2.8 Kippschaltungen
2.8.1 Grundlagen
Als Kippschaltung (sweep circuit) oder Kippstufe bezeichnet man eine Schaltung, deren Ausgangsspannung sich sprunghaft ändert.
Abhängig von der Funktion unterscheidet man zwischen
bistabiler Kippstufe,
monostabiler Kippstufe und
astabiler Kippstufe.
2.8.2 Die bistabile Kippstufe
2.8.2.1 Eigenschaften und Schaltung
Eine bistabile Kippstufe (bistable multivibrator) ist eine Kippstufe mit zwei stabilen Zuständen, also zwei Schaltzuständen, die sich ohne besondere Steuereinwirkung nicht ändern. Sie wird auch als RS-Flip-Flop bezeichnet. Eine einfache Kippstufe besteht aus zwei Transistoren, die über zwei Widerstände miteinander verkoppelt sind.
Eine bistabile Kippstufe besteht aus zwei Transistoren, die über zwei Widerstände miteinander
verkoppelt sind. Sie weist zwei stabile Zustände auf.
2.8.2.2 Funktion
Im ersten Augenblick nach dem Einschalten der Betriebsspannung sind beide Transistoren gesperrt. An ihren Kollektoren liegt daher die volle Betriebsspannung. Diese lässt über die Widerstände RB1 und RB2 Basisströme fließen, die zum Durchsteuern der Transistoren ausreichen. Im ersten Augenblick wollen also beide Transistoren durchsteuern. Wegen der stets vorhandenen Bauteiltoleranzen wird ein Transistor jedoch schneller durchsteuern als der andere.
Annahme: der Transistor T1 steuert schneller durch.
In diesem Fall sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 schnell auf die Sättigungsspannung von ca. 0,2V ab und der Transistor T2 erhält über den Widerstand RB2 immer weniger Basisstrom. Je stärker der Transistor T1 durchsteuert, umso mehr wird der Transistor T2 am Durchsteuern gehindert und schließlich zum Sperren gezwungen. Ist der Transistor T1 voll durchgeschaltet, dann sperrt der Transistor T2. Der Transistor T1 erhält nun über den Widerstand RB1 genügend Basisstrom, damit er im durchgeschalteten Zustand verbleibt. Dieser Zustand ist der erste stabile Zustand der bistabilen Kippstufe.
Anmerkung: dieser Zustand wird auch dann erreicht, wenn am Eingang „S“ ein ausreichend hoher und lang andauernder Spannungsimpuls angelegt wird.
Anmerkung: der grau unterlegte Transistor leitet (ist durchgeschaltet), der andere Transistor sperrt.
Legt man an den Eingang des gesperrten Transistors, also an den Eingang „R“, einen ausreichend hohen Spannungsimpuls, dann steuert der Transistor T2 durch. Dadurch sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua2 auf die Sättigungsspannung von ca. 0,2V ab. Der Transistor T1 erhält jetzt über den Widerstand RB1 nicht mehr genügend Basisstrom und sperrt. Dadurch steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 an und der Transistor T2 erhält jetzt über den Widerstand RB2 genügend Basisstrom, um im durchgeschalteten Zustand zu verbleiben, auch wenn der Impuls an R wieder verschwunden ist. Die Kippstufe ist nun in ihrem zweiten stabilen Zustand.
Wird nun ein Impuls an den Eingang „S“ gelegt, dann läuft der Vorgang in die Gegenrichtung ab. Es ist daher möglich, durch abwechselnde Steuerimpulse die Kippstufe zwischen ihren beiden stabilen Zuständen hin- und herkippen zu lassen.
Eingesetzt werden bistabile Kippstufen in der Digitaltechnik als Speicher. Diese Art wird als statisches RAM (static RAM) bezeichnet.
2.8.3 Die monostabile Kippstufe
2.8.3.1 Eigenschaften und Schaltung
Werden zwei Transistorschalterstufen über Widerstände und einen Kondensator miteinander gekoppelt, dann entsteht eine monostabile Kippstufe (monostable multivibrator, „single shot“). Sie wird auch als Monoflop bezeichnet.
Eine monostabile Kippstufe besteht aus zwei Transistoren, die über Widerstände und einen
Kondensator miteinander verkoppelt sind. Sie weist einen stabilen Zustand auf.
2.8.3.2 Funktion
Anmerkung: beim Einschalten der Betriebsspannung versuchen beide Transistoren durchzuschalten. Da sich in der Schaltung ein Kondensator befindet, der aufgeladen wird und daher seine Spannung nur zeitverzögert ändert, wird sich die Schaltung immer in den einzigen stabilen Zustand bewegen.
Erreichen des stabilen Zustands: je mehr der Transistor T2 durchschaltet, umso geringer wird seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua2 und der Transistor T1 erhält nicht mehr genügend Basisstrom. Er sperrt und die Schaltung hat ihren stabilen Zustand eingenommen. In diesem stabilen Zustand verbleibt die Schaltung, so lange keine äußere Einwirkung eine Änderung erzwingt. Während des stabilen Zustandes wird der Kondensator C auf ca. UB geladen.
