Versorgungsschiene, ein verkehrt herum eingesetzter IC, ein offener Eingang oder eine LED ohne Widerstand. Hier siehst du, wie ein Steckbrett innen verbunden ist, wie man die Pinbelegung eines 74HC-ICs im 14-poligen DIP-Gehäuse liest, wie man den Widerstand für eine LED berechnet und wie man systematisch Fehler sucht.

Wie ein Steckbrett verbunden ist

Unter den Löchern liegen Metallstreifen, die Gruppen von Kontakten verbinden. Die typische Aufteilung ist:

Kontaktfeld: nummerierte Reihen (1, 2, 3…) und Spalten mit Buchstaben (a bis j). In jeder Reihe sind die fünf Löcher a, b, c, d, e miteinander verbunden und die fünf Löcher f, g, h, i, j ebenfalls, aber die beiden Gruppen sind voneinander getrennt.
Mittelkanal: die Rille zwischen den Spalten e und f. DIP-ICs werden rittlings darüber eingesetzt, damit jeder Pin in einer eigenen Reihe liegt und vier freie Löcher zum Anschließen von Drähten hat.
Versorgungsschienen: die langen Leisten an den Seiten, mit + und − gekennzeichnet. Sie verlaufen in Längsrichtung über das Steckbrett. Bei vielen langen Steckbrettern sind sie in der Mitte unterbrochen; siehst du eine Lücke in der aufgedruckten Linie, verbinde die beiden Hälften mit einem Draht.

Kurzregel: Zwei Kontakte sind nur dann verbunden, wenn sie in derselben Reihe und auf derselben Seite des Kanals liegen oder in derselben Schiene (und in derselben Hälfte, falls die Schiene unterbrochen ist). Alles andere braucht einen Draht.

Pinbelegung eines 14-poligen DIP-ICs

Sieh den IC von oben an, mit der Kerbe (oder dem Punkt) nach oben oder nach links. Pin 1 liegt neben der Kerbe, und die Nummerierung läuft gegen den Uhrzeigersinn: von 1 bis 7 auf der einen Seite abwärts und von 8 bis 14 auf der anderen aufwärts. Pin 14 liegt Pin 1 gegenüber.

74HC00 (vier NAND-Gatter mit 2 Eingängen), von oben gesehen. Jedes Gatter n hat die Eingänge nA, nB und den Ausgang nY.

Bei den meisten Logik-ICs mit 14 Pins liegt die Versorgung an gegenüberliegenden Ecken: Pin 14 = VCC und Pin 7 = GND. Die ICs mit vier Gattern mit 2 Eingängen haben dieselbe Belegung:

IC	Funktion	Gatter 1	Gatter 2	Gatter 3	Gatter 4
74HC00	NAND	A=1, B=2, Y=3	A=4, B=5, Y=6	A=9, B=10, Y=8	A=12, B=13, Y=11
74HC08	AND
74HC32	OR
74HC86	XOR

Achte auf die Ausnahmen. Der 74HC02 (vier NOR) hat die Ausgänge an den Pins 1, 4, 10 und 13, und der 74HC04 (sechs Inverter) verwendet die Eingang/Ausgang-Paare 1→2, 3→4, 5→6, 9→8, 11→10 und 13→12. Prüfe vor dem Verdrahten eines ICs immer seine Belegung im Datenblatt.

Vorwiderstände für LEDs

Eine LED, die direkt an einem Ausgang hängt, würde den gesamten Strom ziehen, den der Ausgang liefern kann, und das beschädigt die LED oder den IC. Der Reihenwiderstand legt den Strom fest:

R = (V_Ausgang − V_f) / I

Dabei ist V_f die Durchlassspannung der LED (etwa 2 V bei üblichen roten, gelben und grünen LEDs; etwa 3 V bei blauen und weißen). 74HC-Ausgänge sind dafür spezifiziert, rund 4 mA zu liefern und dabei gültige Logikpegel einzuhalten; verlangt man mehr, entfernt sich die Ausgangsspannung von VCC bzw. von GND.

Beispiel: rote LED (V_f = 2 V) an einem 74HC-Ausgang bei 5 V Versorgung, mit einem Zielstrom von 4 mA.

R = (5 − 2) / 0.004 = 750 Ω.
Man wählt den nächsthöheren Normwert, 820 Ω.
Tatsächlicher Strom: I = 3 / 820 ≈ 3.7 mA, innerhalb der Grenze und ausreichend, um die LED deutlich zu sehen.

Mit 330 Ω wäre der Strom 3 / 330 ≈ 9.1 mA, mehr als das Doppelte dessen, was für gültige Pegel spezifiziert ist.

Für eine LED, die bei logisch 1 leuchtet: Ausgang → Widerstand → Anode (langes Beinchen) → Kathode (kurzes Beinchen, abgeflachte Seite) → GND.

Unbeschaltete Eingänge

Ein CMOS-Eingang hat eine extrem hohe Impedanz. Lässt du ihn offen, liest er weder „0“ noch „1“: Er nimmt durch Störungen oder angesammelte Ladungen irgendeine Spannung an, kann auf halbem Weg hängen bleiben und dazu führen, dass das Gatter schwingt oder mehr Strom aufnimmt als normal. Deshalb:

Verwende für einen Schalter einen Widerstand von 10 kΩ nach GND (Pull-down) und den Schalter nach VCC oder umgekehrt einen Widerstand nach VCC (Pull-up) und den Schalter nach GND. Ohne den Widerstand lässt der offene Schalter den Eingang in der Luft hängen.
Bei Gattern, die du nicht verwendest, legst du die Eingänge auf GND oder VCC; ihre Ausgänge bleiben frei und werden niemals mit GND oder VCC verbunden.

