BASISKURS
Elektronik am PC
Elektronik-Experimente an der seriellen Schnittstelle
(Teil 3)
Von Burkhard Kainka
Im dritten Teil geht es um die Ausgänge
der RS232-Schnittstelle. Wenn man
mit den Sendeleitungen des seriellen
Ports etwas ansteuern möchte, muss
man wissen, was man den Ausgangs-
treibern der Schnittstelle zumuten
kann (und was nicht!). Natürlich wird dieses
Wissen auch im Experiment angewandt.
VCC
In der ersten Folge des Kurses wurde bereits
14
festgestellt, dass die Ausgangsleitungen der
RS232 entweder +10 V oder -10 V führen.
4, 9, 12, 2
Außerdem konnte man gefahrlos eine LED
anschließen, da der Strom begrenzt ist. Aber
5, 10, 13
wie verhalten sich die Ausgänge genau? Die-
ser Frage soll nun nachgegangen werden. 6, 8, 11, 3
300&!
Die Hersteller von PC-Hardware halten sich
weitgehend an die RS232-Norm, in der fest-
7
gelegt wird, mit welchen Pegeln Daten über-
tragen werde sollen. Ursprünglich war fest-
gelegt, dass die Ausgangsspannungen Ä…15 V
betragen sollen. Am Eingang sollen minde-
stens Signale von Ä…3 V liegen. Spannungen
unter -3 V gelten als logische Eins, solche
über +3 V als logische Null. Da die Ausgänge
Ä…15 V liefern sollen, die Eingänge jedoch nur
VEE
Ä…3V brauchen, ergibt sich eine gute Übertra-
000074 - 3 - 11
gungssicherheit auch bei längeren Leitungen.
1
Störungen fallen weniger ins Gewicht als z.B.
bei TTL-Pegeln mit 0 V/5 V.
Bild 1. Innenschaltung des 1488 (Quelle: Motorola)
64 Elektor 11/2000
6k2
6k2
70
&!
3k6
10k
7k0
70
&!
BASISKURS
von Impulsen führen, muss der maxi-
Norm und Praxis
DTR
male Ausgangsstrom erhöht werden.
An die strenge Vorgabe, Ä…15 V aus- Die Ausgänge neuerer PCs liefern
zugeben, hält sich schon lange nie- daher nicht mehr nur 10 mA, son-
V
a
mand mehr, denn das PC-Netzteil dern etwa 20 mA. Insgesamt kann
hat ja eine Versorgung mit +12 V man dann bis zu 60 mA aus der
und - 12V, was auch reichen muss. Schnittstelle entnehmen. Das ist
GND
Dass dann am Ende noch etwas schön für die hier vorgestellten Ver-
000074 - 3 - 12a
weniger ankommt, liegt an den ver- suche und ein weiterer Grund, ein-
wendeten Ausgangstreibern. Auf mal genauer nachzumessen. Es sind
einzelnen Schnittstellenkarten wur- übrigens auch schon PCs aufge-
DTR
den meist Leitungstreiber 1488 und taucht, die tatsächlich genau Ä…12V
Leitungsempfänger 1489 eingesetzt, an den Ausgängen liefern. Vermut-
die einen Quasi-Standard für das lich wurden hier in der Ausgangs-
A
b
tatsächliche Verhalten der RS232 stufe des Leitungstreibers MOSFETs
festlegen. Bild 1 zeigt die Innen- eingesetzt.
schaltung des Leitungstreibers. Man
GND
sieht deutlich, dass eine Strombe-
Messung der
000074 - 3 - 12b
grenzung vorgesehen ist. Sie ist im
Ausgangskennlinie
Datenblatt mit 10 mA angegeben.
