Hans Martins Bastelseiten

Digitale Grundschaltungen in Röhren-Technik

Digitaltechnik und Röhren sind kein Widerspruch. Die ersten Computer funktionierten so. Sie hatten oft viele 1000 Röhren, die Bits und Bytes verwalteten. Hier stelle ich eine Auswahl an digitalen Grundschaltungen vor, die in einem Computer vorkommen: Taktgeneratoren, Binärzähler, Speicherbausteine. Die meisten davon habe ich nur im fliegenden Aufbau realisiert, um das Schaltungsprinzip zu demonstrieren. Das Prinzip ist nicht allzu kompliziert, und man kann alles zu beliebig kombinieren. Wenn Sie furchtbar viele Röhren in der Bastelkiste liegen haben und ratlos sind, was Sie damit anfangen sollen, weil Sie bereits Dutzende von Röhrenradios und Röhrenverstärkern besitzen, dann ist das hier vielleicht das Richtige für Sie. Jedenfalls wünsche ich viel Spaß beim Stöbern.

Letzte Änderung an dieser Seite: 13.6.2018

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Rechteckoszillator / Multivibrator mit Heptode:

Die ECH 81 ist eine Heptode mit zusätzlicher Triode. In Röhrenradios wurde sie zur Zwischenfrequenzerzeugung verwendet, wobei die Triode als Oszillator, die Heptode zur Mischung von Antennen- und Oszillatorsignal verwendet wurde. Die Heptode eignet sich auch zum Erzeugen von Rechteckimpulsen mit hoher Flankensteilheit (3-5 µs Anstiegs- /Abfallzeit). Der hier gezeigte Oszillator arbeitet nach dem Transitron-Miller-Prinzip: die verschiedenen Gitter der Heptode ziehen je nach ihrer momentanen Spannung sprunghaft mehr oder weniger große Anteile des Kathodenstroms an sich. Die beiden 4,7-nF-Kondensatoren werden periodisch ge- und entladen. Die Frequenz läßt sich durch Verändern der Kondensatoren in weiten Bereichen anpassen. Ausgangsamplitude: ca 130 Vss bei Ub = 160 V.



Links: Der Heptoden-Multivibrator erzeugt Rechteckimpulse, die sich zum Triggern eines dynamischen Flipflops eignen, aber auch führ digitale Zähler und Schieberegister. Der rechte Teil dieser Schaltung ist ein solchen Flipflop, die Grundschaltung für Zähler und Speicherbausteine. Hierfür eignen sich nahezu alle gängigen Doppeltrioden. Wichtig ist, dass die beiden Trioden und ihre Beschaltung möglichst symmetriesch ausgelegt sind, damit das Flipflop nicht in einem der beiden Zustände festhängt.

Die Impulsfrequenz an den Anoden der Trioden ist halb so groß wie die des Multivibrators, der die Eingangsimpulse liefert.

Die Grundschaltung aller Flipflops und Speicher: ein bistabiler Multivibrator aus zwei Trioden. Im rechts gezeigten Beispiel ist eine dieser Trioden Teil einer Anzeigeröhre, einer EM 80. Das hat den Vorteil, dass der Zustand der Flipflops gleichzeitig am Leuchtfächer zu erkennen ist.

Der genaue Wert der Anodenpotentiale hängt von den Röhren und den Widerstandswerten ab. Das alles funktioniert in einem weiten Bereich. Auch von der Betriebsspannung. Das Flipflop rechts braucht eine Betriebsspannung Ub oberhalb von 140 V, damit es korrektr arbeitet (siehe Tabelle).



Wie das dynamische Flipflop funktioniert: Eine der beiden Trioden hat also an ihrer Anode immer ein hohes Potential, die andere ein niedriges. Das entspricht den logischen Zuständen 1 und 0, die man durch die Spannungsimpulses auf der Taktleitung umschalten kann.

Bei dem oben angegebenen dynamischen Flipflop wird dieser Impuls durch die Kombination von Diode, Kondensator, und Widerstand vor dem Gitter gebildet. Wenn eine Impulsfolge von der Taktleitung gelangt (siehe oberes Oszillogramm im Bild rechts), dann verhält sich die Spannung an der Kathode der Halbleiterdioden in einer solchen Schaltung wie im unteren Oszillogramm: Wenn die entsprechende Triode den Zustand "1" hat und die Anodenspannung folglich hoch ist, dann liegt die hohe Anodenspannung über den Widerstand an der Kathode der Diode. Diese ist dann erst mal gesperrt: kein Impuls dringt von der Taktleitung zum Gitter der Triode vor. Ist der Zustand der Triode jedoch "0", dann ist Anodenspannung klein und die sperrende Vorspannung der Diode nahezu abgestellt. Ein eintreffender negativer Taktimpuls macht sie leitend. Dadurch wird auch das Gitter negativ. Die Triode sperrt dann. Die Anodenspannung steigt rasch an, so dass der Zustand logisch "1" ist. Und so weiter.

Ob beim Digitalzähler oder beim Schieberegister: man kann solche dynamischen Flipflops leicht kaskadieren. Wie das genau gemacht wird, zeigt das folgende Video.




