Multivibratoren

Multivibratoren sind Schaltungen, die zwischen zwei Zuständen umschalten.

• Astabile Multivibratoren schalten selbsttätig zwischen den beiden Zuständen um.

• Sie verhalten sich sozusagen digital.

• Monostabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen einmal für eine Haltezeit in einen anderen Zustand und dann wieder zurück.

• Bistabile Multivibratoren schalten von außen angestoßen in einen anderen Zustand und verharren in diesem Zustand.

Astabiler Multivibrator

Astabile Multivibratoren erzeugen eine Rechteckspannung.

• Meist liegt die untere Spannung bei (oder nahe) 0 V.

• Meist liegt die obere Spannung nahe der Betriebsspannung U_v,

• sie kann aber mehr oder weniger stark davon abweichen.

• Es wird eine Rechteckspannung mit der Frequenz f bzw. der Periode P = 1 / f erzeugt.

• Die Ein-Zeit (bei U_v) ist t₁.

• Die Aus-Zeit (bei 0 V) ist t₂.

• In den meisten Fällen ist t₁ ≠ t₂.

• Das Verhältnis der Ein-Zeit zur Periode P wird als Tastgrad oder Tastgrad δ oder D bezeichnet.

• δ = D = t₁ / P

Timer 555

Der Timer 555 liefert die besten Ergebnisse:

• Stabile Frequenz

• Einfacher Aufbau

Astabiler Multivibrator mit Transistoren

• Die Widerstände R₁ und R₄ hängen von der Last ab.

• Beim BC337 sind für R₁ und R₄ Werte zwischen 100 Ω und 10 kΩ bei 5 V sinnvoll.

   R2 = 50 * R1
   R3 = 50 * R4
   C1 = C2 ~ f / (1.3 * R2)  mit R3 = R2

• Der Faktor 50 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 zu 100 kHz sind möglich.

• Bei hohen Frequenzen über 10 kHz schwingt ein astabiler Multivibrator mit Transistoren oft nicht.

• In diesem Fall können höhere Werte für R₂ und R₃ helfen.

• Siehe Astabiler Multivibrator mit Transistoren

• Meist lohnt es sich nicht, einen diskreten astabilen Multivibrator zu bauen:

• Zu viele Bauelemente und

• zu ungenau.

• Ein Timer 555 ist besser.

Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger

• Der 74HC14 ist ein digitaler Schmitt-Trigger in CMOS-Technologie.

• Für den Widerstand R sind beim 74HC14 Werte zwischen 1 kΩ und 10 MΩ sinnvoll.

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

• Frequenzen bis über 1 MHz sind möglich.

• Sehr einfacher Aufbau.

• Nur sinnvoll, wenn der 74HC14 auch für andere Zwecke verwendet wird.

• Berechnung mit dem Tool Astabiler Multivibrator mit 74HC14.

• Anstelle des 74HC14 kann auch der HC132 mit NAND-Schmitt-Triggern verwendet werden. Damit kann der Multivibrator einfach ein- und ausgeschaltet werden.

Quarzgenerator

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

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

Stattdessen verwendet die Schaltung in Bild 3 einen Inverter im linearen Betrieb.

• Der 74HC49 ist nicht geeignet, da er im linearen Betrieb sehr hohe Ströme zieht. Ein CMOS 4049 ist genauso gut geeignet wie ein 74HC04.

In Bild 3 wird ein einfacher Inverter 74HC04 verwendet.

• Das Ausgangssignal wird über einen Schmitt-Trigger 74HC14 in ein sauberes digitales Signal umgewandelt.

• Anstelle eines Schmitt-Triggers können auch zwei Gatter des 74HC04 verwendet werden.

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

R₁ von 1 MΩ bis 20 MΩ

R₂ sollte 100 kΩ sein, aber auch 0 Ω ist möglich. Der Stromverbrauch ist dann jedoch höher.

Frequenzbereich	R1	R2	C1	C2
20 kHz bis 60 kHz	20 MΩ	470 kΩ	10 pF	10 pF
60 kHz bis 165 kHz	10 MΩ	300 kΩ	10 pF	10 pF
5 MHz bis 30 MHz	1 MΩ	470 Ω	5 pF bis 15 pF	5 pF bis 15 pF
30 MHz bis 50 MHz	1 MΩ	470 Ω	5 pF bis 10 pF	5 pF bis 10 pF

• Die Kondensatoren beeinflussen die Frequenz des Quarzes.

• Bei Frequenzen bis 165 kHz sind feste Kondensatoren im Bereich von 10 pF bis 20 pF geeignet.

• Für Frequenzen über 5 MHz sollten einstellbare Kondensatoren verwendet werden.

• Die Kapazitäten hängen auch vom Aufbau ab.

Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker

• Die angegebenen Werte von R₁ bis R₄ sind für den LM358 sinnvoll.

   f ~ R4 * C

• Die Frequenz hängt vom Typ des Operationsverstärkers ab,

• insbesondere von dessen Ausgangsspannung und

• damit auch von der Last.

• Astabile Multivibratoren mit Operationsverstärkern sind nur sinnvoll, wenn in der Schaltung bereits Operationsverstärker verwendet werden und noch ein Verstärker frei ist.

• Siehe Astabiler Multivibrator mit Operationsverstärker

Astabiler Multivibrator mit Timer 555

• Der NE555 ist die bipolare Version, der LMC555 die CMOS-Version.

• Der NE556 enthält zwei Timer in einem Gehäuse.

• Beim NE555 sollten die Widerstände R₁ und R₂ im Bereich von 5 kΩ bis 1 MΩ liegen.

• Beim LMC555 sollten die Widerstände R₁ und R₂ im Bereich von 5 kΩ bis 10 MΩ liegen.

• Der Kondensator C sollte nicht kleiner als 1 nF sein.

• Frequenzen über 10 kHz sollten vermieden werden.

• Bei Kapazitäten unter 1 nF und Frequenzen über 10 kHz werden die Timer 555 ungenau.

f = 1,44 / ( ( R1 + 2 * R2 ) * C )

• Berechnung mit dem Tool Astabiler Timer 555.

• Die Ein-Zeit (bei 0 V) ist immer kleiner als die Aus-Zeit.

• Die Frequenz hängt nur wenig von der Betriebsspannung und der Last ab.

• In den meisten Fällen liefert der Timer 555 die besten Ergebnisse.

• Siehe Timer 555 und Timer 555 Details

Monostabiler Multivibrator

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

Monostabiler Multivibrator mit Timer 555

• Der NE555 ist die bipolare Version, der LMC555 die CMOS-Version.

• Der NE556 enthält zwei Timer in einem Gehäuse.

• Beim NE555 sollte der Widerstand R₁ im Bereich von 5 kΩ bis 1 MΩ liegen.

• Beim LMC555 sollte der Widerstand R₁ im Bereich von 5 kΩ bis 10 MΩ liegen.

• Der Kondensator C sollte nicht kleiner als 1 nF sein.

• Die Haltezeit sollte nicht unter 100µs liegen.

T = 1,1 * R * C

Berechnung mit dem Tool Monostabiler Multivibrator.

• Bei Kapazitäten unter 1 nF und Haltezeiten unter 100µs werden die Timer 555 ungenau.

• Der Kondensator C₁ und der Widerstand R₁ können entfallen, wenn der Triggerimpuls nach 0 V kürzer als die Haltezeit T ist.

• Siehe Timer 555 Details

Monostabiler Multivibrator mit Digitalbaustein

• 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.

• Das bedeutet, dass, wenn während der Haltezeit ein Trigger auftritt, die Haltezeit verlängert wird.

T ~ R * C

Berechnung mit dem Tool Monostabiler Multivibrator.

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

Bistabiler Multivibrator

Bistabile Multivibratoren werden auch R-S-Flip-Flops genannt.

• Sie haben zwei Eingänge:

• Einen zum Setzen (Set, S) und

• einen zum Rücksetzen (Reset, R).

Bistabiler Multivibrator mit Digitalbaustein

• Die Schaltung in Bild 8 wird durch negative Impulse (0 V) in den entsprechenden Zustand gebracht.