../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir verwenden einen Operationsverstärker, um eine Rechteckspannung zu erzeugen.


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Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker

Ein astabiler Multivibrator erzeugt eine Spannung, die mit der Zeit zwischen 0V und einer positiven Spannung, meistens der Betriebsspannung wechselt.

Attention >

Wechselspannung

In diesem Praktikum beziehen wir uns auf die Praktika in Wechselspannung

Ähnliche Funktionen bietet der Timer 555:

Wir gehen von der bereits bekannten Schaltung eines Schmitt-Triggers aus, die im Praktikum Spannungen vergleichen behandelt wurde.

Komparator.png
Bild 1: Schmitt-Trigger

Durch eine kleine Änderung der Schaltung erhalten wir eine blinkende LED.

Astabiler-Multivibrator.png
Bild 2: Astabiler Multivibrator

In Bild 2 begegnen wir einem neuen Bauelement dem Kondensator C1.

Attention pin

Kondensator

  • Der Kondensator C1 ist ein Tantal-Kondensator mit 1µF (Mikrofarad).
  • Es handelt sich um einen gepolten Kondensator.
  • Die Polarität des einen gepolten Kondensators muss beachtet werden.
  • Seine maximale Betriebsspannung ist 16V.
  • Die maximale Betriebsspannung eines Kondensators darf nicht überschritten werden.

Kondensatoren

Kondensatoren kommen vielleicht im Laufe des analogen Praktikums zu ersten Mal vor.

Kondensator-Symbol.png
Bild 3: Symbole für Kondensatoren
  • Es gibt ungepolte (Bild 3 links) und
  • gepolte Kondensatoren (Bild 3 rechts)
  • Wir verwenden hier gepolte Kondensatoren.
  • Sie haben die Anschlüsse Plus + und Minus -, die wir nicht vertauschen dürfen.
  • Kondensatoren haben eine Kapazität, die in Farad gemessen wird.
  • Meistens werden die Werte von Kondensatoren in µF oder nF angegeben.
TantalKondensator.png
Bild 4: Tantalkondensatoren sind gepolt

Der Kondensator links in Bild 4 ist ein Tantalkondensator mit 4,7µF für bis zu 35V. Rechts liegt ein Tantalkondensator mit 10µF für bis zu 16V. Der positive Anschluss + liegt rechts.

Kerko.png
Bild 5: Keramikkondensatoren sind ungepolt

Die beiden in Bild 5 Keramikkondensatoren haben beide 100nF also 0,1µF.

Elko.png
Bild 6: Elektrolytkondensatoren sind gepolt

Auf Elektrolytkondensatoren wie in Bild 6 ist meistens der Wert und die maximal zulässige Spannung aufgedruckt. Weil Elektrolytkondensatoren gepolt sind, ist ein Anschluss meistens mit - gekennzeichnet.

Die LED in Bild 2 blinkt.

Der astabile Multivibrator in Bild 2 erzeugt am Ausgang des Operationsverstärkers eine Spannung, die mit der Zeit zwischen 0V und 5V wechselt.

  • Na ja der LM358 schafft nur maximal 3,8V.

Die wesentlichen Elemente sind

  • der Widerstand R6 und der Kondensator C1
  • Sie bestimmen die Zeiten für den Wechsel der Spannung.
  • Sie werden als RC-Glied mit der Zeitkonstante T = R6 * C1 bezeichnet.
  • und natürlich der Schmitt-Trigger

Der Schmitt-Trigger hat

  • eine obere Schaltschwelle von 2,9V
  • eine untere von 1,7V
  • Er misst die Spannung am invertierenden Eingang -,
  • das ist die Spannung am Kondensator C1.

Funktion

Wir betrachten den astabilen Multivibrator zum Zeitpunkt des Einschaltens der Versorgungsspannung.

  • Am Kondensator C1 liegt dann die Spannung 0V.
  • Die Spannung liegt unter der unteren Schaltschwelle des Schmitt-Triggers von 1,7V.
  • Der Ausgang des des Schmitt-Triggers ist dann 3,8V und die LED leuchtet.
  • Der Kondensator C1 wird über den Widerstand R6 aufgeladen.
  • Seine Spannung steigt mit der Zeit an.
  • Wenn die Spannung am Kondensator C1 die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers (2,9V) überschreitet,
  • liefert der Schmitt-Trigger am Ausgang 0V.
  • Die LED erlischt.
  • Der Kondensator wird nicht mehr über R6 geladen, sondern entladen.
  • Die Spannung am Kondensator fällt mit der Zeit.
  • Wenn die Spannung am Kondensator C1 die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers (1,7V) unterschreitet,
  • liefert der Schmitt-Trigger am Ausgang wieder 3,8V.
  • Die LED leuchtet wieder.
  • Und der ganze Vorgang wiederholt sich.
  • Allerdings beginnt jetzt die Ladung des Kondensators bei 1,7V.
  • Die LED blinkt.
Attention >

Unter So Funktioniert's:

Kondensator und Widerstand

ist die Ladung und Entladung eines Kondensators über einen Widerstand beschrieben.

