Multivibrator

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Ein Multivibrator, auch astabile Kippstufe genannt, ist eine elektronische Schaltung, die sich in zwei Zuständen befinden kann, zwischen denen sie selbständig oder von außen gesteuert hin- und herschaltet. Der Begriff Multivibrator wird aber oft auch synonym zum allgemeineren Begriff Kippstufe benutzt.

Der astabile Multivibrator besteht im Prinzip aus zwei wechselseitig gekoppelten elektronischen Schaltern, die sich gegenseitig durch eine Mitkopplung umschalten. Nach einer frequenzbestimmenden Verzögerungszeit wird immer wieder automatisch ein erneutes gegenseitiges Umschalten ausgelöst, sodass ein periodisches Verhalten entsteht. Damit gehört die Schaltung zu den Relaxationsoszillatoren.

Astabile Kippstufe (astabiler Multivibrator)[Bearbeiten]

Typische Schaltung mit diskreten Bauelementen[Bearbeiten]

Multivibrator mit elektromechanischen Schaltern

R1 und R2 sind Widerstände, K1 und K2 sind die Kopplungsglieder mit Verzögerungsfunktion, sie können Widerstände oder Kondensatoren sein. Die beiden Zustände des Multivibrators sind:

  • S1 eingeschaltet und S2 ausgeschaltet,
  • S1 ausgeschaltet und S2 eingeschaltet.

Beide Koppelglieder sind Kondensatoren, die sich je nach Kapazität und der Widerstandsbeschaltung schneller oder langsamer umladen. Somit ist jeder der beiden Zustände nicht stabil und die Schaltung kippt abwechselnd zwischen den beiden Zuständen hin und her. Durch die Größe von R1, K1 und R2, K2 kann man die Zeiten verändern, die die Schaltung jeweils in den beiden Zuständen verbringt. Ist R1 · K1 = R2 · K2, so ist sie in beiden gleich lang.

Die entstehenden nahezu idealen Rechteckschwingungen haben einen hohen Anteil an Oberwellen. Bei dieser Schaltung hängt die erzeugte Frequenz stark von der verwendeten Betriebsspannung ab.

In dieser Darstellung kann man den Multivibrator als eine Zusammenschaltung zweier monostabiler Kippstufen auffassen.

Astabile Kippstufe in Analogtechnik[Bearbeiten]

Multivibrator mit Bipolartransistoren
Eine ähnliche Multivibratorschaltung realisiert mit dem Elektronik-Experimentiersystem „Lectron“ aus den 1960er-Jahren

In Analogtechnik können zeitliche Verzögerungsschaltungen mittels Kondensatoren realisiert werden. Hier wird die Funktionsweise einer astabilen Kippstufe anhand eines Beispiels mit bipolaren npn-Transistoren erklärt.

In der stromlosen Schaltung sind die Transistoren Q1 und Q2 sperrend, ihr Duchgangswiderstandswert (von Kollektor zu Emitter) ist somit nahezu unendlich. Die Kondensatoren C1 und C2 sind zunächst entladen. R2 und R3 sind so gewählt, dass die Basen der Transistoren genug Strom bekommen, um durchsteuern zu können. R1 und R4 begrenzen den Arbeitsstrom. Die Schaltfrequenz dieser Kippstufe wird durch die Werte von R2, C1 und R3, C2 bestimmt. Die Widerstandswerte von R2 und R3 sind erheblich größer als R1 und R4.

Einschaltverhalten[Bearbeiten]

Mit dem Anlegen der Betriebsspannung UB fließt zunächst Strom über 1: R1, C1 parallel zu R2 über Q2, und 2: von R4, C2 parallel zu R3 über Q1. Einer der Transistoren wird ab einem bestimmten Basisstrom zuerst leitend und zieht über seinen kollektorseitig angeschlossenen Kondensator die Basis des anderen Transistors Richtung Null, über dessen Basis dann kein Strom mehr fließt und der deshalb am Durchsteuern gehindert wird.

Welcher Transistor zuerst leitend wird, hängt von den konkreten Bauteilwerten ab, vor allem von den Transistoren, die zum Teil erhebliche Kennwerttoleranzen haben können.

Nachdem nun ein Transistor leitend geworden ist, erhält seine Basis Strom über den entsprechenden Kondensator, bis dieser sich aufgeladen hat, und auch gleichzeitig über R2 bzw. R3. Diese Widerstände sind unter anderem dazu da, den Transistoren im durchgesteuerten Zustand unabhängig vom Kondensator den Haltestrom zu liefern, so dass sie auch dann noch durchsteuern, wenn sich der Kondensator geladen hat und somit keinen Strom mehr durchleitet. Dieser Kondensator hat dann etwa das Potential UB – 0,7 V zwischen seinen Platten.

