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Wir beschreiben den Timer 555 mit Operationsverstärkern.


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Beschreibung des Timers 555 mit Operationsverstärkern

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Astabiler Multivibrator

Wir betrachten hier den Timer 555 im astabilen Betrieb, weil dieses seine Funktion am besten beschriebt.

In So funktioniert's: Timer 555 astabil wird detaillierter beschrieben, wie der Timer 555 im astabilen Betrieb arbeitet.

Timer-555-astabil.png
Bild 1: Timer 555 im astabilen Betrieb
RC_Glied_Timer555.png
Bild 2: RC-Glied des Timers 555

Die Schaltung in Bild 2 stellt den astabilen Timer 555 in Bild 1 vereinfacht dar.

Bei geöffnetem Schalter wird der Kondensator C über die Widerstände R1 + R2 aufgeladen. Bei geschlossenem Schalter wird der Kondensator über den Widerstand R2 entladen.

Im Timer 555 ist der Schalter ein Transistor. Er ist eingeschaltet, wenn die Spannung am Kondensator größer als (2/3)U (zwei Drittel) der Versorgungsspannung U ist. Wenn die Spannung am Kondensator unter U/3 sinkt, wird er wieder ausgeschaltet. Auf diese Weise wird der Kondensator bis auf (2/3)U aufgeladen, dann auf U/3 entladen, wieder auf (2/3)U aufgeladen usw.

Betrachten wir die Spannung Uc am Kondensator, so ergibt sich folgender Verlauf.

Ladung-Entladung-Kondensator-555.png
Bild 3: Spannung Uc am Kondensator des Timers 555

Beim Laden des Kondensators haben wir eine Zeitkonstante τ1 = C * (R1 + R2), beim Entladen τ2 = C * R2.

Die Zeiten t1 und t2 geben an, wie lange der Kondensator geladen (t1) und entladen (t2) wird.

Timer mit Komparator

Das Verhalten für Bild 3 kann durch einen Schmitt-Trigger erreicht werden.

Timer-555-Schmitt-Trigger.png
Bild 4: Prinzipschaltung des Timers 555

Ein Schmitt-Trigger misst die Spannung am Kondensator C und schaltet den Transistor Q1 ein, wenn die Spannung (2/3)Uv beträgt. Wenn die Spannung am Kondensator unter (1/3)Uv fällt, wird der Transistor Q1 ausgeschaltet.

Die folgende Schaltung realisiert den Schmitt-Trigger mit zwei Operationsverstärkern.

Timer-555-Intern-U.png
Bild 5: Schaltung des Timers 555

Der Schmitt-Trigger in Bild 3 wurde in Bild 4 durch zwei Komparatoren und ein R-S-Flip-Flop ersetzt.

  • Die Pegel für (2/3)Uv und (1/3)Uv werden einfach durch einen Spannungsteiler mit drei gleichen Widerständen R realisiert. Widerstände mit hoher Genauigkeit (besser als 25%) können in integrierten Schaltungen nicht ohne weiteres realisiert werden. Dagegen lassen sich Widerstände mit gleichen Werten leicht realisieren.
  • Der Timer 555 hat seinen Namen von seinem Urvater dem NE555 geerbt.
    Die 555 bezieht sich auf die drei gleichen Widerstände R, die beim NE555 5kΩ haben.
  • Wenn die Spannung am Eingang THR, die Spannung am Kondensator größer als (2/3)Uv ist, erzeugt OP1 eine hohe Spannung und setzt den R-S-Flip-Flop über seinen Eingang R zurück. Der Ausgang Q wird aktiviert und der Transistor eingeschaltet. Dieser schaltet dann den Ausgang DIS auf 0V.
  • Wenn die Spannung am Eingang TR kleiner als (1/3)Uv ist, erzeugt OP2 eine hohe Spannung und setzt den R-S-Flip-Flop über seinen Eingang S. Der Ausgang Q wird deaktiviert und der Transistor eingeschaltet aus.
  • Der Eingang R des Timers und damit R des R-S-Flip-Flops liegt auf Versorgungsspannung und ist damit ohne Wirkung.
  • Der Ausgang Q des R-S-Flip-Flops ist der Ausgang des Timers.
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Schmitt-Trigger

Die beiden Komparatoren im Timer 555 bilden nur dann einen Schmitt-Trigger, wenn die Anschlüsse TR und THR verbunden sind.

