Relais und Dioden im Relaiscomputer

Mehr als 700 Relais ¹, 1500 Dioden ² und 450 Leuchtdioden ³ sorgen dafür, dass Du dem Relaiscomputer beim Rechnen zuhören und zusehen kannst.

Auf dieser Seite erfährst Du etwas über die wichtigsten verwendeten elektronischen Schaltungen. Alle Schaltungen wurden vereinfacht dargestellt. An der einen oder anderen Stelle werden Details erläutert und auf weiterführende Informationen in Wikipedia verwiesen.

Noch ein wichtiger Hinweis: Wenn Dir Volt, Ampere, Ohm, usw. … nichts sagen, dann lass die Finger von eigenen Experimenten mit Strom! Diese Seite ist weder Lehrbuch für Elektronik noch Bauanleitung für einen Computer.

Inhaltsverzeichnis

Die berühmte Null (0) und Eins (1) im Relaiscomputer

Wird bspw. an den Eingang eines Schaltnetzes eine eine elektrische Spannung ⁴ angelegt, so steht dies im Relaiscomputer für den Logikpegel ⁵ "HIGH" = Eins (1) = 12V.

Ist ein Eingang andererseits offen, also keine Spannungsquelle verbunden, so entspricht dies im Relaiscomputer dem Logikpegel "LOW" = Null (0).

Damit sind auch schon die zwei Zustände, Null (0) und Eins (1), im Rechner für die Weiterverarbeitung definiert.

Der Logikpegel von 12V

Der Logikpegel "HIGH" von 12V ist im Relaiscomputer ein niederohmiger Pegel, da mit Ihm sowohl einzelne Relais, Relaisketten als auch Signalanzeigen in einem Stromkreis ⁶ angetrieben werden. Es kann so zu Schaltströmen von bis zu 200mA kommen.

Die Anzeige eines Logikpegels von Eins (1) erfolgt durch LED. Um Bauteile und Strom zu sparen kommen nur 12V LED, also LED ohne extra notwendigen Vorwiderstand, zum Einsatz. In den weiteren Schaltbildern wird der Einfachheit wegen das Schaltsymbol der "Lampe" synonym verwendet.

Die Bedienelemente für die Eingabe von Null (0) und Eins (1)

Alle Bedienelemente im Relaiscomputer sind als Taster ausgeprägt. Wird ein Taster gedrückt, so liegt eine Spannung von 12V an. Dies entspricht dem Logikpegel "HIGH", der Strom kann fließen. Ist der Taster offen, also keine Spannung und damit ist der Logikpegel "LOW", der Strom kann nicht fließen.

Die Speicherzelle mit selbsthaltendem Relais

Alle dynamischen Speicherzellen, wie der RAM oder die CPU Register, werden im Relaiscomputer durch ein selbsthaltendes ⁷ Relais je Bit realisiert.

Mittels eines Logikpegels "HIGH" am Eingang "Setzen", zieht das Speicherrelais an und hält sich über seinen Arbeitskontakt selbst. Für das setzen des Speichers auf Eins (1) ist ein kurzer Impuls ausreichend. Am "Ausgang" ist die Eins (1) gespeichert.

Ein Logikpegel "HIGH" am Eingang "Löschen" unterbricht die Stromzufuhr für das Speicherrelais, das Speicherrelais fällt ab. Für das Löschen des Speichers auf Null (0) ist ein kurzer Impuls ausreichend. Am offenen "Ausgang" ist der Zustand Null (0) gespeichert.

Der Zustand, wonach sowohl am Eingang "Setzen" und am Eingang "Löschen" der Logikpegel "HIGH" angelegt wird, ist nicht definiert und auch streng verboten.

Relais- & Dioden Logik

Alle logischen Verknüpfungen ⁸ die im Relaiscomputer benötigt werden, wie UND, ODER, Inverter und Exklusiv ODER lassen sich sehr einfach mit Relais und Diode realisieren.

Schaltverzögerungen (Latenzen) der folgenden Schaltungen und Schaltnetze spielen im Relaiscomputer zwar eine nicht zu unterschätzende Rolle, sind jedoch vernachlässigbar, wenn man den Systemtakt von 1Hz dieses Rechners zugrunde legt.

Einfache Verknüpfungen mit Relais

Der Logikpegel "HIGH" am Eingang trennt die Verbindung des Ausgangs zur Spannungsversorgung (12V entspricht ebenfalls dem Logikpegel "HIGH"). Der Ausgang ist nun offen und damit das Signal negiert, also "LOW".

Für eine logische UND Verknüpfung werden die Arbeitskontakte (Schließer) der Relais in Reihe geschaltet. Erst wenn an beiden Eingängen der Logikpegel "HIGH" anliegt, schaltet der Ausgang ebenfalls auf "HIGH".

Diese UND Verknüpfung lässt sich weiter vereinfachen und ein Relais einsparen, indem Eingang-B nicht über ein extra Relais verarbeitet wird, sondern den Wechsler des Relais von Eingang-A mit dem Logikpegel versorgt.

Die Diode - Dein Freund und Helfer beim Bauteile sparen

Eigentlich müsste dieser Rechner "Relais- und Diodencomputer" heissen, da fast 1.000 Dioden in Schaltnetzen ⁹ verbaut sind. Die Diode erweist sich dabei als wahres Multitalent und hilft beim Sparen von teueren Relais und damit auch beim Sparen von Platz und Strom.

In folgenden Baugruppen finden sich die meisten Dioden als ODER Verknüpfung bzw. als Diodenmatrix:

• 16 Segment LED Anzeige Dekoder für die Ansteuerung der einzelnen LED Anzeigesegmente
• ROM Modul für das gespeicherte Datenwort
• alle Microcodes der 16 Maschinenbefehle
• Dezimaleingabe Kodierer für die Umsetzung einer Taste in einen zugehörigen Binärcode
• Double Dabble Umsetzer für die BCD Umwandlung

Diode vs. Relais - logische ODER Verknüpfung

Kein Vorteil ohne Nachteil. Der bedeutendste Nachteil der Diode gegenüber dem Relais in Schaltnetzen besteht in dem Spannungsabfall ¹⁰ und damit dem Logikpegelabfall von 0,7V über dem Bauteil, der Diode selbst.

Für die folgende ODER Verknüpfung mit Dioden bedeutet dies, dass am Ausgang bei einem Eingangslogikpegel von 12V, nur noch 11.3V übrig bleiben.

Schaltet man nun weitere solche ODER Glieder direkt hintereinander, so ist der Spannungsabfall am Ende des Schaltnetzes so gravierend, dass nicht mehr genügend Logikpegel zum Durchschalten der Relais zur Verfügung steht. Dies wurde bei der Konstruktion des Relaiscomputers berücksichtigt.

Im Vergleich dazu, die ODER Schaltung mit zwei Relais. Während die Dioden Schaltung mit nur 4 Cent Materialkosten, praktisch ohne Stromverbrauch ist und sehr wenig Platz auskommt, schlagen bei der Realisvariante mehr als 2 EUR Materialkosten, 4 Stück Würfelzucker Platzverbrauch und einem Stromverbrauch von 24mA zu Buche.

Das gigantische Einsparpotential der ersten Schaltung offenbart sich alleine durch hunderte erforderliche ODER Verknüpfungen verschiedenster Schaltnetze.

Masse ist kein Schalter - logische Exklusiv ODER Verknüpfung

Alle Relais der logischen Schaltungen im Computer sind mit einem Anschluss immer gegen Masse ¹¹ verbunden. Das Relais kann somit nur über einen Anschluss mittels Logikpegel "HIGH" geschaltet werden.

Theoretisch könnten auch beide Relaisanschlüsse als gleichwertige Eingänge, wie am nachfolgenden Beispiel einer logischen Exklusiv ODER (XOR) Verknüpfung gezeigt, verwendet werden. Daraus ergäbe sich allerdings die Notwendigkeit die logische Null (0) im gesamten System als Kurzschluss gegen Masse abzubilden, statt den Logikpegel "LOW" durch einen offenen Eingang zu realisieren. Zweifelsohne steigert solch ein Ansatz die Komplexität des gesamten Aufbaus, weshalb darauf verzichtet wurde.

