Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker

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

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

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

Funktionsweise

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

• Die Spannung am Kondensator C₁ beträgt dann 0 V.

• Die Spannung liegt unterhalb der unteren Schaltschwelle des Schmitt-Triggers von 1,7 V.

• Der Ausgang des Schmitt-Triggers beträgt dann 3,8 V 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 (2,9 V) überschreitet,

• liefert der Schmitt-Trigger am Ausgang 0 V.

• 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 (1,7 V) unterschreitet,

• liefert der Schmitt-Trigger wieder 3,8 V am Ausgang.

• Die LED leuchtet wieder.

• Der ganze Vorgang wiederholt sich.

• Allerdings beginnt jetzt die Ladung des Kondensators bei 1,7 V.

• Die LED blinkt.

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) oder gar GHz betrieben.

      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 unsere Schaltung in Bild 2 gilt:

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

In einer Versuchsschaltung messen wir jedoch etwa 0,7 Hz. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass der Kondensator nicht genau 10 µF 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 5 V, sondern 3,8 V.

• 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 U_s am Potentiometer gut verfolgen, da sich die Frequenz der blinkenden LED ändert.

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

• Anzeige eines Oszilloskops

• Oszillogramme eines Blinklichts

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