Impulszähler

Ein von Hand betätigtes Zählwerk mit Betätigungshebel und Rückstellschraube

Ein Wasserzähler mit zwei mechanischen Zählwerken: Acht Ziffernrädern und ein Zeiger

Anzeige des elektromechanischen Zählwerks eines Stromzählers

Mechanischer Kilometerzähler in einem Auto, meist mit einem Tachometer zur Geschwindigkeitsanzeige kombiniert

Ein Zählwerk ist eine Vorrichtung zum Erfassen (und manchmal auch Anzeigen) von Anzahlen und Mengen. Es existieren die beiden Grundtypen Impuls- und Mengenzählwerke. Ein Impulszählwerk zählt Einzelereignisse wie beispielsweise mechanische Bewegungen (Handzähler) oder elektrische Impulse. Ein Mengenzählwerk zählt kontinuierliche Größen wie den Kilometerstand eines Fahrzeuges.

Zählkapazität

Die Zählkapazität, also die Gesamtzahl c der möglichen Anzeigewerte, ist bei allen Zählwerkstypen durch die Anzahl n der kaskadierten Zählstufen und die Anzahl der Ziffern d je Zählstufe als

c = dⁿ

gegeben.

Weiterzählen nach Erreichen des Zählerhöchststandes führt im einfachsten Fall dazu, dass die Anzeige wieder bei Null beginnt (sog. Überlauf). Das Zählwerk kann jedoch z. B. auch so eingerichtet sein, dass die Anzeige dann beim Höchststand stehen bleibt.

Bauformen

Zählwerke arbeiten mechanisch, elektromechanisch oder elektronisch.

Mechanische Zählwerke

Die ältesten Zählwerktypen arbeiten mechanisch. Bei den Rollenzählwerken wird ein Rad über einen Mechanismus um einen definierten Winkel weitergedreht und rastet in der nächsten Stellung ein. Bei Mengenzählwerken wird das Zählrad über ein Getriebe angetrieben. Das Rad ist mit Ziffern markiert, die durch die Drehung der Reihe nach in einer Anzeige sichtbar werden.

Um größere Anzahlen zu zählen als auf einem Rad untergebracht werden können, werden mehrere Zählwerke hintereinandergeschaltet. Man spricht auch von kaskadieren. Dabei schleppt das erste Rad mit der niederwertigsten Ziffer nach einer vollen Umdrehung das nächsthöherwertige Ziffernrad um eine Stelle weiter, so dass die Zählgröße mit mehreren Ziffern beispielsweise im Dezimalsystem angezeigt werden kann.

Elektromechanische Zählwerke

Elektromechanische Zählwerke sind mechanische Zählwerke mit einem elektrischen Antrieb. Ein elektrischer Impuls aktiviert einen Elektromagneten oder Elektromotor, der das Zählwerk weiterdreht.

Elektronische Zählwerke

Ein synchrones 4-Bit-Hexadezimalzählwerk mit einer einstelligen Siebensegmentanzeige

Elektronische Dezimalzähler wurden früher mit Zählröhren realisiert. Heute werden sie wie das rechts dargestellte mit Transistoren aufgebaut. Sie sind immer Impulszähler, da sie digital arbeiten. Man unterscheidet dabei synchron oder asynchron. Sie gehören zu den komplexen Bausteinen digitaler Systeme. Ein Zähler ist eine sequentielle Schaltung in der Digitaltechnik zum Zählen von Impulsen. Zu den Merkmalen einer sequentiellen Schaltung gehört ihr Speichervermögen. Das Ausgangssignal wird durch den Takt und die zwischengespeicherten Zustände des Zählers bestimmt.

Die Elementarbausteine eines elektronischen Zählers sind flankengesteuerte Flipflops. Zustandsgesteuerte Flipflops (Latches) sind ungeeignet. Die einzelnen Ziffern werden im Binärsystem durch den Ausgangszustand der Flipflops angezeigt. Die Impulse werden als Spannungssignal an den Takteingang des Zählers gelegt, wodurch dessen Zustand von logisch „0“ auf „1“ oder umgekehrt wechselt. Beim Übergang von „1“ auf „0“ wird ein Übertrag ausgelöst, der den Zustand des nächsthöherwertigen Flipflops ändert.

Die Zählkapazität c eines Dualzählers beträgt bei n-Stufen: c = 2ⁿ − 1. Werden durch zusätzliche Maßnahmen k-Zustände übersprungen, so verbleiben m Zählerzustände: m = 2ⁿ − k.

Beispiel

Die Zustandszahl eines synchronen Zählers mit vier Flipflops beträgt m = 2⁴ − 1 = 15. Der Zähler zählt daher von „0“ bis „15“. Die Null gilt als einzelner Zählschritt. Werden durch entsprechende Beschaltung die letzten 6 Zählschritte übersprungen so ergibt sich: m = 2⁴ − 6 = 10. Dies entspricht dann einem Zähler von „0“ bis „9“.

Zähler werden in integrierten Schaltkreisen (ICs) in vielen Varianten hergestellt. Sie besitzen eine integrierte Steuerlogik die es ermöglicht den Baustein der jeweiligen Anwendung anzupassen. So können die Flipflops beispielsweise zu Vierergruppen zusammengefasst werden, die nur die Ziffern „0“ bis „9“ darstellen. Diese Vierergruppen können kaskadiert werden, so dass das Zählergebnis direkt im Dezimalsystem erfasst wird. Eine Umwandlung für die Anzeige kann somit entfallen. Man spricht dann auch von Dezimalzählern.

Softwarezählwerke

Mit der fortschreitenden Verlagerung von Funktionen aus speziellen Bauteilen in mikroprozessorbasierte Systeme werden Zählerwerke mehr und mehr durch Programme simuliert. Obwohl Computer auch echte digitale Zählwerke enthalten, werden Softwarezähler durch ein Programm simuliert, wie es hier im Pseudocode notiert ist:

Z := 0
Schleife Anfang
  Warte auf Ereignis
  Z := Z + 1
Schleife Ende

Die Variable Z wird am Anfang des Programms auf 0 gesetzt. Die folgenden Anweisungen werden endlos wiederholt: Der Computer wartet auf das Eintreten des zu zählenden Ereignisses. Tritt das Ereignis ein, wird die Variable Z um eins erhöht.

Anwendungen

Zählwerke kommen in vielen alltäglichen technischen Anwendungen vor. Klassische Beispiele für Mengenzähler sind Kilometerzähler in Fahrzeugen. Sie waren bis Ende der 1980er Jahre fast ausnahmslos mechanisch, sind aber mittlerweile in fast allen Fahrzeugtypen elektronisch realisiert. Auch Wasserzähler, Wärmezähler, Stromzähler und Gaszähler sind Mengenzähler.

Impulszähler sind beispielsweise die Gebühreneinheitenzähler an Telefonen. Bis in die 1990er Jahre waren das meist separate elektromechanische Zähler. Heute ist es eine mit Softwarezählern realisierte in die Telekommunikationsanlagen integrierte Funktion.

Siehe auch

• Totalisator (Technik)