Der andere Kondensator wird in dieser Zeit über R2 bzw. R3 geladen, sodass die Spannung an der Basis vom sperrenden Transistor langsam von ca. 0 V Richtung UB ansteigt, bis mit ca. 0,60 V dessen Schwellwertspannung erreicht ist. Das ist die Spannung, ab der der sperrende Transistor durchzusteuern beginnt.

Diese Phase bis hierhin beschrieben tritt nur einmalig nach jedem Einschalten auf und ist von erheblich kürzerer Dauer als die folgend beschriebenen zwei Zustände. Nach dem Einschaltvorgang beginnt die Schaltung ihr periodisches Verhalten. Sie kippt abwechselnd zwischen zwei zeitlich begrenzten Zuständen hin und her, hier willkürlich Zustand A und Zustand B genannt, wobei in Zustand A der Transistor Q1 durchsteuernd und in Zustand B Transistor Q2 durchsteuernd sei.

Zustand A[Bearbeiten]

Q1 wurde hier durchsteuernd und damit sank seine Kollektor-Emitterspannung von UB auf ca. +0,2 V herunter. Dadurch wurde auch die kollektorseitige Platte von C1 von +UB auf +0,2 V heruntergezogen, also um UB – 0,2 V, die andere Platte um dieselbe Differenz. Da aber die Plattenseite Richtung Basis Q2 ein um UB – 0,7 V niedrigeres Potential als die andere Seite hat, liegen an ihr jetzt plötzlich 0,2 V – (UB – 0,7 V), also –UB + 0,9 V. Das ist deutlich unter Null, und deshalb wird Q2 gesperrt, bis sich C1 über R2 wieder langsam umgeladen hat und an der Basis von Q2 ca. 0,65 V anliegen, der deshalb durchzusteuern anfängt und die Schaltung in Zustand B kippen lässt. In der Zwischenzeit lädt sich C2 über R4 auf eine Plattenspannung von UB – 0,7 V (Kollektor Q2 hat UB, Basis Q1 0,7 V).

Die Potentialsprünge der Kondensatoren beim Kippvorgang bewirken positive Rückkopplung und verkürzen dadurch die Kippvorgänge, d. h. erhöhen die Schaltgeschwindigkeit.

Die Zeitdauer von Zustand A wird von C1 und R2 bestimmt, da sich C1 über R2 von ca. -UB + 0,9 V auf ca. 0,65 V laden muss, damit Q2 die Schaltung kippen lassen kann.

Zustand B[Bearbeiten]

C1 wurde über R2 soweit geladen, bis die Spannung an der Basis von Q2 ca. +0,60 V überschritt und Q2 deshalb in den durchgesteuerten Zustand kippte. Dadurch wird die rechte Seite von C2 von UB auf ca. 0,2 V heruntergezogen. Durch den Potentialunterschied der Platten (die linke Platte hatte ca. UB – 0,7 V weniger als die rechte) hat die linke Platte von C2 jetzt ca. 0,2 V – (UB – 0,7 V), also –UB + 0,9 V. Das ist deutlich unter Null, und dadurch sperrt Q1 jetzt so lange, bis diese Plattenseite über R3 wieder ca. +0,65 V überschreitet und dadurch Q1 die Schaltung in Zustand A kippt. Durch das Kippen von Q1 in den Sperrzustand lädt sich C1 über R1 und die Basis von Q2 auf ein Plattenpotential von UB – 0,7 V (linke Seite hat UB, die rechte +0,7 V). Gleichzeitig fließt über R2 der Haltestrom, um Q2 auch dann noch offen zu halten, wenn über C1 kein ausreichender Strom mehr fließt und die Zeit bis zum Kippen vonQ1 überbrückt werden muss.

Auch hier verkürzen die Kondensatoren den Kippvorgang durch Mitkopplung.

Die Dauer von Zustand B hängt von den Werten von C2 und R3 ab und dauert so lange, bis C2 über R3 von -UB + 0,9 V auf ca. +0,65 V umgeladen wurde.

