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Neuigkeiten Das Projekt Technik RoboSpatium Unterstützung Stichwortverzeichnis Download Reaktionen Spiele Gadgets Kontakt <<< RC-Glied Pulsweitenmodulation >>> KippstufenDas Video zu KippstufenBistabile Kippstufe
In einem der vorangegangenen Kapitel haben wir gesehen, wie ein Transistor als elektronischer Schalter verwendet werden kann. In diesem Kapitel werden wir sehen, wie ein Transistor einen weiteren Transistor schaltet. In der Zeichnung sind zwei miteinander verschaltete Transistoren zu sehen. S (Engl.: Set) und R (Engl.: Reset) sind die Taster am Eingang des Schaltkreises, während Q und Q die Ausgangsklemmen darstellen. Wird ein Transistor als Schalter verwendet, ist dessen Zustand entweder "An" (der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke ist nahezu Null) oder "Aus" (der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke entspricht nahezu der Eingangsspannung). Was passiert nun, wenn sich (T1) im Zustand "An" befindet? Die Basis von T2 ist über einen Serienwiderstand mit dem Kollektor von T1 verbunden. Ist der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke von T1 (nahezu) Null, so beträgt der Spannungsabfall an der Basis von T2 und damit die Stromstärke durch selbige ebenfalls Null, womit T2 "Ausgeschaltet" ist. Während der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke von T2 (nahezu) der Versorgungsspannung entspricht, ist die durch die Rückkopplung an die Basis von T1 gelegte Spannung und somit der Basisstrom durch T1 an ihrem Maximum, wodurch T1 "Eingeschaltet" wird. Somit ist der Schaltzustand stabil: Während T1 "eingeschaltet" ist, wird T2 "ausgeschaltet" und durch die Rückkopplung wird eine Spannung an T1 ("An") zurückgegeben, die den Schaltzustand dieses Transistors beibehält. Der Spannungsabfall an Q ist Null, während der an Q der Versorgungsspannung entspricht. Die (optionale) LED an Q ist eingeschaltet, die an Q ist ausgeschaltet. 
Was passiert, wenn der Taster S gedrückt wird? Der Strom der zuvor durch die Basis von T1 geflossen ist, wird nun abgeschnitten. da die Emitter-Basis Strecke des Transistors nun kurzgeschlossen ist. Folglich wird T1 "ausgeschaltet", womit die Spannung an der Emitter-Kollektor Strecke auf nahezu die Versorgungsspannung steigt. 
Die an die Basis von T2 zurückgegebene Spannung bewirkt, dass sich der Schaltzustand des rechten Transistors von "Aus" nach "An" ändert. Nachdem T2 "eingeschaltet" ist, sinkt die an die Basis von T1 rückgekoppelte Spannung auf Null. 
Selbst wenn der Taster losgelassen wird, behält der Schaltkreis seinen Zustand bei. Jetzt beträgt die Spannung an Q nahezu der Versorgungsspannung, während die an Q nahezu Null ist. Die LED an Q ist eingeschaltet, die an Q ist ausgeschaltet. Den Taster S erneut zu betätigen, ändert nichts an dem Schaltzustand der Transistoren, da die Basis von T1 bereits durch die Emitter-Kollektor Strecke von T2 kurzgeschlossen ist. 
Wird der Taster R gedrückt während T2 "eingeschaltet" ist, wird die Basis von T2 kurzgeschlossen, womit sich der Schaltzustand dieses Transistors von "An" nach "Aus" ändert was rückwirkend das Kippen des Schaltzustandes von T1 von "Aus" nach "An" bewirkt. Durch Drücken des Tasters S wird der Ausgang Q gesetzt, während dieser durch Drücken des Tasters R wieder zurückgesetzt wird. Q bezeichnet man als den invertierenden Ausgang des Schaltkreises: Wenn Q Angeschaltet ist (die Ausgangsspannung entspricht der Versorgungsspannung), ist Q zurückgesetzt (Die Ausgangsspannung ist Null) und umgekehrt. Einen derartigen Schaltkreis bezeichnet man als Flip-Flop, bistabiles Kippglied, Latch oder bistabilen Multivibrator. 
