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Multivibratoren


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Multivibratoren

Multivibratoren sind Schaltungen, die zwischen zwei Zuständen umschalten.

  • Astabile Multivibratoren schalten selbsttätig zwischen den beiden Zuständen um.
  • Sie verhalten sich sozusagen digital.
  • Monostabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen einmal für eine Haltezeit in einen anderen Zustand und dann wieder zurück.
  • Bistabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen in einen anderen Zustand und verharren in diesem Zustand.

Astabiler Multivibrator

Astabile Multivibratoren erzeugen eine Rechteckspannung.

  • Meistens liegt die untere Spannung bei (oder nahe) 0V.
  • Meistens liegt die obere Spannung nahe der Betriebsspannung Uv,
  • sie kann aber mehr oder weniger stark davon abweichen.
  • Es wird eine Rechteckspannung mit der Frequenz f bzw. der Periode P = 1 / f erzeugt.
  • Die Ein-Zeit (bei Uv) ist t1.
  • Die Aus-Zeit (bei 0V) ist t2.
  • In den meisten Fällen ist t1 ≠ t2.
  • Das Verhältnis der Ein-Zeit zur Periode P wird als Tastgrad oder Tastverhältnis δ oder D bezeichnet.
  • δ = D = t1 / P
Attention :-)

Timer 555

Der Timer 555 liefert die besten Ergebnisse.

  • stabile Frequenz
  • einfacher Aufbau

Astabiler Multivibrator mit Transistoren

Re-Astabiler-Multivibrator-Transistoren.png
Bild 1: Astabiler Multivibrator mit Transistoren
  • Die Widerstände R1 und R4 hängen von der Last ab.
  • Beim BC337 sind für R1 und R4 Werte zwischen 100Ω und 10kΩ bei 5V sinnvoll.
   R2 = 50 * R1
   R3 = 50 * R4
   C1 = C2 ~ f / (1.3 * R2)  mit R3 = R2
  • Der Faktor 50 kann zwischen 10 und 100 liegen und hängt von den verwendeten Transistoren ab.
  • Die Frequenz ist ziemlich ungenau und hängt auch von der Last ab.
  • Wenn R2 = R3 ist, sind die Ein- und Aus-Zeiten gleich.
  • Frequenzen bis zu 100kHz sind möglich.
  • Bei hohen Frequenzen über 10kHz schwingt ein astabiler Multivibrator mit Transistoren oft nicht.
  • In diesem Fall können höhere Werte für R2 und R3 helfen.
  • Meistens lohnt es sich nicht, einen diskreten astabiler Multivibrators zu bauen:
  • Zu viele Bauelemente und
  • zu ungenau.
  • Ein Timer 555 ist besser.

Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger

Re-Astabiler-Multivibrator-Schmitt-Trigger.png
Bild 2: Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger
  • Der 74HC14 ist ein digitaler Schmitt-Trigger in CMOS-Technologie.
  • Für den Widerstand R sind beim 74HC14 Werte zwischen 1kΩ und 10MΩ sinnvoll.
f = 1,1 / (R * C)
R = 1,1 / (f * C)
C = 1,1 / (f * R)
  • Frequenzen bis über 1MHz sind möglich.
  • Sehr einfacher Aufbau.
  • Nur sinnvoll, wenn der 74HC14 auch für andere Zwecke verwendet werden.
  • Anstelle des 74HC14 kann auch der HC132 mit NAND-Schmitt-Triggern verwendet werden. Damit kann der Multivibrator einfach ein- und ausgeschaltet werden.

Quarzgenerator

  • Quarzgeneratoren sind keine Multivibratoren im engeren Sinne, aber die hier vorgestellte Schaltung liefert ein digitales Signal mit zwei Zuständen mit einer exakten Frequenz.

Ein digitaler Quarzgenerator sollte nicht mit einem Schmitt-Trigger aufgebaut werden.

Stattdessen verwendet die Schaltung in Bild 3 einen Inverter im linearen Betrieb.

  • Der 74HC49 ist nicht geeignet, da er im linearen Betrieb sehr hohe Ströme zieht. Ein CMOS 4049 ist genauso gut geeignet wie ein 74HC04.
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Bild 3 Digitaler Quarzgenerator

In Bild 3 wird eine einfacher Inverter 74HC04 verwendet.

  • Das Ausgangssignal wird über einen Schmitt-Trigger 74HC14 in ein sauberes digitales Signal umgewandelt.
  • Anstelle eines Schmitt-Triggers können auch zwei Gatter des 74HC04 verwendet werden.

C1 und C2 liegen im Bereich von 10pF (5pF .. 20pF)

R1 von 1MΩ bis 20MΩ

R2 sollte 100kΩ sein, aber auch 0Ω ist möglich. Der Stromverbrauch ist dann jedoch höher.

