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WWU – Institut für Technik und ihre DidaktikTEAM 2006 - Hein
Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 1
Drei wichtige Baugruppen der Elektronik
1. Der Schmitt-Trigger – Ein Schwellwertschalter
2. Das RS – Flipflop – Ein Speicher
3. Der astabile Multivibrator – Ein Generator
Alle drei Baugruppen
• gehören zu den Standardbaugruppen der Elektronik
• werden in der Schule häufig angewendet und
• eignen sich für den Einstieg ins Fach
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 2
Schmitt - Trigger sind Schwellwertschalter. Sie wandeln stetig veränderliche Eingangs-spannungen in zwei diskrete Ausgangsspannungswerte um. Wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, findet ein sprunghafter Wechsel zwischen beiden Ausgangsspannungszuständen statt.(Spannungsdiskriminator)
Schmitt - Trigger
Eingangssignal ueAusgangssignal ua
Symbol
Übertragungskennlinie
ue/V
ue: Eingangsspannung
ua/Vua: Ausgangsspannung
L
L: Low-Pegel von uaH H: High-Pegel von ua
uee
uee: Einschaltspannunguea: Ausschaltspannung
uea
EinschaltenAusschaltenHysteresisspannung
eaeeH uuu
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 3
Zeitverhalten des Schmitt-Triggers
t
u
uee
ueauaL
uaH
Schaltung
+
_
UB
ue ua
RA1 RA2
RE
T1 T2
RA1: Arbeitswiderstand 1
RA2: Arbeitswiderstand 2
RE: Emitterwiderstand
Verkoppelt die beiden Transistoren
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+
_
UB
ue ua
RA1 RA2
RE
T1 T2
Wirkungsweise des Schmitt-Triggers
Ruhezustand: Ue Uee ; T1 sperrt, T2 leitet; Ua=L
Wirkungsschema (Kausalkette)
ue/V
ua/V
L
H
ueeuea
Einschalten: Ue = Uee ; T1 wird leitend, T2 geht in den gesperrten Zustand über Ua geht auf H über.
ue ueeUa=L
ue= ueeUa HIB2
Für die Eingangsspannung gilt ue uRE + uBE1
0,7V
UBE1
uREuBE1
Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit RE und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren.
uBE1<0,7V
UBE1
IB1
IB1 min
IC1
IC1 min
IB2
IB2maxUCE1max
UCE1
UBE2max
UBE2
IC2
IC2max
UCE2
UCE2min
+
_
UB
ue ua
RA1 RA2
RE
T1 T2
uBE1
uRE
IC1
IC1
IB1
IB1
UBE2
UBE2
IB2
UCE1
UCE1
IC2
IC2
UCE2
UCE2
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 5
Übersteuern: ue uee ; T1 leitet, T2 sperrt ; ua = H
+
_
UB
ue ua
RA1 RA2
RE
T1 T2
ue/V
ua/V
L
H
ueeuea
Ausschalten: Ue = Uea ; T1 wird gesperrt, T2 geht in den leitenden Zustand über Ua geht auf L über.
Ue> uee IB1 max IC1 SAT UCE1minUCE2maxUBE2min IC2minIB2min Ua=H
Ue< uea IC1 UCE1 UCE2IB1 UBE2 IC2IB2UBE1
<0,7V
uREuBE1
Ua= L
+
_
UB
ue ua
RA1 RA2
RE
T1 T2
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 6
Dimensionierung +
_
UB
RA1 RA2
RE
T1 T2
aL
SATCEaLAEAA
C
BA uUB
UuRRRBR
I
UR
)(
;10
1; 22
2212
2
Praktisches Beispiel:
+
_
UB
RA1 RA2
RE
T1 T2
T1,T2: BC 337
RA1,RA2: 1k
RE:100
B2: Stromverstärkungs-faktor des 2. Transistors
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 7
RS-Flipflop
Ein Flipflop ist eine Speicherschaltung, die in der Lage ist, 1 Bit zu speichern.
Das bedeutet, dass sich diese Schaltung entweder eine 1 oder eine 0 merkt.
Symbol: Funktion:
S
R
Q
Q
1 0 1 0 Setzen
0 0 1 0 Speichern
0 1 0 1 Rücksetzen
1 0 1 0 Setzen
S R Q Q Vorgang
0 0 0 1 Speichern
RA1
T1
RA2
T2
+
_
UB
S R
Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weilbeide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden.Das ist nicht zulässig, weil Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen.
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 8
Wirkungsweise des RS-Flipflops
1 0 1 0 Setzen
0 0 1 0 Speichern
0 1 0 1 Rücksetzen
1 0 1 0 Setzen
S R Q Q Vorgang
0 0 0 1 Speichern
Setzen: S=H
R=L
IC1max
IB2min IC2min
UCE1min
UCE2max
Q=L
Q=H
Speichern: Q=LS=L
R=L
IB1maxIC1max
IB2min IC2min
UCE1min
UCE2max Q=H
Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise!
Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird?
RA1
T1
RA2
T2
S R
IB1max
IB1
RA1
T1
RA2
T2
S R
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 9
RA: 1k (Arbeitswiderstand)
Dimensionierung
T1 T2
RS2
RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen)
RA1 RA2
RK2RK1
RS1
RS: 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke)
Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs
+9VBetriebsspannung UB= 9V
Berechnung von RA
3501035,01020
7
20
29 33 A
V
A
V
mA
VV
I
UUBR
F
FA
350 350 50 k
1 k1 k
50 k
Betriebswerte der LED: IF=20 mA; UF=2V
T1 T2
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Astabiler Multivibrator
Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen Rechteckspannungen bis zu einigen MHz erzeugt werden können.
Symbol:
ua1 ua2
Schaltung:
RA1
C1
ua1 ua2
RA2Rb2Rb1
C2
UBRA: Arbeitswiderstände
Rb: Basiswiderstände
C: Kondensatoren
Rb1 und C1 sowie Rb2 und C2
sind die zeitbestimmenden Glieder.
Zeitkonstante
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 11
Wirkungsweise
RA1
C1
RA2Rb2Rb1
C2
T1 T2
Wenn der AMV schwingt, dann werden die Kondensatoren ständig umgeladen. Die Zeitkonstanten der beiden RC – Glieder bestimmt die Schaltzeiten der Transistoren und damit die Frequenz.
1169,0 CRB 2269,0 CRBP
2211 69,069,0
1
11
CRCRf
Tf
BB
P
Jedes RC-Glied bestimmt abwechselnd die Zeit der Pause und die Zeit p des Impulses.
t
u
p
Für eine Periode gilt: PT
Frequenz des AMV:
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Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, RS-Flipflop, Astabiler Multivibrator 12
Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt.
RA1
C1
RA2Rb2Rb1
C2
T1 T2
Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T1 jetzt sperrt und T2 jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator C2 gerade noch entladen und C1 gerade noch geladen.
1. Vorgang: C1 entlädt sich mit iKo1 über T2 . Über Rb1 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T1 weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt.
2. Vorgang: C2 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo2 über RA1 aufgeladen. Der Ladestrom von C2
fließt in die Basis von T2 und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch.
Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!!
Wirkungsschema: T1 sperrt, T2 leitet; C1 noch geladen; C2 noch entladen
uRb1
uBE1<0
uBE1<0 iB1 min iC1 minuCE1max
+iko2
ua1 H
iB2 max iC2 maxuCE2min ua2 L
-iko1
Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung
uRb1
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Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt.
RA1
C1
RA2Rb2Rb1
C2
T1 T2
Wenn der Kondensator C1 umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über Rb1 in T1 zu fließen.
3. Vorgang: C2 entlädt sich mit iKo2 über T1 . Über Rb2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall uRb2 hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T2 während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt.
4. Vorgang: C1 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo1 über RA2 aufgeladen. Der Ladestrom von C1
fließt in die Basis von T1 und hält diesen Transistor im leitenden Zustand.
Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt.
Wirkungsschema: T1 leitet, T2 sperrt; C2 noch geladen; C1noch entladen
uRb2
uBE2<0
uBE2<0 iB2 min iC2 minuCE2max
-iko2
ua1 H
iB1 max iC1 maxuCE1min
ua1 L
+iko1
Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung usw., usf..
iB1 T1 beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand.
Der Kondensator C2 entlädt sich mit Iko2 und erzeugt über Rb2 den hohen Spannungsabfall, der T2 sperrt. Der AMV ist gekippt.
uRb2
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Impulsdiagramm des AMV
RA1
C1
RA2Rb2Rb1
C2
T1 T2
0,7V
0,7V
<UB
t
uBE2
uBE1
uCE1
uCE2
<UB
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RA1
C2
RA2Rb2Rb1
C1
T1 T2
Berechnung des AMV
1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt kmA
V
I
UBR
CA 1
10
10
max
2. Berechnung der Frequenz
)69,0(2
1
69,069,0
111
2211 CRCRCRTf
BBBP
Nur bei gleichem Tastverhältnis!
Beispiel: f = 3 kHz, C=10 nF
)69,0(2
1
CRf
B
k
A
V
VAs
sCf
RB 8,2342
101
10101
10369,02
1
)69,0(2
1 6
93
RA=1k
RB=24k
C=10nF
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RC-Glieder
R
C V
A
t
U
I100%
63%
Das Produkt RC ist ein Maßstab für die Aufladegeschwindigkeit und wird Zeitkonstante genannt. Sie gibt die Zeit an, die erforderlich ist, um einen Kondensator auf 63% seiner Endspannung aufzuladen.
ss
V
As
A
VnFk
CR
10010100
101001011001
6
93
Beispiel: Zu berechnen ist die Zeitkonstante eines RC-Gliedes mit R=1k und C=100nF.
AMV
U
I