Folgende Exklusiv ODER Schaltung benötigt ein Relais mehr und kommt nur im Addierwerk als Teil des Volladdierers zum Einsatz. An dieser Stelle lohnt sich das Bauteile sparen also nicht wirklich.

Die Freilaufdiode

Zu guter Letzt ein weiteres technisches Detail. Jedes Relais hat eine parallel zur Arbeitsspule geschaltete Schutzdiode ¹² bzw. Freilaufdiode in Sperrichtung. Um Strom zu sparen, kommen im Relaiscomputer ausschließlich einzelne LED als Signalanzeigen bzw. 7 und 16 LED Segmentanzeigen zum Einsatz. LED reagieren allerdings recht empfindlich auf hohe Überspannungen in Sperrichtung. Die Freilaufdiode begrenzt nun bei jedem Abschaltvorgang die selbstinduzierte Abschaltspannung von mehreren 100V der Arbeitsspule des Relais auf 0.7V und schützt damit den gesamten Aufbau. In den Schaltbildern, wird diese Diode nicht extra aufgeführt.

komplexe Relais- & Dioden Schaltnetze

1 bit Volladdierer

Aus der Kombination von Exklusiv ODER, UND und ODER Verknüpfungen lässt sich das Herzstück des Rechners, das Addierwerk aufbauen. Die Schaltung zeigt einen Volladdierer ¹³ für ein einzelnes bit. Für ein 8bit Addierwerk müssen 8 dieser Volladdierer verschaltet werden.

Die beiden Summanden werden am "Eingang-A" und "Eingang-B" erwartet. Das Additionsergebnis steht am Ausgang "Summe" zur Verfügung. Ergibt die Addition einen Überlauf, so wird dies am Überlauf Ausgang "CarryOut" durch den Logikpegel "HIGH" angezeigt. Neben den beiden Summanden wird über den Eingang "CarryIn" der Überlauf des niederwertigen Nachbarbits erwartet.

Binärkodierer mit einer Diodenmatrix

Die folgende Schaltung zeigt beispielhaft die Anwendung der ODER Verknüpfung in einer Diodenmatrix. Hier wird jeweils zu einem Eingang aus "Eingang-1" bis "Eingang-7" der zugehörige Binärwert am "Ausgang-bit-0" bis "Ausgang-bit-2" kodiert. Der "Eingang-0" kann gespart werden, da am Ausgang alle Bits Null wären.

Dekoder nach dem Binärbaumprinzip

Das Gegenstück zum Kodierer mittels Diodenmatrix ist der Dekoder nach dem Binärbaumprinzip. Dieser wandelt einen binären Wert an den Eingängen "Eingang-bit-0" bis "Eingang-bit-2" in einen aus 8 Ausgängen von 0 bis 7 um. Im Relaiscomputer kommt die Schaltung als Befehlsdekoder, Schrittdekoder und im Adressregister M zum dekodieren der Speicheradressen zum Einsatz.

7 Segment Anzeige Dekoder

Die folgende Schaltung demonstriert die Ansteuerung einer 7 Segment LED Anzeige beispielhaft mit einer zwei bit Zahl am Eingang für die Darstellung der Ziffern 0 bis 3. Im Relaiscomputer werden natürlich alle Ziffern von 0 bis 9 (BCD) und 0 bis F (Binär) nach diesem Funktionsschema für den Anzeigedekoder umgesetzt.

Hierfür wurde ein Dekoder ¹⁴ und ein Kodierer ¹⁵ miteinander kombinieret. Das Prinzip beruht auf dem dekodieren der binären Eingabe in 1 aus 4 und das anschließende Kodieren von 1 aus 4 in die einzelnen Segmente (a bis g) der 7 Segmentanzeige.