Soll der Flip-Flop durch elektrische Pulse anstelle von mechanischen Schaltern betrieben werden, müssen zwei Widerstände (R4 = R2) und zwei Dioden eingefügt werden. Nun werden die Transistoren durch Anlegen einer positiven Spannung "eingeschaltet". Durch die Dioden wird verhindert, dass die Transistoren wieder "ausgeschaltet" werden, sobald die Spannung zurück auf Null fällt. Mögliche Bauteile für einen Demonstrationsschaltkreis: T1, T2 = BD175 R1 = 100kΩ R2 = 560Ω R3 = 1kΩ R4 = 33kΩ Monostabiler Multivibrator
Im Vergleich zum oben abgebildeten Flip-Flop wird der Schaltkreis jetzt leicht abgeändert: Der koppelnde Widerstand an der Basis von T2 ist durch einen Kondensator ersetzt worden und ein zusätzlicher Widerstand ist zwischen den Pluspol der Versorgungsspannung und die Basis von T2 geschaltet (hier als R2 bezeichnet). Zu Beginn ist T2 "eingeschaltet", womit die Basisspannung von T1 über den Koppelwiderstand R3 auf Masse gezogen und somit dieser Transistor "ausgeschaltet" wird. Der Basisstrom von T2 läuft vom Pluspol über R2, womit der Schaltzustand aufrecht erhalten wird. Welche Spannung liegt an dem Kondensator in diesem stabilen Schaltzustand an? Die linke Seite des Kondensators ist an den Kollektor von T1 angeschlossen, der "ausgeschaltet" ist, womit hier nahezu die Versorgungsspannung VS anliegt. Die rechte Seite des Kondensators ist an die Basis von T2 angeschlossen, der "eingeschaltet" ist, womit hier ein Potential von etwa 0.7V anliegt (siehe Eigenschaften von Bipolartransistoren). Die sich ergebende Spannung am Kondensator beträgt 
Durch Drücken des Tasters S wird die Emitter-Basis Strecke von T2 kurzgeschlossen... 
...und T2 wird "ausgeschaltet". Über den Koppelwiderstand R3 wird T1 "eingeschaltet". Welche Spannung ergibt sich damit an dem Kondensator in diesem Schaltzustand? Die linke Seite wird von T1, der leitend ist, auf (nahezu) Massepotential gezogen und die rechte Seite des Kondensators wird von dem Taster auf Massepotential gezogen, der ebenfalls leitend ist. Der sich ergebende Spannungsabfall ist (nahezu) Null. Der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke von T1 hängt von den Eigenschaften des verwendeten Bipolartransistors ab - sagen wir diese beträgt 0.1V. Diese muss deutlich kleiner sein als 0.7V, ansonsten kann T2 nicht durch T1 ausgeschaltet werden. Für kurze Zeit fließt ein Entladestrom, bis die Spannung im Innern des Kondensators von dem ursprünglichen Wert 
Wird der Taster losgelassen, ist die rechte Seite des Kondensators nicht mehr mit der Masse verbunden, womit das Bauteil jetzt über R2 mit umgekehrter Polarität (im Vergleich zum ursprünglichen Zustand) geladen wird. Der anfängliche Spannungsabfall am Kondensator hängt von der Zeitspanne ab, die der Taster gedrückt wurde. Wie zuvor geschildert, besteht ein Ladungsungleichgewicht innerhalb des Kondensators, sobald T1 von "Aus" nach "An" wechselt. Wird der Taster lange genug gedrückt, so dass dieses Ungleichgewicht durch einen Strom durch die Emitter-Kollektor Strecke von T1 und den Taster ausgeglichen werden kann, startet der Ladevorgang mit einer Anfangsspannung von etwa -0.1V. Wird der Taster nur für eine sehr kurze Zeitspanne gedrückt, so dass die Spannung im Kondensator von der rechten zur linken Platte noch etwa Die Ausschaltzeit von T2 hängt von der Zeitspanne ab, die der Taster gedrückt wird! 
Im Verlauf der Ladeprozedur ändert sich die Polung an den Platten des Kondensators. Die linke Seite wird über T1 nach wie vor auf (nahezu) Massepotential gezogen... 
...womit der Schaltkreis durch dieses Ersatzschaltbild vereinfacht werden kann: Während des Ladevorgangs über R2 (siehe Kapitel RC-Glieder), steigt die Basisspannung von T2. 
