Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker
Ein astabiler Multivibrator erzeugt eine Spannung, die mit der Zeit zwischen 0V und einer positiven Spannung, meistens der Betriebsspannung, wechselt.
Wechselspannung
In diesem Praktikum beziehen wir uns auf die Praktika in Wechselspannung
- Eine erste Einführung ist das Praktikum Spannungen an einer blinkenden LED
Der Timer 555 bietet ähnliche Funktionen:
Wir gehen von der bereits bekannten Schaltung eines Schmitt-Triggers aus, die im Praktikum Spannungen vergleichen behandelt wurde.
Durch eine kleine Änderung der Schaltung erhalten wir eine blinkende LED.
In Bild 2 begegnen wir einem neuen Bauelement dem Kondensator C1.
Kondensator
- Der Kondensator C1 ist ein Tantal-Kondensator mit 1µF (Mikrofarad).
- Es ist ein gepolter Kondensator.
- Die Polarität des einen gepolten Kondensators muss beachtet werden.
- Seine maximale Betriebsspannung beträgt 16V.
- Die maximale Betriebsspannung eines Kondensators darf nicht überschritten werden.
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 meistens in µF, nF oder pF angegeben.
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.
Die beiden in Bild 5 Keramikkondensatoren haben beide 100nF also 0,1µF.
Auf Elektrolytkondensatoren wie in Bild 6 ist meistens der Wert und die maximal zulässige Spannung aufgedruckt. Da 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.
- Der LM358 liefert maximal 3,8V.
Die wesentlichen Elemente sind
- der Widerstand R6 und der Kondensator C1,
- Sie bestimmen die Zeit, in der die Spannung wechselt.
- Man nennt sie RC-Glieder mit der Zeitkonstante T = R6 * C1.
- und natürlich der Schmitt-Trigger.
Der Schmitt-Trigger hat
- eine obere Schaltschwelle von 2,9V und
- eine untere Schaltschwelle von 1,7V.
- Er misst die Spannung am invertierenden Eingang -.
- Das ist die Spannung am Kondensator C1.
Funktionsweise
Wir betrachten den astabilen Multivibrator zum Zeitpunkt des Einschaltens der Versorgungsspannung.
- Die Spannung am Kondensator C1 beträgt dann 0V.
- Die Spannung liegt unterhalb der unteren Schaltschwelle des Schmitt-Triggers von 1,7V.
- Der Ausgang des Schmitt-Triggers beträgt dann 3,8V und die LED leuchtet.
- Der Kondensator C1 wird über den Widerstand R6 geladen.
- 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 nimmt mit der Zeit ab.
- Wenn die Spannung am Kondensator C1 die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers (1,7V) unterschreitet,
- liefert der Schmitt-Trigger wieder 3,8V am Ausgang.
- Die LED leuchtet wieder.
- Der ganze Vorgang wiederholt sich.
- Allerdings beginnt jetzt die Ladung des Kondensators bei 1,7V.
- Die LED blinkt.
Unter So Funktioniert's:
ist das Laden und Entladen 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
Grundsätzlich kann die Frequenz eines astabilen Multivibrators berechnet werden:
f = 1 / (R * C) P = R * C
Weiterhin gilt
f = 1 / P P = 1 / f
Für unserer Schaltung in Bild 2 gilt
f = 1 / (R6 * C1) f = 1 / (100kΩ * 10µF) f = 1Hz
In einer Versuchsschaltung messen wir jedoch etwa 0,7Hz. Selbst 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 beträgt nicht 5V, sondern 3,8V.
- Die Widerstände R1, R2 und R5 beeinflussen
- insbesondere die Hysterese des Schmitt-Triggers.
- Für eine grobe Bestimmung der Frequenz ist f = 1 / (R * C) ausreichend.
- Für stabilere und genauere Frequenzen sollte ein Timer 555 verwendet werden.
- Bei höheren Frequenzen werden kleinere Kondensatoren verwendet.
- Hohe Frequenzen über 10 kHz sind mit Operationsverstärkern in der Regel nicht zu erreichen.
Steuerung der Frequenz
Manchmal wird ein astabiler Multivibrator benötigt, dessen Frequenz über eine Spannung eingestellt werden kann.
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, da 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 durch eine Spannung gesteuert werden kann.
Oszillogramme
Die Spannungsverläufe am astabilen Multivibrator können mit einem Oszilloskop gemessen werden.
- Die Ausgangsspannung wird gelb dargestellt.
- Die Spannung am Kondensator ist blau.
- Die Periode der Spannungen beträgt 1,56s
- Die Frequenz ist 0.64Hz
- Die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers liegt bei 1,8V
- Die obere Schaltschwelle bei 2,9V
- Während die Ausgangsspannung 3,8V ist,
- steigt die Spannung am Kondensator.
- Bei einer Ausgangsspannung von 0V
- sinkt die Spannung am Kondensator.
- Die Ausgangsspannung ist
- länger bei 3,8V und
- kürzer bei 0V.
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 beträgt etwa 0,4V
- Die obere Schaltschwelle etwa 1,6V
Ein Vergleich mit Bild 8 zeigt:
- Der Einfluss der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ist deutlich zu erkennen.
- Der Kondensator wird sich schneller geladen,
- aber deutlich langsamer entladen.
- Die Ausgangsspannung ist
- kürzer bei 3,8V und
- länger bei 0V.