Bild 2. Messung der Leerlaufspannung (a) und
Also sollen auch bei einem Kurz- Ganz grob erhält man die Daten der
des Kurzschlussstroms (b).
schluss nicht mehr als 10 mA fließen. Ausgänge, wenn man z.B. mit einem
Außerdem sieht man an der Schal- Digitalmultimeter die Leerlaufspan-
tung, dass nicht 12 V rauskommt, nung und den Kurzschlussstrom
wenn man 12 V anschließt. Die Aus- ermittelt (Bild 2.).  Kurzschluss hört
DTR
A
gangsstufe sorgt für einen gewissen sich sehr gefährlich an, ist aber an
Spannungsabfall, so dass letztlich der RS232-Schnittstelle wegen der
nur etwa 10 V am Ausgang eingebauten Strombegrenzung
a V
erscheint. unschädlich.
Inzwischen werden meist höher Beim PC des Verfassers wurden fol-
10k
integrierte Bausteine eingesetzt, die gende Werte gemessen:
GND
die Ausgangstreiber gleich mit ent-
000074 - 3 - 13a
halten. Dabei können sich etwas Leerlaufspannung
abweichende Daten ergeben. Des- U0 =  10,9 V (AUS),
halb ist es interessant, für den eige- U0 = +10,9 V (AN)
DTR
nen PC die ausgegebenen Spannun-
gen und Ströme genauer zu untersu- Kurzschlussstrom:
chen. Die Tendenz bei den Imax =  22,4 mA (Aus),
b
V
PC-Herstellern geht ja bekanntlich in Imax = 24, 4mA (AN)
0 ... 22k
Richtung schneller, größer, besser.
Das bedeutet für die RS232-Schnitt- Um die genauen Daten der RS232-
GND
stelle höhere Baudraten auf längeren Ausgänge des eigenen PCs zu ermit-
000074 - 3 - 13b
Kabeln mit hoher Übertragungssi- teln, ist eine kleine Messreihe erfor-
cherheit. Damit auch die höheren derlich. Man muss dazu die Span-
Bild 3. Messungen unter wechselnder
Kapazitäten langer Leitungen nicht nung und den Strom bei
Belastung.
zu einer übermäßigen Abflachung unterschiedlichen Belastungen mes-
sen. Als Last kann entweder ein Poti
mit ca. 10 k&! oder eine Reihe ver-
schiedener Einzelwiderstände die-
12
nen. Wenn zwei Messgeräte vorhan-
U / V
Tabelle 1
10
den sind, misst man am besten die
Spannung und den Strom (Bild 3a).
R/k&! I/mA U/V 8
Ist nur eins zur Hand, reicht auch 1k&!
unendlich 0 10,9
6
eine Spannungsmessung, wenn der
22 0,48 10,6
jeweilige Widerstand bekannt ist
4
10 1,04 10,4
LED
(Bild 3b). Die Beispielmessung
4,7 2,12 10
2
wurde mit einer Reihe von Normwi-
2,2 4,18 9,2
0
derständen durchgeführt. Es wurde
17,87,8 0 5 10 15 20 25
000074 - 4 - 14
jeweils die Spannung gemessen und I / mA
0,47 12,55 5,9
der Strom mit I=U/R berechnet. Das
0,33 14,84 4,9
Ergebnis ist in Tabelle 1 zu sehen.
Bild 4. Die Belastungskennlinie für einen
0,01 25 0,25
Bild 4 zeigt die abnehmende Aus- Ausgang.
11/2000 Elektor 65
BASISKURS
2,2 V. Aus dem Diagramm geht her- an einer Schnittstellenleitung betrie-
TXD
- 10V
vor, dass der Diodenstrom ca. 20 mA ben werden (Bild 6). Oft benötigt
beträgt. Das ist gerade der maximale man noch eine Diode, damit das
DTR
100&!
erlaubte Dauerstrom für eine nor- Relais in der einen Spannungsrich-
male LED. Die Messung zeigt also, tung abfällt.
RTS
dass eine LED ohne Vorwiderstand
4V8
angeschlossen werden darf.
Transistor-Schaltstufen
NiCd
Die Auswertung der Messdaten
erfolgte übrigens mit Excel. Wer Lust Wenn größere Lasten als nur LEDs
hat, kann für den eigenen PC eine geschaltet werden sollen, kann man
GND
genaue Messung durchführen. Dies Relais einsetzen. Preiswerter, ele-
000074 - 3 - 15
ist zugleich eine gute Übung für ganter und weniger aufwendig ist
angewandte Messtechnik und Aus- jedoch eine Transistor-Schaltstufe.
Bild 5. Laden eines Akkus an der RS232-
wertung. Falls der eine oder andere Hier soll eine kleine Glühlampe mit
Schnittstelle.
Leser diesen Aufwand scheut, kann 100 mA geschaltet werden. Bild 7
er natürlich alle Versuche auch ohne zeigt eine Schaltung mit externer
eigene Messung durchführen. Stromquelle. Der eingesetzte Transi-
stor ist ein BC548. Das Prinzip der
Schaltstufe ist sehr einfach: Die
Verbraucher an der
Schnittstelle liefert nur den relativ
DTR
seriellen Schnittstelle
kleinen Basisstrom des Transistors.
Wenn die Schnittstelle direkt LEDs Der Strom wird durch den Transistor
treiben kann, muss der Strom auch verstärkt, so dass der Kollektorstrom
für andere Verbraucher ausreichen. die Lampe einschaltet.
Wie bereits festgestellt wurde, kann Wie kommt man auf die Auswahl der
man bis zu etwa 60 mA aus der geeigneten Bauteile einer solchen
Schnittstelle entnehmen. Damit lässt Schaltstufe? Die wichtigsten Überle-
GND
sich schon einiges anfangen. gungen sollen hier kurz vorgestellt
000074 - 3 - 16
Die folgende praktische Anwendung werden. Die Glühlampe hat einen
ist ein kleines Akku-Ladegerät an Betriebsstrom von 100 mA. Dieser
Bild 6. Anschluss eines Relais.
der seriellen Schnittstelle. In der wird mühelos von einem BC548 ver-
gezeigten Schaltung fließt ein Lade- kraftet. Der maximale Kollektorstrom
strom von rund 30 mA. Das reicht für wird mit 300 mA angegeben. Wenn
kleine Akkus oder zur Ladungserhal- man den Lampenstrom im Moment
tung aus. Hier wird übrigens mit des Einschaltens misst, stellt man
negativer Ausgangsspannung gear- jedoch einen größeren Strom fest.
beitet. Das hat den Vorteil, dass die Die Lampe hat im kalten Zustand
6V
Schaltung gleich nach dem Ein- einen Widerstand von nur 1/10 des
schalten des PCs ohne Start eines Betriebswiderstands. Theoretisch
100mA
Programms funktioniert. Falls die fließt also kurzzeitig ein Strom von 1
Polung stört, kann man die Dioden A. In der Praxis wird jedoch der Ein-
4V5...6V
DTR
2k2
umdrehen und die Leitungen per schaltstrom durch den Transistor
Software auf + 10 V umschalten. etwas begrenzt. Da sich der Glühfa-
BC548
Wer möchte, kann die Ladung auch den der Lampe in wenigen Millise-
per Software automatisch steuern. kunden erwärmt, ist die kurze Über-
1N4148
Auch andere kleinere Verbraucher lastung zu verkraften. Wem das zu
GND
lassen sich direkt von der seriellen unsicher ist, der kann einen BC338
000074 - 3 - 17
Schnittstelle betreiben. Ein Beispiel mit einem Spitzenstrom von 800 mA
sind kleine Gleichstrommotoren. Ein verwenden.