Übersteigt das Potential durch den Kondensator eine Spannung von 0.6V, sinkt der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke von T2 deutlich - der Transistor wird wieder "eingeschaltet". Über den Koppelwiderstand R3, wird T1 "ausgeschaltet", womit das Potential an der linken Platte des Kondensators von Null auf nahezu die Versorgungsspannung steigt, während das Potentialgefälle innerhalb dieses Bauteils nach wie vor rund 0.7V beträgt. Der Ladungsausgleich findet an der linken Platte über den Widerstand R1 und an der rechten Platte über die Basis von T2 statt. Beide Bauteile besitzen einen relativ hohen Widerstand, womit das Potential am Kollektor von T1 nur langsam steigt und in diesem Zeitraum ein zusätzlicher Strom durch die Basis von T2 fließt. Es besteht eine positive Rückkopplung: Mit steigendem Basisstrom sinkt der Widerstand von T2, womit über den Koppelwiderstand R3 der Widerstand von T1 steigt, was wiederum die linke Platte des Kondensators auf ein höheres Potential hebt und so einen höheren Basisstrom durch T2 bewirkt, der von dem Ladungsungleichgewicht im Innern des Kondensators angetrieben wird. 
Der Kondensator wird jetzt mit der ursprünglichen Polung über R1 und die Basis von T2 geladen. Damit ändert sich die Polung innerhalb des Kondensators im Verlauf des Vorgangs und schließlich wird der Ausgangszustand erreicht. Die Änderungsrate des Signals an der steigenden Flanke von Q ist kleiner als die an der fallenden Flanke von Q, wo sich kein Kondensator am Kollektor von T2 befindet (siehe Erklärung zur astabilen Kippstufe). 
Der Gesamtvorgang als Animation. Die maximale Spannung am Kondensator von der rechten zur linken Platte beträgt +VS. Die minimale Spannung beträgt -0.7V. Solltet ihr einen Elektrolytkondensator verwenden, muss der negative Pol an die Basis von T2 und der positive Pol an den Kollektor von T1 angeschlossen werden. Je niedriger der Widerstand von R1, um so geringer ist der Ausgangswiderstand und um so höher ist die Änderungsrate an der steigenden Flanke von Q, aber um so höher ist der Strom durch dieses Bauteil, wenn T1 "eingeschaltet" ist. Der minimal mögliche Widerstand von R1 hängt von der Versorgungsspannung des Schaltkreises und dem maximalen Leistungsabfall ab: Rmin = U2 / Pmax Dabei bedeutet:Rmin - minimaler Widerstand von R1 U - Versorgungsspannung des Schaltkreises Pmax - maximaler Leistungsabfall an R1 Der gleiche Widerstandswert sollte für R4 verwendet werden. Die Einschaltzeit von T1 wird vom Widerstand von R2 und der Kapazität des Kondensaotors bestimmt. Mehr dazu gibt's weiter unten im Abschnitt zur astabilen Kippstufe. Der maximal mögliche Widerstand von R2 hängt von den elektrischen Eigenschaften von T2 ab. Der maximale Basisstrom von T2 wird durch dieses Bauteil begrenzt. Der Basisstrom muss hoch genug sein, damit der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke deutlich unterhalb von 0.7V (mindestens 0.1V) liegt, wenn der maximal mögliche Basisstrom fließt. R3 ist gleich R2. T1 und T2 müssen NPN-Typen sein. 
Mit einem weiteren Kondensator und einem Widerstand kann der Schaltkreis derart geändert werden, dass beim Betätigen des Tasters nur kurze Pulse erzeugt werden: Durch Drücken des Tasters wird C2 parallel zur Basis von T2 geschaltet, wodurch die Spannung hier auf Null fällt, da der Kondensator zuvor entladen war. So lange der Taster gedrückt bleibt, wird C2 über R2 geladen. Je kleiner die Kapazität von C2 (diese muss deutlich kleiner als die von C1 sein), um so höher die Spannung an C2 nach einer sehr kurzen Zeitspanne, was eine kurze Ausschaltdauer von T2 mit sich bringt. Wird der Taster losgelassen, so wird C2 über R6, dessen Widerstand deutlich höher als der von R2 sein sollte, wieder entladen. Damit ist der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt. Mögliche Bauteile für einen Demonstrationsschaltkreis: T1, T2 = BD175 R1, R4 = 560Ω R2, R3 = 100kΩ R5 = 1kΩ R6 = 100kΩ C1 = 22μF C2 = 1nF 