NEU! Digitalzähler und Schieberegister aus Trioden und Magischen Augen bauen, in 5 Schritten!

Das Video: Als die Röhren zählen lernten

Viel Spaß beim anschauen!



Links: ein improvisierter 2-Bit-Zähler. Die EM 80 ganz links erzeugt ein Impulssignal von etwa 1 Hz. Hiermit wird das Flipflop #1, bestehend aus einer weiteren EM 80 oder 6E1P sowie einer EBC 91 angesteuert. Die Trioden dieser Röhren haben hinreichend ähnliche Eigenschaften, dass dies funktioniert. Von der Anode der EBC 91 wird dann das Impulssignal das Flipflop #2 abgegriffen, das aus einer Doppeltriode vom Typ ECC 85 besteht. Die EM 84 daneben zeigt den Status dieses zweiten Flipflops an. Man beachte, dass vor allem die Anodenwiderstände der ECC 85 kleiner sind als jene der 6E1P und der EBC 91, denn die ECC 85 benötigt unter den gegebenen Bedingungen etwas mehr Strom.

Rechts: ein 2-Bit-Schieberegister: hier werden aus den vorigen Röhren wieder zwei Flipflops aufgebaut. Der Unterschied zum Zähler besteht darin, dass nun beide Flipflops synchron getaktet werde. Hier geschieht dies mit dem Taster "CLK" von Hand. Dafür sind die Vorbereitungsengänge (d.h. die Widerstandsverbindungen zwischen den Halbleiterdioden vor den Röhrengittern und den Anoden nun zwischen beiden Flipflops kaskadiert. Mit dem Schalter "SET" wird der Vorbereitungseingang des ersten Flipflops auf "1" oder "0" gelegt. Wird nun "CLK" betätigt, dann wird dieser Zustand vom ersten Flipflop übernommen. Das zweite Flipflop übernimmt dagegen den bisherigen Zustand von Nr. 1. Die Triode der EM 84 ganz links dient als Inverter für den Zustand des "SET"-Schalters. Das inverse Signal wird stets benötigt, um den inversen Vorbereitungseingang des ersten Flipflops korrekt anzusteuern.
Nichts spricht dagegen, hier noch weitere Flipflops anzufügen, um den Speicherumfang zu erweitern. Es gibt jedoch für den Bastler eine praktische Grenze: ein 256-Byte-Speicher dieser Bauweise bräuchte für seine 2048 Doppeltrioden allein 12 kW Heizleistung. Das reicht im kältesten Winter für ein Einfamilienhaus!



Positiv flankengetriggertes Monoflop:

Wenn eine positive Impulsflanke von mindestens 3 Volt an einen der Eingänge A oder B gelegt wird (siehe Schaltbild, rechts oben), dann schaltet der Ausgang für bestimmten Zeitraum zwischen 0,1 ms bis wenige Sekunden vom Ruhepegel (ca. 40 V) auf etwa 110 V: Das Monoflop ist daher für Zeitschalter und zur Impulsformung und Impulsverzögerung geeignet.

Die Schaltung hat zwei verschiedene Eingänge A und B. Über Eingang B kann das Monoplop vorzeitig zurückgesetzt werden, über Eingang A dagegen nicht. Folgt auf die positive Impulsflanke eine negative, dann hat das an Eingang A keine Konsequenzen. Das Monoplop hält seinen Ausgang bis zum Ablauf der vorgesehenen Zeitspanne auf dem hohen Spannungsniveau. Dagegen führt die negative Impulsflanke an Eingang B dazu, dass der Ausgang des Monoflops augenblicklich zum niedrigen Niveau zurückkehrt.

Die Schaltdauer des Monoflops wird durch den Kondensator C zusammen mit dem Gitterwiderstand der zweiten Triode bestimmt. Bei C = 0,1 µF und R = 1 Megaohm Ableitwiderstand erhält man etwa 0,16 Sekunden. Die Schaltzeit konnte ich durch Anpassen von C zwischen 100 µs (C = 47 pF) und etwa 1 s (C = 680 nF) einstellen. Das ist in dem unteren Datenplot (Schaltzeit gegen Gitterkondensator) gezeigt.

Noch eine Bemerkung: Verwendet man die ECC 82 statt der ECC 85, dann sollte der Fußpunkt des 820 k-Widerstands im Eingangskreis besser an Masse statt an den Punkt G gelegt werden, sonst neigt das Monoflop zum selbständigen oszillieren.









Mal was für's Auge:

Ein elektronisches Lauflicht



aus Leistungspentoden, auch als Ring-Oszillator bekannt. Die Pentoden schalten reihum für etwa 1 Sekunde die Glühbirnen im Anodenkreis ein- und aus. Man kann natürlich auch 5 oder 7 Pentoden so zusammenschalten. Statt der ELL 80 bzw. EL 95, die ich verwendet habe, geht z.B. auch die EL 84 oder eine andere ausreichend starke Pentode. Ein paar Beispiele auf Youtube:

3-Röhren-Lauflicht

5-Röhren-Lauflicht

Noch ein 5-Röhren-Lauflicht

(C) Hans Martin Sauer 2016. Alle Rechte vorbehalten.