Bild 7. Anschluss einer Transistor-Schaltstufe.
leichtgängiger Motor, wie er z.B. in Der Basiswiderstand von 2,2 k&! liegt
einem Kassettenrecorder verwendet an einer Spannung von rund 10 V. Es
wird, läuft schon mit etwa 30 mA an. fließt also im AN-Zustand ein Basis-
gangsspannung bei steigender Belastung. Man kann daher mit dem zusam- strom von etwa 4,5 mA. Für den
Der kleinste Widerstand mit 10 &! stellt schon mengefassten Strom mehrerer Aus- BC548 wird je nach Verstärkungs-
fast einen Kurzschluss dar, wobei aber noch gänge einen solchen Motor betrei- gruppe (A, B oder C) ein Verstär-
die Spannung gut zu messen ist. Das Dia- ben. Mit einer kleinen Veränderung kungsfaktor zwischen 110-fach und
gramm zeigt einen in erster Näherung linearen des Blinkprogramms kann man errei- 800-fach angegeben. Meist erhält
Abfall der Spannung mit steigendem Strom. chen, dass zwei Ausgänge gleich- man einen BC548C mit einer Ver-
Aus der Steigung lässt sich ein Innenwider- phasig umschalten. Dann kann der stärkung zwischen 420 und 800. Im
stand des Ausgangs von ca. 430 &! bestim- Motor auch in beide Richtungen ungünstigsten Fall wird ein Basis-
men. Eine moderne, helle LED zeigt übrigens gesteuert werden. strom von 100 mA/400 = 0,25mA
in Durchlassrichtung eine Spannung von ca. Auch kleinere Relais können direkt benötigt. Mit dem Basiswiderstand
66 Elektor 11/2000
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von 2,2 k&! ist der tatsächliche Basis- etwa 9 V. Da die Spannung im AUS-
DTR
strom sehr reichlich bemessen. Aller- Zustand aber bei -10 V liegt, sollte
100µ 100µ
dings muss man auch berücksichti- man sie begrenzen. Mit der Diode
16V 16V
gen, dass der Stromverstärkungs- kann die Basisspannung etwa -0,6 V
faktor des Transistors bei einem nicht unterschreiten. Es ist aller-
großen Kollektorstrom geringer aus- dings auch einen Versuch wert, die
fällt. Trotzdem soll noch eine deutli- Diode einmal weg zu lassen. Zwar
GND
che Übersteuerung vorhanden sein, fließt dann eine gewisser Sperr-
000074 - 3 - 18
damit der Transistor ganz (in die Sät- strom, aber der Transistor sperrt
tigung) gesteuert wird. Nur dann ist trotzdem, d.h. die Lampe bleibt aus.
Bild 8. Kondensatoren als Wechselstrom-
gewährleistet, dass zwischen Emit- Es funktioniert also auch ohne die
Widerstände
ter und Kollektor nur eine (möglichst) Diode. Einem Basis-Sperrstrom wird
kleine Restspannung liegt und die nachgesagt, dass er auf Dauer die
Verlustleistung somit gering bleibt. Rausch-Eigenschaften eines Transi-
Dies gilt auch für den Einschaltmo- stors verschlechtert. Das allerdings
ment. spielt hier keine große Rolle. Wie so
Wie man sieht, liegt der Wahl des oft macht es einen Unterschied, ob
Basiswiderstands keine exakte man nur basteln und experimentie-
Berechnung, sondern eher eine ren möchte oder ob man ernsthaft
Abschätzung zu Grunde, weil ja nor- entwickelt. Im letzteren Falle gehört
DTR
V
malerweise auch der Stromverstär- die Diode natürlich in die Schaltung!
kungsfaktor nicht genau bekannt ist.
Es ist interessant, einmal verschie-
Wechselstrom-Versuche
dene Basiswiderstände einzusetzen,
GND
um zu erproben, in welchem Bereich Das Blink-Programm (Flasher.vbp)
4x 100µ / 16V
000074 - 3 - 19
sich sinnvolle Ergebnisse ergeben. erzeugt an den Ausgängen DTR und
Ein zu großer Basiswiderstand steu- RTS praktisch eine Wechselspan-
Bild 9. 40 Volt aus der seriellen Schnittstelle.
ert den Transistor nicht ausreichend nung einstellbarer Frequenz, die
durch. Es kommt dann zu einem allerdings 10 Hertz nicht überschrei-
größeren Spannungsabfall am Tran- tet. Man kann also einfache Versu-
sistor und zu einer spürbaren Erwär- che zum Wechselstrom durchführen. beträgt über 20 V. Man kann daher mit einer
mung. Hat man einen Widerstand Bekanntlich stellt ein Kondensator entsprechenden Schaltung auch eine Gleich-
gewählt, der im AN-Zustand brauch- für Wechselstrom einen kapazitiven spannung von etwa 20 V gewinnen. Auch
bare Ergebnisse liefert, kann es Widerstand dar. Der Kondensator lei- etwa 40 V ist möglich, wenn man eine Ver-
trotzdem noch sein, dass die Aus- tet den Strom umso besser, je höher vielfacher-Kaskade einsetzt. Die besteht aus
steuerung im Einschaltmoment zu die Frequenz ist. Das lässt sich mit vier Kondensatoren und vier Dioden (Bild 9).
gering ausfällt. Man sieht dann deut- der Schaltung in Bild 8 zeigen. Hier Hier werden LEDs eingesetzt, damit man die
lich, dass die Lampe verlangsamt wird ein Kondensator aus zwei Wirkungsweise anschaulich sehen kann.
eingeschaltet wird. Das bedeutet gegeneinander geschalteten Elkos Beim Starten des Blinkprogramms blitzen die
wiederum eine hohe Verlustleistung gebildet, damit der Betrieb an einer LEDs zuerst relativ stark. Das Leuchten wird
in der Einschaltphase. Ein zu kleiner Wechselspannung erlaubt ist. Dieses allmählich schwächer und verschwindet fast
Basiswiderstand dagegen ver- Verfahren wird manchmal auch bei ganz, sobald die Kondensatoren ihre End-
schwendet Strom im Steuerkreis und Lautsprecherweichen angewandt. spannung erreicht haben. Man kann nun eine
führt ebenfalls zu höheren Verlusten Wenn man am Blinkprogramm eine Spannung von fast 40 V messen. Entlädt man
und unter Umständen zu einer Über- geringe Frequenz einstellt, sieht man die Kondensatoren durch einen Widerstand
lastung der Basis-Emitter-Diode bei ein abwechselndes Aufblitzen der von 1 k&! am Ausgang, beginnt der Vorgang
Überschreiten des maximal zulässi- LEDs. Der Kondensator wird bei wieder von vorn.
gen Basisstroms, der sich aus den jedem Umschalten erneut aufgela- Die Schaltung ist übrigens ein Beispiel dafür,
absoluten Grenzwerten im Daten- den. Der Strom geht jedes Mal all- wie LEDs mit hoher Sperrspannung
blatt ergibt. mählich gegen Null, wenn die Kon-  gequält werden. Man kann das im experi-
Im Schaltbild ist eine Diode angege- densatorspannung fast die Span- mentellen Umfeld durchaus tun, da die LEDs
ben, die in Gegenrichtung zwischen nung an DTR erreicht. Erhöht man dies nach aller Erfahrung problemlos verkraf-
Basis und Emitter liegt. Sie verhin- die Frequenz, dann werden die ten. Man sollte sich allerdings bewusst
dert das Auftreten großer negativer Lichtblitze häufiger. Gleichzeitig machen, dass man damit nicht gerade als
Spannungen an der Basis. Die steigt die durchschnittliche Hellig- vorbildlicher Ingenieur glänzt. Für eine ernst-
erlaubte Sperrspannung der Basis- keit beider LEDs. Die Kondensatoren hafte Anwendung würde man selbstver-
Emitterdiode liegt meist bei etwa -5 setzen dem Wechselstrom einen klei- ständlich Si-Dioden wie z.B. die 1N4148 ein-
V. Bereits bei ca. -9 V kommt es zu neren Widerstand entgegen, die setzen.
einem Durchbruch, d.h. es fließt ein mittlere Stromstärke nimmt also zu.
merklicher Sperrstrom. Der Transi- Die erzeugte Wechselspannung hat (00074-2e)
stor verhält sich hier wie eine Zener- einen Scheitelwert von etwas über
diode mit einer Zenerspannung von 10 V. Die Spitze-Spitze-Spannung
11/2000 Elektor 67