Frequenz

Die Anzahl der Ein- Aus-Schaltvorgänge pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet.

  • Frequenzen f werden in Hz gemessen.

Normalerweise arbeiten wir in der Elektronik mit sehr hohen Frequenzen. Digitalschaltungen werden oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, d.h. Millionen Hertz (MHz) betrieben oder gar GHz.

      1000Hz =       1kHz
   1000000Hz =    1000kHz =    1MHz
               1000000kHz = 1000MHz = 1GHz

Außer der Frequenz eines Signals wird oft auch seine Periode angegeben. Die Periode P ist die Zeit nach der sich ein Signal wiederholt.

P = 1 / f

Frequenz des astabilen Multivibrators

Im Prinzip lässt sich die Frequenz eines astabilen Multivibrators berechnen:

f = 1 / (R * C)
P = R * C

Außerdem gilt

f = 1 / P
P = 1 / f

In unserer Schaltung in Bild 2 sind das

f = 1 / (R6 * C1)
f = 1 / (100kΩ * 10µF)
f = 1Hz

In einer Versuchsschaltung messen wir allerdings etwa 0,7Hz. Auch wenn wir davon ausgehen, dass der Kondensator nicht genau 10µF hat, ist diese Abweichung erheblich.

f = 1 / (R6 * C1)
f = 1 / (100kΩ * 11µF)
f = 0,91Hz

Die Ursachen sind

  • die Ausgangsspannung des LM358 ist nicht 5V, sondern 3,8V
  • die Widerstände R1, R2 und R5 haben einen Einfluss
  • insbesondere der Hysterese des Schmitt-Triggers
  • Für eine grobe Bestimmung der Frequenz reicht f = 1 / (R * C).
  • Für stabilere und genauere Frequenzen sollte ein Timer 555 verwendet werden.
  • Für höhere Frequenzen werden kleinere Kondensatoren eingesetzt.
  • Mit Operationsverstärkern werden in der Regel keine hohen Frequenzen über 10kHz erreicht.

Steuerung der Frequenz

Manchmal wird ein astabiler Multivibrator benötigt, dessen Frequenz über eine Spannung eingestellt werden kann.

Astabiler-Multivibrator-U.png
Bild 7: Gesteuerter astabiler Multivibrator

Beim Multivibrator in Bild 7 wird die Spannung am nicht invertierenden Eingang über ein Potentiometer eingestellt.

Wir können die Wirkung der Spannung Us am Potentiometer gut verfolgen, weil sich die Frequenz der blinkenden LED ändert.

Spannung Us Frequenz Periode
0,0V 0,0Hz blinkt nicht
0,1V 0,25Hz 4,0s
0,5V 0,35Hz 2,8s
1,0V 0,42Hz 2,4s
2,5V 0,48Hz 2,1s
5,0V 0,67Hz 1,5s

Die Ergebnisse zeigen, dass die Frequenz eines astabilen Multivibrators über eine Spannung gesteuert werden kann.

Oszillogramme

Der Verlauf der Spannungen an dem astabilen Multivibrator lassen sich mit einem Oszilloskop messen.

AstabilerMultivibrator-5.0V_s.png
Bild 8: Oszillogramm am astabilen Multivibrator in Bild 2
  • Die Ausgangsspannung ist gelb dargestellt.
  • Die Spannung am Kondensator ist blau.
  • Die Periode der Spannungen ist 1,56s
  • Die Frequenz ist 0.64Hz
  • Die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers liegt bei 1,8V
  • Die obere bei 2,9V
  • Während die Ausgangsspannung 3,8V ist,
  • steigt die Spannung am Kondensator.
  • Während die Ausgangsspannung 0V ist,
  • fällt die Spannung am Kondensator.
  • Die Ausgangsspannung ist
  • länger bei 3,8V und
  • kürzer bei 0V.
AstabilerMultivibrator-1.0V_s.png
Bild 9: Oszillogramm am astabilen Multivibrator in Bild 7

Die Spannung Us am Potentiometer beträgt 2,5V

  • Die Periode der Spannungen ist 2,08s
  • Die Frequenz ist 0.48Hz
  • Die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers liegt bei 0,4V
  • Die obere bei 1,6V

Ein Vergleich mit Bild 8 zeigt:

  • Der Einfluss der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ist gut zu erkennen.
  • Der Kondensator lädt sich schneller auf,
  • aber entlädt sich wesentlich langsamer.
  • Die Ausgangsspannung ist
  • kürzer bei 3,8V und
  • länger bei 0V.