Multivibrator
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Ein Multivibrator ist eine elektronische Schaltung, die sich in zwei Zuständen befinden kann, zwischen denen sie selbstständig oder von außen gesteuert hin und her schaltet. Sie besteht im Prinzip aus zwei wechselseitig gekoppelten Schaltern, wobei das Einschalten des einen nach einer frequenzbestimmenden Verzögerungszeit ein Ausschalten des anderen zur Folge hat. Multivibratoren bezeichnet man auch als Kippstufen, im speziellen Fall als astabile Kippstufen.
Man unterscheidet astabile, bistabile und monostabile Kippstufen.
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[Bearbeiten] Astabile Kippstufe (Multivibrator)
[Bearbeiten] Schaltung mit diskreten Bauelementen
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R1 und R2 sind Widerstände, K1 und K2 sind die Kopplungsglieder mit Verzögerungsfunktion, sie können Widerstände oder Kondensatoren sein. Die beiden Zustände des Multivibrators sind:
- S1 eingeschaltet und S2 ausgeschaltet,
- S1 ausgeschaltet und S2 eingeschaltet.
Im rechten Bild sieht man ein konkretes Beispiel mit Leuchtdioden (LEDs).
Beide Koppelglieder sind Kondensatoren, die sich je nach Kapazität (und der Widerstandsbeschaltung) schneller oder langsamer umladen. Somit ist jeder der beiden Zustände nicht stabil und die Schaltung kippt abwechselnd zwischen den beiden Zuständen hin und her. Durch die Größe von R1, K1 und R2, K2 kann man die Zeiten verändern, die die Schaltung jeweils in den beiden Zuständen verbringt. Ist R1 · K1 = R2 · K2, so ist sie in beiden gleich lang.
Die entstehende nahezu idealen Rechteckschwingungen haben einen hohen Anteil an Oberwellen. Bei dieser Schaltung hängt die erzeugte Frequenz stark von der verwendeten Betriebsspannung ab.
[Bearbeiten] Schaltungsbeschreibung
In der stromlosen Schaltung sind die Transistoren T1 und T2 nicht leitend. Die Kondensatoren C1 und C2 seien entladen. Die Platten eines ungeladenen Kondensator haben stets das gleiche Potential.
Mit dem Anlegen der Betriebsspannung U_b fließen über die Widerstände R2 und R3 Ströme in die Basen von T1 und T2. Einer der Transistoren wird ab einem bestimmten Basistrom zuerst leitend (z. B. T1) und zieht über den kollektorseitig angeschlossenen Kondensator die Basis des anderen Transistors auf Null. T2 sperrt, und die Spannung über T2 springt auf U_b. Dieses Potential findet sich auch auf der anderen Platte von C2 und damit auch an der Basis von T1, der jetzt maximal aufgesteuert und leitend wird. Die Schaltung befindet sich jetzt in einem klar definierten quasi stabilen Zustand, willkürlich Zustand_1 genannt.
Die kollektorseitige Platte von C1 liegt jetzt auf Null und C1 wird über R2 solange geladen, bis an der Basis von T2 ca. 0,7 V anliegen und T2 leitend wird. Damit springt das Potential am Kollektor von T2 von U_b nach Null und wird über C2 an die Basis von T1 gelegt, der augenblicklich sperrt und die kollektorseitige Platte von C1 über R1 und D1 auf U_b legt. Die andere Platte des C1 folgt diesem Potentialsprung, wodurch ein Strom durch R1, D1, C1 zusätzlich zum Strom durch R2 in die Basis des T2 fließen und diesen maximal aufsteuern. Die Schaltung befindet sich jetzt im zweiten quasi stabilen Zustand_2.
In diesem Zustand wird C2 über R3 langsam geladen, so dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis die Basis-Emitter-Spannung an T1 0,7 V erreicht hat und die Schaltung in den Zustand_1 zurückkippt. Und so fort.
[Bearbeiten] Schaltung mit integriertem Baustein
Auch die folgende Schaltung erzeugt eine Reckteckspannung, ist aber einfacher aufgebaut als der oben gezeigte Multivibrator und besitzt den Vorteil, dass die Frequenz fast nicht von der Betriebsspannung abhängt. Diese kann im Bereich 0,1 Hz bis 500 kHz liegen und kann mit nur einem einzigen Potentiometer sehr stark variiert werden. Die Funktion des verwendeten, sehr preiswerten Bausteins 555 lässt sich einfach beschreiben: So lange die Spannung am 10-nF-Kondensator kleiner ist als 66 % der Betriebsspannung, wird der Kondensator über die Serienschaltung von 20-kΩ-Poti und 1-kΩ-Widerstand aufgeladen. Die Ausgangsspannung an Pin 3 ist während dieser Zeit genauso groß wie die Betriebsspannung. Wird dieser 66-%-Wert überschritten, kippt intern ein Flipflop um, die Ausgangsspannung sinkt auf 0 Volt und der Kondensator wird über das Poti entladen. Sobald 33 % der Betriebsspannung unterschritten werden, kippt das Flipflop in die ursprüngliche Position zurück und das Spiel beginnt von vorn. Die Spannung am Kondensator hat annähernd die Form eines Dreiecks, kann aber nur schwach belastet werden.
Mit den oben angegebenen Werten lässt sich die erzeugte Frequenz etwa im Verhältnis 1:20 ändern. Eine Verdopplung der Kapazität halbiert die erzeugte Frequenz. Durch eine kleine Änderung der Spannung am Pin 5 (Sollwert: 66 % der Betriebsspannung) kann man die Frequenz elektronisch ändern (Voltage controlled Oscillator). Durch eine Wechselspannung an diesem Anschluss kann man sehr einfach Frequenzmodulation erzeugen (Kojak-Sirene).
[Bearbeiten] Anwendungen
- als Signalgenerator zur Erzeugung von Rechteck-Schwingungen: Durch Ändern der zeitbestimmenden Glieder kann die Frequenz und/oder das Tastverhältnis geändert werden.
- in der Telemetrie: Werden für die frequenzbestimmenden Widerstände und Kondensatoren Bauformen verwendet, deren Wert von einer physikalischen Größe abhängt, kann man auf diese Weise Impulsfolgen erzeugen, deren Impulslänge oder Impulspausenlänge von dieser Größe abhängt. Solche Pulse können z. B. auf ein Hochfrequenzsignal aufmoduliert werden, um sie zu senden. Im Empfänger können anhand der Impulsparameter die physikalischen Größen (z. B. Temperatur, Luftdruck) bestimmt werden.
- als Blinkgenerator in Signallampen oder als Tongenerator in Signalhörnern (z. B. piezoelektrische Schallgeber)
[Bearbeiten] Bistabile Kippstufe
[Bearbeiten] Monostabile Kippstufe
Siehe Monostabile Kippstufe
[Bearbeiten] Sonderformen
Bistabile und astabile Multivibratoren gibt es auch in Sonderformen, bei denen drei oder mehr aktive Komponenten im Spiel sind (mehrphasige Multivibratoren).