Spannungsverlauf am Timer 555

Oszillogramm_9_s.png
Bild 6: Die Spannungen am Ausgang Q und den an Eingängen TR und THR

Das Oszillogramm Bild 6 entspricht dem Spannungsverlauf in Bild 3.

  • Mit dieser Abweichung können wir aber gut leben.

Ganz links im Oszillogramm befindet sich der Timer im Zustand Q. Die Spannung an TR und THR steigt an, weil der Kondensator C über R1 und R2 geladen wird. Dann erreicht die Spannung an THR (2/3)Uv = (2/3)*5V = 3,3V. Der R-S-Flip-Flop wird über seinen Eingang R zurückgesetzt und der Zustand wird Q.

Der Transistor schaltet den Widerstand R1 nach GND und der Kondensator C wird entladen. Wenn die Spannung an TR (1/3)Uv = (1/3)*5V = 1,7V ist, wird der R-S-Flip-Flop über seinen Eingang S gesetzt und der Zustand ist wieder Q.

Oszillogramm_8_s.png
Bild 7: Die Spannungen an den Ausgängen Q und DIS.

In Bild 7 ist deutlich zu sehen, dass der Transistor DIS auf GND=0V legt, solange der Zustand des Timers Q ist.

In der Mitte des Oszillogramms, nach dem Ausschalten des Transistors, steigt die Spannung an DIS auf 3,3V an. Dann ist die Spannung am Kondensator Uc = (1/3)Uv = (1/3)*5V = 1,7V.

  • Wir ersparen uns das Schwingen von Formeln und betrachten die Spannung an DIS.

Zwischen TR und der Versorgungsspannung von 5V liegen offensichtlich 3,3V (5V - 1,7V). Die Widerstände R1 und R2 sind gleich groß. An beiden fällt also die gleiche Spannung ab: 3,3V / 2 = 1,7V.

Die Spannung an DIS ist also etwa 1,7V + 1,7V. Genau sind es 3,3V, wie das Oszillogramm in Bild 7 zeigt.

Mit der Zeit steigt die Spannung am Kondensator und damit auch an DIS an.

Wenn die Spannung Uc = 3,3V erreicht, schaltet der Transistor wieder ein. Bei Uc = 3,3V liegen an den Widerständen nur noch 1,7V und damit an R1 0,85V. Die maximale Spannung an DIS beträgt dann 3,3V + 0,85V = 4,15V. Diese Spannung können wir im Oszillogramm Bild 7 ablesen.

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Alternative Schaltungen

Es gibt alternative Schaltungen von astabilen Multivibratoren.

Diese sind in der Regel mit einem Schmitt-Trigger aufgebaut.

  • Ein astabiler Multivibrator mit dem digitalen Schmitt-Trigger 74HC14 wird in Impulse erzeugen beschrieben.
  • Die Schaltung kann mit wenigen Bauelementen aufgebaut werden,
  • wenn noch ein Gatter des 74HC14 zur Verfügung steht.
  • Der Timer 555 ist stabiler.
  • lohnt sich nur, wenn noch ein Operationsverstärker zur Verfügung steht.
  • Es können nur Frequenzen unter 10kHz erzeugt werden.
  • Der Timer 555 ist stabiler.
  • Ein astabiler Multivibrator mit Transistoren
  • ist eine einfache Schaltung
  • mit relativ vielen Bauelementen.
  • Der Timer 555 ist stabiler.