../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Multivibratoren


list.png

Multivibratoren

Multivibratoren sind Schaltungen, die zwischen zwei Zuständen schalten.

  • Astabile Multivibratoren schalten selbstständig zwischen den beiden Zuständen.
  • Sie verhalten sich sozusagen digital.
  • Monostabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen einmalig für eine Haltezeit in einen anderen Zustand und dann wieder zurück.
  • Bistabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen in einen andern Zustand und verbleiben in dem Zustand.

Astabile Multivibratoren

Astabile Multivibratoren erzeugen eine Rechteckspannung.

  • Meistens liegt die untere Spannung bei (oder nahe) OV.
  • Meistens liegt die obere Spannung nahe der Betriebsspannung Uv,
  • sie kann aber mehr oder weniger erheblich davon abweichen.
  • Es wird einen Rechteckspannung 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

Astabile Multivibratoren mit Transistoren

Re-Astabiler-Multivibrator-Transistoren.png
Bild 1: Astabiler Multivibrator mit Transistoren
  • Die Widerstände R1 und R4 hängen von der Last ab.
  • Mit dem 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 47 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 100kHz sind möglich.
  • bei hohen Frequenzen über 10kHz schwingt ein astabiler Multivibrator mit Transistoren oft nicht.
  • Dann können höhere Werte für R2 und R3 helfen.
  • Meistens lohnt sich der Aufbau eines diskreten astabiler Multivibrators nicht
  • zu viele Bauelemente
  • zu ungenau
  • Ein Timer 555 ist besser.

Astabile Multivibratoren mit Schmitt-Triggern

Re-Astabiler-Multivibrator-Schmitt-Trigger.png
Bild 2: Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger
  • Der 74HC14 ist ein digitaler Schmitt-Trigger in CMOS-Technologie.
  • Mit dem 74HC14 sind für den Widerstand R 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 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 aktiviert und gesperrt werden.

Quarzgenerator

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

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

Die Schaltung verwendet hingegen einen Inverter im linearen Betrieb.

  • Der 74HC49 ist nicht geeignet, weil er im linearen Betrieb sehr hohe Ströme zieht. Ein CMOS 4049 ist eben so gut geeignet wie ein 74HC04.
Re-Quarzgenerator.png
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 gewandelt.
  • Anstelle eines können auch zwei 74HC04 Gatter verwendet werden.

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

R1 von 1MΩ bis 20MΩ

R2 um 100kΩ. Auch 0Ω ist möglich. Dann ist der Stromverbrauch allerdings 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.
  • Bei Frequenzen über 5MHz sollten einstellbare Kondensatoren eingesetzt werden.
  • Die Kapazitäten hängen auch vom Aufbau ab.

Astabile Multivibratoren mit Operationsverstärkern

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

Astabile Multivibratoren mit Timer 555

Re-Astabiler-Multivibrator-Timer555.png
Bild 5: Astabiler Multivibrator mit dem Timer 555
  • Der NE555 ist die bipolare, 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 können die Widerstände R1 und R2 im Bereich von 5kΩ bis 10MΩ liegen.
  • Der Kondensator C sollte nicht unter 1nF liegen.
  • 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 wenig von der Betriebsspannung und der Last ab.
  • In den meisten Fällen liefert der Timer 555 die besten Ergebnisse.

Monostabile Multivibratoren

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

Monostabile Multivibratoren mit Timer 555

Re-Monostabiler-Multivibrator-Timer555.png
Bild 6: Monostabiler Multivibrator mit dem Timer 555
  • Der NE555 ist die bipolare, der LMC555 die CMOS-Version.
  • Der NE556 enthält zwei Timer in einem Gehäuse.
  • Beim NE555 sollten der Widerstand R1 im Bereich von 5kΩ bis 1MΩ liegen.
  • Beim LMC555 sollten der Widerstand R1 im Bereich von 5kΩ bis 10MΩ liegen.
  • Der Kondensator C sollte nicht unter 1nF liegen.
  • 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.

Monostabile Multivibratoren mit Digitalbausteinen

Re-Monostabiler-Multivibrator-74HC221.png
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. trifft ein Trigger während der Haltezeit ein, wird diese verlängert.
T ~ R * C

Berechnung mit dem Tool Monostabiler Multivibrator

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

Bistabile Multivibratoren

Bistabile Multivibratoren werden auch als R-S-Flip-Flops bezeichnet.

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

Bistabile Multivibratoren mit Digitalbausteinen

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