Spannungsverlauf an der Basis von T2, der dem an C2 entspricht während der Taster geschlossen ist. Sobald der Kontakt hergestellt ist, fällt die Spannung unter 0.6V (C2 war ja zuvor entladen), womit T2 "ausgeschaltet" wird. T1 wird über R3 "eingeschaltet", womit die Spannung an der Basis von T2 und somit auch an der oberen Platte von C2 auf -9.4V innerhalb vom 40μs fällt. Ab jetzt läuft die Einschaltzeit von T1 bezehungsweise die Ausschaltzeit von T2, bis C1 von -9.4V auf +0.6V über R2 geladen ist. Astabile Kippstufe
Wird der Koppelwiderstand R3 der monostabilen Kippstufe durch eine zweite Widerstand-Kondensator-Kombination ersetzt, so erhält man eine astabile Kippstufe. Erkunden wir die Funktionsweise während T1 "eingeschaltet" und T2 "ausgeschaltet" ist. Die Spannung an C1 ist kleiner 0.6V, womit der Basisstrom durch T2 sehr klein ausfällt und dessen Emitter-Kollektor-Widerstand sehr hoch ist. Die linke Platte von C2 ist mit der Basis von T1 verbunden, der "eingeschaltet" ist. Somit beträgt das Potential hier etwa 0.7V. Die rechte Platte des Kondensators ist mit dem Kollektor von T2 verbunden, der "ausgeschaltet" ist. Damit entspricht das Potential hier in etwa der Versorgungsspannung (VS). Die Gesamtspannung an C2 von der linken zur rechten Platte ist: Die linke Platte von C1 ist mit dem Kollektor von T1 verbunden, der "eingeschaltet" ist. Somit beträgt das Potential hier im Vergleich zum Minuspol etwa 0.1V (der exakte Wert hängt von dem Basisstrom und den elektrischen Eigenschaften des verwendeten Bipolartransistors ab). Der Spannungsabfall an T1 muss deutlich kleiner als 0.7V sein, andernfalls kann T2 nicht von T1 "ausgeschaltet" werden. Das Potential an der rechten Platte und somit die Spannung an C1 steigt, da dieses Bauteil über R2 mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist. 
Während die Spannung an C1 steigt, steigt auch der Basisstrom durch T2. Bei einer Spannung von etwa 0.6V, sinkt der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke deutlich, womit das Potential an der rechten Platte von C2 von nahezu der Versorgungsspannung auf nur etwa 0.1V fällt, während der Spannungsabfall im Innern des Kondensators nach wie vor etwa 
Die Änderungsrate der steigenden Flanke an Q ist um so kleiner, je höher die Kapazität von C1 beziehungsweise der Widerstand von R1, da der Spannungsabfall im Innern von C1 entgegen dem durch die Spannungsquelle hervorgerufenen Potential wirkt. 
Im Gegensatz dazu wirkt die in C2 angesammelte Ladung in Richtung des Potentials der Spannungsquelle, womit die Änderungsrate an der fallenden Flanke von Q größer ausfällt. Das durch die rechte Platte von C2 hervorgerufene Ladungsungleichgewicht wird über die Emitter-Kollektor Strecke von T2 ausgeglichen, die einen niedrigen Widerstand besitzt, womit die durch den fließenden Strom hervorgerufene Verzerrung am unteren Ende der Flanke nur gering ausfällt. 
Nun ist die Situation ähnlich der zu Beginn der Prozedur, abgesehen von der Tatsache, dass jetzt T1 "ausgeschaltet", T2 hingegen "eingeschaltet" ist. Ein Ladestrom fließt durch R3 und C2 bis der Schaltkreis seinen Zustand an Q / Q erneut ändert, womit der Ausgangszustand erreicht wird. 
Der Gesamtvorgang als Animation. Die Ein- / Ausschaltzeit der astabilen Kippstufe, die auch als astabiler Multivibrator bezeichnet wird, hängt ab von dem Widerstand und der Kapazität des verwendeten Koppelnetzwerks: [9.4] T = ln(2)RC Dabei bedeutet:T - Ein- bzw. Ausschaltzeit (=Periodendauer) R - Widerstandswert von R2 beziehungsweise R3 C - Kapazität von C1 beziehungsweise C2 Für die Werte der verwendeten Bauteile gilt wie oben (monostabile Kippstufe): Die maximale Spannung an den Kondensatoren beträgt +VS. Die minimale Spannung beträgt -0.7V. Bei der Verwendung von Elektrolytkondensatoren muss der negative Pol an die Basis von T1 beziehungsweise T2 und der positive Pol an den Kollektor von T2 beziehungsweise T1 angeschlossen werden. Je niedriger der Widerstand von R1 beziehungsweise R4, um so niedriger der Ausgangswiderstand und um so größer die Änderungsrate an der steigenden Flanke an Q beziehungsweise Q, aber um so höher der Strom durch die beiden Bauteile wenn T1 beziehungsweise T2 "eingeschaltet" ist. Der minimale Widerstand von R1 beziehungsweise R4 hängt von der Versorgungsspannung und der Maximalleistung ab (siehe oben). Der maximale Widerstand von R2 beziehungsweise R3 hängt ab von den elektrischen Eigenschaften der verwendeten Transistoren. Der maximale Basisstrom wird durch diese Bauteile begrenzt. Der Basisstrom muss ausreichend hoch sein, damit der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor Strecke deutlich unter 0.7V (mindestens 0.1V) liegt, wenn der maximale Basisstrom fließt. T1 und T2 müssen NPN-Typen sein. Mögliche Werte sind: R1, R4 = 560Ω T1, T2 = BD175 Für eine sichtbare Blinkfrequenz von 0.66Hz (T=1.5s): C1, C2 = 22μF R2, R3 = 100kΩ Für eine Frequenz von 67Hz (T=15ms): C1, C2 = 0.68μF R2, R3 = 33kΩ Verwendet niedrigere Werte für die Kapazitäten von C1 und C2, um höhere Frequenzen und ein besseres Ausgangssignal zu erhalten (steigende Flanken, siehe oben). MOSFET
Werden N-Kanal MOSFETs anstelle der NPN-Transistoren verwendet, so ist zu bedenken dass kein Strom durch den Gate-Anschluss eines MOSFETs fließt, womit die Kondensatoren nicht über diesen entladen werden können. Ein zweites Problem ist, dass die Gatespannung eines MOSFETs deutlich über 0.7V (der Umkehrspannung der Kondensatoren) liegt, weshalb Elektrolytkondensatoren nicht verwendet werden können! Die hier gezeigte Schaltung funktioniert jedoch auch mit sehr hohen Widerstandswerten für R2 beziehungsweise R3, wodurch auch kleine Kondensatoren ausreichen, um eine sichtbare Blinkfrequenz zu erhalten. In dieser Schaltung läuft sowohl der Lade- als auch der Entladestrom von C1 durch R3. Der Ladestrom fließt zusätzlich über R4 und T1, der Entladestrom über T2 und R1. Für eine sichtbare Blinkfrequenz von circa 2Hz (T=0.5s): T1, T2 = 2N7000 C1, C2 = 0.33μF (verwendet keine Elektrolytkondensatoren!) R2, R3 = 1MΩ R5 = 1kΩ R1, R4 = 180Ω Operationsverstärker
Der Schaltplan zeigt einen astabilen Multivibrator unter Verwendung eines Operationsverstärkers. Wer sich an die Arbeitsweise eines Schmitt-Triggers erinnert, kann die Funktionsweise einfach erfassen: Der Eingang des Schmitt-Triggers, der gleichbedeutend mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist, wird über ein lineares RC-Glied mit dem Ausgang des Schaltkreises verbunden. Ist die Spannung am Kondensator und somit am Eingang des Schmitt-Triggers kleiner als dessen untere Schaltschwelle, ist die Ausgangsspannung gleich der positiven Versorgungsspannung. Über den Widerstand R3 wird der Kondensator nun geladen, bis die Spannung am Eingang auf einen Wert knapp oberhalb der oberen Schaltschwelle des Schmitt-Triggers gestiegen ist. Jetzt kippt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers hin zur negativen Versorgungsspannung. Über R3 wird der Kondensator jetzt entladen, bis die Spannung an diesem Bauteil auf einen Wert knapp unterhalb der unteren Schaltschwelle gesunken ist. Jetzt kippt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers hin zur positiven Versorgungsspannung und der Vorgang beginnt von vorne. Neben der geringeren Anzahl an benötigten Bauteilen besteht der Vorteil dieses Multivibrators in einer höheren Güte des Ausgangssignals. Im Video werden folgende Bauteile verwendet: Operationsverstärker: LM324N (4-fach) R1=47kΩ R2=12kΩ R3=1MΩ R4=R5=2kΩ C1=0.33μF Für die Schaltdauer gilt folgende Formel: [9.4a] T = 2R3C ln(1 + 2R1/R2) Dabei bedeutet:T - Periodendauer R1, R2, R3 - Widerstände C - Kapazität 
Wird eine Diode parallel zum Kondensator in den vorangegangenen Schaltkreis eingefügt, erhält man einen monostabilen Multivibrator. Wie weiter oben beschrieben, wird ein weiterer Kondensator (C2) und ein Widerstand (R6) verwendet, um nur kurze Pulse zu erzeugen, wenn der Taster betätigt wird.
Ein Flip-Flop bestehend aus einem Operationsverstärker. <<< RC-Glied Pulsweitenmodulation >>> Neuigkeiten Das Projekt Technik RoboSpatium Unterstützung Stichwortverzeichnis Archiv Download Reaktionen Spiele Verweise Gadgets Kontakt Impressum |
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