Umwandlung dezimal ⇆ binär

Die besondere Problematik der Umwandlung vom Binär- ins Dezimalsystem und umgekehrt wird deutlich wenn man sich bewusst macht, dass die 3 stellige Dezimalzahl 255, umgewandelt ins Binärsystem mit nur 2 Zeichen auskommt. Für die Darstellung einer Ziffer werden 4 bit benötigt. Einfach ausgedrückt geht es darum 8 bit im Binärformat in einen 12 bit breiten Dezimalen Binärcode umzuwandeln und umgekehrt. Binär 1111 1111 entspricht im Dezimalen Binärformat 0010 0101 0101 (Dezimal: 255).

Dezimaleingabe - Einer, Zehner und Hunderter zerlegen

Mittels Binärkodierer wird die Dezimaleingabe von der 3stelligen Dezimaltastatur in drei binäre Werte für die Einerstelle, Zehnerstelle und Hunderter zerlegt. Dies hat den Zweck, damit der Dezimalwert in einen Binärwert umgerechnet werden kann.

Für die Einerstelle werden nur 4 bits, also bit⁰ bis bit³ benötigt um die Dezimalzahlen von 0 bis 9 darzustellen.

Für die Zehnerstelle werden 6 bits, also bit¹ bis bit⁶ benötigt um die Dezimalzahlen von 10 bis 90 darzustellen.

Für die Hunderterstelle werden 5 bits, also bit² und bit³ sowie bit⁵ bis bit⁷ benötigt um die Dezimalzahlen von 100 und 200 darzustellen. Bit⁰, bit¹ und bit⁴ sind immer 0. Weil der Rechner nur 8 bit Wortbreite hat (Dezimal = 255), sind auch keine größeren Hunderter Werte als 200 möglich.

Beispielhaft die Schaltung des Kodierers für die Hunderter Eingabe. Das kodieren erfolgt mittels Diodenmatrix.

Die Umrechnung erfolgt durch die Addition aller drei binären Wertigkeiten für Einer, Zehner und Hunderter über den eigenen Maschinenbefehl INP im Addierwerk.

Dezimalausgabe - Umrechnung in den Binär codierte Dezimalzahl (BCD)

Die umzuwandelnde binäre 8 bit Zahl wird 8 mal, jeweils um ein bit, nach links, in ein 12 bit breites BCD Ergebnisfeld verschoben. Im BCD Code wird jede Ziffer durch 4 bit dargestellt. Wenn nach dem Verschieben bei einer oder mehreren Ziffern (Hunderter, Zehner, Einer) der binärwert größer 4 ist, wird 3 dazu addiert.

Double Dabble Umsetzer - wenn größer 4, addiere 3

Im Relaiscomputer wird die BCD Umwandlung mit Relais und Dioden gelöst. Der Double Dabble Algorithmus ist dabei fest verdrahtet und besteht aus einem Dekoder und einem Kodierer. Auch hier beruht das Prinzip zunächst auf dem dekodieren der binären Eingabe in 1 aus 9 und das anschließende Kodieren von 1 aus 9 in den neuen Binärwert für BCD.

Sieben gleichartige Double Dabble Module werden versetzt verschaltet und übernehmen damit die Umrechnung einer Binären Zahl zu BCD.

Folgende Wahrheitstabelle zeigt die Funktion eines Moduls mit den Eingängen E1 - E4 und den Ausgängen A1 - A4. Alleine durch die Verschaltung ist sichergestellt, dass es am Eingang eines jeden Moduls niemals einen größerer Wert als 9 geben kann.

Takt und Zeitverhalten

Obwohl der Relaiscomputer nur mit einer Taktfrequenz von 1Hz betrieben wird, bedarf es eines gut abgestimmten Zeitverhaltens um die Latenz der Schaltzyklen zu berücksichtigen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Gerade die Reihenschaltung in Relaisketten verursacht signifikante und sogar "hörbare" Schaltverzögerungen. Mit anderen Worten: Der Systemtakt darf nicht schneller sein, als die langsamste Relaiskette zum Schalten benötigt.

astabile Kippstufe mit Relais - Multivibrator

Der Systemtakt wird von einer astabilen Kippstufe ¹⁶, auch astabiler Multivibrator genannt erzeugt. Es handelt sich dabei um einen symmetrischen Rechteckimpuls von 1Hz. Die Frequenz wird maßgeblich durch die beiden Kondensatoren und dem Widerstand des Relais (960 Ω) bestimmt.