Frequenzbereich R1 R2 C1 C2
20kHz bis 60kHz 20MΩ 470kΩ 10pF 10pF
60kHz bis 165kHz 10MΩ 300kΩ 10pF 10pF
5MHz bis 30MHz 1MΩ 470Ω 5pF bis 15pF 5pF bis 15pF
30MHz bis 50MHz 1MΩ 470Ω 5pF bis 10pF 5pF bis 10pF
  • Die Kondensatoren beeinflussen die Frequenz des Quarzes.
  • Bei Frequenzen bis 165kHz sind feste Kondensatoren im Bereich von 10pF bis 20pF geeignet.
  • Für Frequenzen über 5MHz sollten einstellbare Kondensatoren verwendet werden.
  • Die Kapazitäten hängen auch vom Aufbau ab.

Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker

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Bild 4: Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker
  • Die angegebenen Werte von R1 bis R4 sind für den LM358 sinnvoll.
   f ~ R4 * C
  • Die Frequenz hängt vom Typ des Operationsverstärkers ab,
  • insbesondere von dessen Ausgangsspannung und
  • damit auch von der Last.
  • Astabile Multivibratoren mit Operationsverstärkern sind nur sinnvoll, wenn in der Schaltung bereits Operationsverstärker verwendet werden und noch ein Verstärker frei ist.

Astabiler Multivibrator mit Timer 555

Re-Astabiler-Multivibrator-Timer555.png
Bild 5: Astabiler Multivibrator mit dem Timer 555
  • Der NE555 ist die bipolare Version, der LMC555 die CMOS-Version.
  • Der NE556 enthält zwei Timer in einem Gehäuse.
  • Beim NE555 sollten die Widerstände R1 und R2 im Bereich von 5kΩ bis 1MΩ liegen.
  • Beim LMC555 sollten die Widerstände R1 und R2 im Bereich von 5kΩ bis 10MΩ liegen.
  • Der Kondensator C sollte nicht kleiner als 1nF sein.
  • Frequenzen über 10kHz sollten vermieden werden.
  • Bei Kapazitäten unter 1nF und Frequenzen über 10kHz werden die Timer 555 ungenau.
f = 1.44 / ( ( R1 + 2 * R2 ) * C )
  • Die Ein-Zeit (0V) ist immer kleiner als die Aus-Zeit.
  • Die Frequenz hängt nur wenig von der Betriebsspannung und der Last ab.
  • In den meisten Fällen liefert der Timer 555 die besten Ergebnisse.

Monostabiler Multivibrator

Monostabile Multivibratoren erzeugen nach einem Triggerimpuls einen Impuls mit einer definierten Haltezeit T.

Monostabile Multivibratoren mit Timer 555

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Bild 6: Monostabiler Multivibrator mit dem Timer 555
  • Der NE555 ist die bipolare Version, der LMC555 die CMOS-Version.
  • Der NE556 enthält zwei Timer in einem Gehäuse.
  • Beim NE555 sollte der Widerstand R1 im Bereich von 5kΩ bis 1MΩ liegen.
  • Beim LMC555 sollte der Widerstand R1 im Bereich von 5kΩ bis 10MΩ liegen.
  • Der Kondensator C sollte nicht kleiner als 1nF sein.
  • Die Haltezeit sollte nicht unter 100µs liegen.
T = 1.1 * R * C

Berechnung mit dem Tool Monostabiler Multivibrator

  • Bei Kapazitäten unter 1nF und Haltezeiten unter 100µs werden die Timer 555 ungenau.
  • Der Kondensator C1 und der Widerstand R1 können entfallen, wenn der Triggerimpuls nach 0V kürzer als die Zeit T ist.

Monostabiler Multivibrator mit Digitalbaustein

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Bild 7: Monostabiler Multivibrator mit dem 74HC221
  • Der 74HC221 ist ein digitaler CMOS-Baustein.
  • Es gibt eine Reihe weiterer Bausteine:

74HC123, 74HC423, 74HC4538

  • Sie haben zwei Eingänge, die bei einer negativen und einer positiven Flanke den monostabilen Zustand auslösen.
  • Der 74HC123, 74HC423 und 74HC4538 sind retriggerbar,
  • d.h. wenn während der Haltezeit ein Trigger auftritt, wird die Haltezeit verlängert.
T ~ R * C

Berechnung mit dem Tool Monostabiler Multivibrator

Für kurze Haltezeiten im µs-Bereich sind die digitalen Bausteine gut geeignet.

Bistabiler Multivibrator

Bistabile Multivibratoren werden auch R-S-Flip-Flops genannt.

  • Sie haben zwei Eingänge:
  • Einen zum Setzen (Set, S) und
  • einen zum Rücksetzen (Reset, R)

Bistabiler Multivibrator mit Digitalbaustein

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Bild 8: Bistabiler Multivibrator mit NAND-Gattern
  • Die Schaltung in Bild 8 wird durch negative Impulse (0V) in den entsprechenden Zustand gebracht.