Berechnung der Zeitdauern[Bearbeiten]

Die linke Seite von C2 liegt zu Beginn von Zustand B auf etwa -UB und soll nach +UB umgeladen werden; der Zustand kippt bei etwa 0 V (genauer 0,7 V), also etwa bei der Hälfte dieses Umladevorgangs. Das Auf-/Ent- oder Umladen eines Kondensators über einen Widerstand erfolgt nach einem exponentiellen Zeitgesetz: U(t) = U_\text{Ende} + \left( U_\text{Anfang}-U_\text{Ende} \right) e^{-\frac{t}{R \cdot C}}. Die Dauer für die Hälfte des Umladens entspricht gerade der Halbwertszeit T_\mathrm{H}=\ln\left(2\right) \cdot R \cdot C, siehe auch bei Zeitkonstante.

Schaltfrequenz des astabilen Multivibrators[Bearbeiten]

Die Schaltfrequenz eines astabilen Multivibrators berechnet sich wie folgt:

f = \frac{1}{T} = \frac{1}{\ln(2) \cdot RC} \approx \frac{1}{0{,}693 \cdot (R_2 C_1 + R_3 C_2)}

dabei gilt

Schaltungen mit integrierten Bausteinen[Bearbeiten]

Astabiler Multivibrator mit NE555[Bearbeiten]

Schaltung mit NE555.

Auch die folgende Schaltung erzeugt eine Rechteckspannung, ist aber einfacher aufgebaut als der oben gezeigte Multivibrator und besitzt den Vorteil, dass die Frequenz fast nicht von der Betriebsspannung abhängt. Diese kann im Bereich 0,1 Hz bis 500 kHz liegen und kann mit nur einem einzigen Potentiometer sehr stark variiert werden. Die Funktion des verwendeten Bausteins NE555 lässt sich so beschreiben: Solange die Spannung am Kondensator C kleiner als 66 % der Betriebsspannung ist, wird er über R (Serienschaltung aus Potentiometer und 1-kΩ-Widerstand) aufgeladen. Die Ausgangsspannung an Pin 3 ist während dieser Zeit etwa die Betriebsspannung. Wird dieser 66-%-Wert überschritten, kippt intern ein Flipflop um, die Ausgangsspannung sinkt auf 0 Volt und der Kondensator wird über R entladen. Sobald 33 % der Betriebsspannung unterschritten werden, kippt das Flipflop in die ursprüngliche Position zurück und das Spiel beginnt von vorn. Die Spannung am Kondensator hat annähernd die Form eines Dreiecks, kann aber nur schwach belastet werden.

Mit einem 20-kOhm-Potentiometer lässt sich die erzeugte Frequenz etwa im Verhältnis 1:20 ändern. Eine Verdopplung der Kapazität halbiert die erzeugte Frequenz. Durch eine kleine Änderung der Spannung am Pin 5 (Sollwert: 66 % der Betriebsspannung) kann man die Frequenz elektronisch ändern (Voltage controlled Oscillator). Durch eine Wechselspannung an diesem Anschluss kann man eine Frequenzmodulation erzielen („Kojak-Sirene“).

Astabiler Multivibrator mit logischen Gattern[Bearbeiten]

Astabiler Multivibrator mit NAND-Gatter

Ein astabiler Multivibrator kann auch mit logischen Gattern aufgebaut werden. Es können NAND-, NOR-Gatter oder Inverter verwendet werden. Diese Schaltung funktioniert nur mit CMOS-Schaltungen, z. B. 74HC- oder 4000er-Reihe.

Die Frequenz berechnet sich wie folgt:

f_0=\frac{1}{2RC\ln(3)}

Anwendungen[Bearbeiten]

  • als Signalgenerator zur Erzeugung von Rechteck-Schwingungen: Durch Ändern der zeitbestimmenden Glieder kann die Frequenz und/oder das Tastverhältnis geändert werden.
  • in der Telemetrie: Werden für die frequenzbestimmenden Widerstände und Kondensatoren Bauformen verwendet, deren Wert von einer physikalischen Größe abhängt, kann man auf diese Weise Impulsfolgen erzeugen, deren Impulslänge oder Impulspausenlänge von dieser Größe abhängt. Solche Pulse können z. B. auf ein Hochfrequenzsignal aufmoduliert werden, um sie zu senden. Im Empfänger können anhand der Impulsparameter die physikalischen Größen (z. B. Temperatur, Luftdruck) bestimmt werden.
  • als Blinkgenerator in Signallampen oder als Tongenerator in Signalhörnern (z. B. piezoelektrische Schallgeber)

Sonderformen[Bearbeiten]

Astabile Kippstufen gibt es auch in Sonderformen, bei denen drei oder mehr aktive Komponenten im Spiel sind (mehrphasige Multivibratoren).

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Multivibratoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien