Astabiler Multivibrator mit Transistoren

Wir kommen zu einer Schaltung, die sich von den vorhergehenden unterscheidet.

Sie ändert die Ausgangsspannung selbsttätig mit der Zeit.

Die bisher betrachteten Schaltungen reagieren auf äußere Einflüsse.

• Wir ändern z. B. den Strom eines Verbrauchers und die elektronische Sicherung löst aus.

Ein astabiler Multivibrator gibt an seinem Ausgang ein Signal aus, das nach einer gewissen Zeit 0 V und etwas später z. B. 5 V ausgibt und sich immer wiederholt.

Astabile Multivibratoren werden beispielsweise verwendet

• als Taktgeber in dynamischen Digitalschaltungen und

• zur Steuerung blinkender LEDs.

Wir verwenden hier einen astabilen Multivibrator für ein LED-Blinklicht.

Der astabile Multivibrator in Bild 1 lässt zwei LEDs abwechselnd aufleuchten.

In Bild 1 begegnen wir neuen Bauelementen, den Kondensatoren C₁ und C₂.

Kondensatoren

• Die Kondensatoren in Bild 1 sind Elektrolytkondensatoren mit 22 µF (Mikrofarad).

• Es sind gepolte Kondensatoren.

• Die Polarität der gepolten Kondensatoren muss beachtet werden.

• Die maximale Betriebsspannung beträgt 63 V.

• Die maximale Betriebsspannung der Kondensatoren darf nicht überschritten werden.

• In der Schaltung in Bild 1 würden Kondensatoren mit 10 V ausreichen.

Kondensatoren

Kondensatoren kommen vielleicht zum ersten Mal im analogen Praktikum vor.

• 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.

• Kondensatoren werden meist in µF, nF oder pF angegeben.

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

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

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

Die LEDs des astabilen Multivibrators blinken abwechselnd. Sie blinken etwa 1,5-mal pro Sekunde, d. h. die Spannung an den Kollektoren der Transistoren wird alle 0,64 Sekunden ein- und ausgeschaltet.

Die Anzahl der Änderungen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Die Zeit, nach der sich ein Impuls wiederholt, wird als Periode bezeichnet.

Frequenz

Die Anzahl der Ein-/Ausschaltvorgänge pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet.

• Die Frequenz f wird in Hz gemessen.

In der Elektronik wird normalerweise mit sehr hohen Frequenzen gearbeitet. Digitale Schaltungen arbeiten oft mit Frequenzen im Bereich von Megahertz, d. h. Millionen Hertz (MHz) oder sogar 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

Die Frequenz eines astabilen Multivibrators kann berechnet werden:

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

Weiterhin gilt:

f = 1 / P
P = 1 / f

In unserer Schaltung in Bild 1 wird die Frequenz durch die RC-Glieder C₁ und R₄ bzw. C₂ und R₃ bestimmt.

In unserem Fall sind R₃=R₄ und C₁=C₂. Dann gilt:

f = 1 / (R4 * C1)
f = 1 / (24kΩ * 22µF)
f = 1,9Hz

Diese Werte sind nicht sehr genau.

Sie hängen auch von

• den Widerständen R₂ und R₅,

• R₁, LED1 und R₆, LED2,

• aber auch von der Betriebsspannung ab.

• Kondensatoren haben außerdem relativ große Toleranzen von meist 20 %.

Frequenzen

Astabile Multivibratoren mit Transistoren eignen sich

• weder für lange Zeiten (Perioden),

• für die relativ große Kondensatoren erforderlich sind,

• der Timer 555 ist besser und genauer,

• noch für hohe Frequenzen.

• Multivibratoren mit Schmitt-Triggern sind besser geeignet.

Siehe Rezepte Multivibratoren.

Eigene Versuche

Den Einfluss der Last können wir einfach nachweisen.

Wenn wir die LEDs nicht an +5 V, sondern an 0 V anschließen,

• ist die Frequenz höher (etwa 3 Hz) und

• die LEDs leuchten nur schwach.

• Das liegt natürlich daran, dass der Strom für LED1 durch R₁ und R₂ fließt und R₂ 10 kΩ beträgt.

Alternativen

• Häufig wird eine höhere Genauigkeit der Frequenz und

• eine zuverlässige Berechnung der Frequenz benötigt.

• Eine einfachere Schaltung ist erwünscht.

• Ein IC, ein Kondensator und ein oder zwei Widerstände sind ausreichend.

• Insbesondere wird ein kleinerer Kondensator benötigt.

• Oft wird eine Unabhängigkeit von Betriebsspannung und

• Last gewünscht.

Dann führt eigentlich kein Weg am Timer 555 vorbei.

Zur Berechnung der Bauelemente kann das Tool Astabiler Timer 555 verwendet werden.

• Wer es ganz klein braucht, nimmt den SN74LVC1G14, einen einzelnen Schmitt-Trigger im 5-poligen SMD-Gehäuse.

Hohe Frequenzen

Für hohe Frequenzen ab 100 kHz sind Multivibratoren mit Schmitt-Trigger am besten geeignet.

Schmitt-Trigger werden als Digital-Bausteine angeboten und sind sehr robust und zuverlässig.

• Sowohl lange Zeiten als auch sehr hohe Frequenzen über 1 MHz sind möglich.

• Die Schaltung ist sehr einfach, neben dem Schmitt-Trigger werden meist nur ein Widerstand und ein Kondensator benötigt.

• Genaue Frequenzen lassen sich mit Quarzen an Schmitt-Triggern erzeugen.

Zur Berechnung der Bauelemente kann das Tool Astabiler Multivibrator mit 74HC14 verwendet werden.

• Im Rezept Multivibratoren werden verschiedene Multivibrator-Schaltungen vorgestellt.