Abblockkondensatoren

Beim Schalten zieht ein Gatter einen kurzen Stromimpuls, den die Induktivität der Leitungen nicht rechtzeitig von der Quelle nachliefern lässt, und die Spannung am IC bricht für einen Augenblick ein. Abhilfe schafft ein Keramikkondensator von 100 nF zwischen VCC und GND, möglichst nah an den Pins 14 und 7 jedes ICs, der diesen Strom lokal liefert. Zusätzlich empfiehlt sich ein Elektrolytkondensator von 10 bis 100 µF am Versorgungseingang des Steckbretts, wobei auf seine Polarität zu achten ist.

Vom Schaltplan zur Verdrahtung

Beispiel: F = A·B + C mit einem 74HC08 und einem 74HC32.

Setze den 74HC08 über den Kanal, mit der Kerbe zu den Reihen mit den kleineren Nummern. Liegt Pin 1 in Reihe 10, dann liegt Pin 7 in Reihe 16 und Pin 14 in Reihe 10 auf der anderen Seite des Kanals.
Verbinde Pin 14 mit der Schiene + und Pin 7 mit der Schiene −. Wiederhole das beim 74HC32. Setze neben jeden IC einen Kondensator von 100 nF.
A an Pin 1 und B an Pin 2 des 74HC08. Sein Pin 3 (A·B) geht an Pin 1 des 74HC32.
C an Pin 2 des 74HC32. Pin 3 des 74HC32 ist F: Verbinde ihn mit einem Widerstand von 820 Ω und einer LED nach GND.
Lege bei beiden ICs die Eingänge der übrigen Gatter auf GND: Pins 4, 5, 9, 10, 12 und 13.

Fehlersuche Schritt für Schritt

Versorgung: Miss mit dem Multimeter die Spannung direkt zwischen den Pins 14 und 7 jedes ICs, nicht an den Schienen. So entdeckst du eine unterbrochene Schiene oder einen schlecht eingesteckten IC.
Ausrichtung: Prüfe die Kerbe jedes ICs. Ein verkehrt herum eingesetzter IC bekommt die Versorgung an den falschen Pins und wird heiß; bemerkst du einen heißen IC, trenne sofort die Versorgung.
Eingänge: Prüfe, ob jeder Eingang den erwarteten Pegel hat, auch die der unbenutzten Gatter.
Gatter für Gatter: Beginne bei den Eingängen und arbeite dich zum Ausgang vor, indem du jeden Knoten mit der Wahrheitstabelle vergleichst. Der erste Knoten, der nicht übereinstimmt, zeigt dir, wo das Problem liegt.
Mechanik: Suche nach umgebogenen Beinchen unter dem IC, nach Drähten, die in der Nachbarreihe gelandet sind, und nach lockeren Drahtbrücken.

Häufige Fehler

Anzunehmen, dass die Versorgungsschienen über das ganze Steckbrett durchgehen, obwohl sie in der Mitte unterbrochen sind.
Einen IC einzusetzen, ohne den Mittelkanal zu überbrücken, sodass gegenüberliegende Pins in derselben Reihe verbunden sind.
Die Eingänge an einem offenen Schalter oder an unbenutzten Gattern offen zu lassen.

Probiere es im Simulator aus

Auf dem virtuellen Steckbrett kannst du das Platzieren und Verdrahten üben, bevor du echte Bauteile anfasst.

Baue F = A·B + C im Schaltungseditor auf und prüfe die Wahrheitstabelle.
Wechsle zum virtuellen Steckbrett und setze einen 74HC08 und einen 74HC32 über den Mittelkanal.
Verbinde VCC mit Pin 14 und GND mit Pin 7 jedes ICs.
Verdrahte die Eingänge, die Verbindung zwischen den ICs und den Ausgang zu einer LED nach der Liste aus dem Beispiel.
Schalte A, B und C um und beobachte, dass die LED der Wahrheitstabelle folgt.

Übungen

Welche Pins würdest du bei einem 74HC86 für Gatter 3 verwenden, und welche Funktion führt es aus?
Lösung
Eingänge an den Pins 9 und 10, Ausgang an Pin 8. Es ist ein XOR.
Berechne den Widerstand für eine grüne LED (V_f = 2.1 V) bei 5 V mit einem Strom von 3 mA und wähle einen Normwert.
Lösung
R = (5 − 2.1) / 0.003 ≈ 967 Ω. Man verwendet 1 kΩ, mit I = 2.9 / 1000 = 2.9 mA.
Eine Schaltung mit drei 74HC-ICs funktioniert nur zeitweise und versagt, wenn mehrere Gatter gleichzeitig schalten. Was würdest du zuerst prüfen?
Lösung
Die Abblockkondensatoren: ein Kondensator von 100 nF zwischen den Pins 14 und 7 jedes ICs, nah am IC. Außerdem die Versorgungsspannung, gemessen an den Pins jedes ICs.
Ein IC wird mit Pin 1 in Reihe 20, Seite e, eingesetzt. In welcher Reihe und auf welcher Seite liegt Pin 8?
Lösung
Pin 7 liegt in Reihe 26 auf der Seite e und Pin 8 ihm gegenüber: Reihe 26, Seite f.