Die Kippstufe wird durch die Relais K1 und K2 realisiert. K3 dient lediglich als Inverter.

Nach Anlegen der Betriebsspannung lädt sich der Konensator C2 auf. Währenddessen zieht das Relais K2 kurzzeitig an und fällt wieder ab, der Kondensator C2 bleibt geladen.

Um die Kippstufe zu starten wird an "Start" der Logikpegel "HIGH" angelegt. Hierdurch zieht das Relais K1 für die Dauer des Ladevorgangs für Kondensator C1 an und entlädt dabei den Konensator C2. Sobald jedoch der Kondensator C1 voll geladen ist, fällt das Relais K1 wieder ab und schliesst für das erneute Laden von Kondensator C2 den Stromkreis mit Relais K2. In der Folge zieht das Relais K2 an, entlädt Kondensator C1 und fällt ab, sobald Kondensator C2 voll geladen ist. Der Vorgang wiederholt sich dauernd und endet erst, wenn am Eingang "Start" der Logikpegel auf "LOW" geht.

Die Widerstände R1 und R2 begrenzen den Entladestrom der Kondensatoren um den Aufbau zu schützen.

monostabile Kippstufe mit Relais - Monoflop

Innerhalb eines Taktimpulses werden bspw. für die Verwendung der CPU Register kurze Impulse benötigt um den Registerinhalt zu löschen. Diese Aufgabe erledigt eine monostabile Kippstufe ¹⁷, auch Monoflop genannt. Der hier benötigte Impuls ist ca. 250ms lang und hängt vom Kondensator und dem Widerstand des Relais (960 Ω) ab. Das erste Relais dient hauptsächlich dem Entladen des Kondensators, wenn kein Eingangssignal anliegt.

Schrittzähler mit Toggle Flipflop

Eine der wichtigsten Schaltungen im Relaiscomputer ist der Schrittzähler für den Maschinenzyklus und den Programmzähler. Grundbaustein für den Schrittzähler ist das sogenannte Toggle Flipflop (T-Flipflop) ¹⁸.

Die Schaltung zeigt ein T-Flipflop. Nach dem Anlegen der Betriebsspannung von 12V zieht das Relais K2 sofort an. Am Ausgang steht somit der Logikpegel "HIGH".

Ein Impuls (Logikpegel "HIGH") am Takt Eingang aktiviert Relais K3. In diesem Augenblick wird die Spannungsversorgung von K2 unterbrochen, K2 fällt ab und Relais K3 hält sich über seinen Schließerkontakt selbst. Am Ausgang steht jetzt der Logikpegel "LOW".

Der nächste Impuls (Logikpegel "HIGH") am Takt Eingang aktiviert Relais K1. In diesem Augenblick wird die Spannungsversorgung von Relais K3 unterbrochen, K3 fällt ab und stellt die Spannungsversorgung für Relais K2 mit fallender Taktflanke wieder her. Relais K2 zieht erneut an und wird über den Öffnerkontakt von Relais K3 gehalten. Am Ausgang steht jetzt wieder der Logikpegel "HIGH".

Mit jedem Taktimpuls am Eingang "Takt" also, schaltet der Ausgang den Logikpegel von "LOW" nach "HIGH" und umgekehrt. Dadurch wird die Taktfrequenz am Ausgang eines T-Flipflop halbiert. Das T-Flipflop kann am Eingang "Setzen" gesetzt bzw. am Eingang "Löschen" gelöscht werden.

Werden nun mehrere dieser T-Flipflop hintereinander geschaltet, so erhält man einen programmierbaren asynchronen binären Vorwärtszähler. ¹⁹