Zum Kippen der Schaltung ist ein äußeres Steuersignal erforderlich. Wird auf den Eingang „S“ kurzzeitig eine genügend positive Spannung gelegt, dann steuert der Transistor T1 durch. Dessen Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 sinkt auf ca. 0,2V ab. Da der Kondensator C im ersten Augenblick seinen Ladezustand behält, wirkt er wie eine Spannungsquelle.
Liegt nun der positive Pol des Kondensators auf einem Potenzial von ca. +0,2V, dann hat der negative Pol ein Potenzial von ca. -UB. Dadurch liegt aber an der Basis des Transistors T2 eine negative Spannung und er sperrt.
Wenn aber der Transistor T2 sperrt, dann steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua2 auf ca. UB an, der Transistor T1 erhält nun genügend Basisstrom und verbleibt vorläufig im durchgeschalteten Zustand. Die Schaltung hat jetzt ihren nichtstabilen Zustand eingenommen. Der Kondensator C wird während des nichtstabilen Zustandes entladen.
Die Entladung erfolgt über den Widerstand RB2 und den durchgeschalteten Transistor T1. Da ein Transistor im durchgeschalteten Zustand einen sehr geringen Widerstand aufweist, ist nur RB2 für die Entladezeit maßgeblich. Die Zeitkonstante für die Entladung errechnet sich daher nach der Formel:
Nach Ablauf einer Zeit t ist der Kondensator entladen und umgekehrt bis auf die Schwellspannung des Transistors T2 wieder aufgeladen. Jetzt kann der Transistor T2 durchsteuern. Der Transistor T1 erhält nun keinen Basisstrom mehr und sperrt. Die Schaltung ist in den stabilen Zustand zurückgekippt.
Die Zeit t ergibt sich aus der e-Funktion für die Kondensatorentladung zu:
Der zeitliche Verlauf der Spannungen am Transistor T2 sieht folgendermaßen aus:
Eingesetzt wird die monostabile Kippstufe in Zeitgliedern, die eine Anzugs- oder Abfallverzögerung aufweisen, z.B. Treppenhausautomaten. Weiters können Impulse mit einer bestimmten Länge t generiert werden, die unabhängig von der Länge des auslösenden Impulses sind.
Anmerkung: die monostabile Kippstufe benötigt auch eine gewisse Erholzeit, um wieder in den nichtstabilen Zustand kippen zu können. Dies kommt daher, dass der Kondensator wieder auf eine Spannung von ca. UB geladen werden muss. Der bestimmende Widerstand für diese Ladung ist RC1. Die Zeitkonstante ergibt sich daher zu τerh = RC1∙C. Die Erholzeit muss etwa den 3- bis 5-fachen Wert dieser Zeitkonstante betragen.
2.8.4 Die astabile Kippstufe
2.8.4.1 Eigenschaften und Schaltung
Eine astabile Kippstufe (astable multivibrator) ist eine Kippschaltung, die keinen stabilen Zustand hat. Sie kippt von einem nichtstabilen Zustand in den anderen nichtstabilen Zustand und wieder zurück. Sie wird auch als Multivibrator bezeichnet. Sie besteht aus zwei Transistoren, die über zwei Kondensatoren und Widerstände miteinander verkoppelt sind.
Die astabile Kippstufe besteht aus zwei Transistoren, die über zwei Kondensatoren und
Widerstände verkoppelt sind. Sie weist keinen stabilen Zustand auf.
2.8.4.2 Funktion
Die Schaltung kann sich in zwei verschiedenen, nichtstabilen Zuständen befinden:
im Zustand 1 ist T1 durchgeschaltet und T2 gesperrt,
im Zustand 2 ist T1 gesperrt und T2 durchgeschaltet.
Annahme: die Schaltung befindet sich im Zustand 1.
Da der Transistor T1 voll durchgeschaltet ist, ist seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 ca. 0,2V. Der Transistor T2 ist gesperrt, seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua2 ist ungefähr gleich der Betriebsspannung UB. Der Kondensator C1 ist ebenfalls auf ca. UB aufgeladen. Der Kondensator C2 ist zunächst ebenfalls auf ca. UB aufgeladen (aus dem letzten Ladevorgang während des vorangegangenen Zustands 2), da der Transistor T1 jedoch durchgeschaltet ist, wird die Basis des Transistors T2 auf ein Potenzial von ca. -UB gezogen. Der Transistor T2 sperrt daher. Der Kondensator C2 beginnt sich nun über den Widerstand RB2 und den durchgeschalteten Transistor T1 zu entladen.
Übersteigt nun die Basisspannung von Transistor T2 die Schwellspannung (Grund ist die Aufladung von C2 über RB2 und T1), dann schaltet der Transistor T2 in den durchgeschalteten Zustand. Seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua2 wird ca. 0,2V. Da der Ladezustand des Kondensators C1 im ersten Augenblick erhalten bleibt, wird die Basis des Transistors T1 auf ein Potenzial von ca. -UB geschoben, der Transistor T1 sperrt und seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 wird ungefähr UB. Die Kippstufe befindet sich nun im Zustand 2. Da der Transistor T2 durchgeschaltet ist, wird der Kondensator C1 entladen und in umgekehrter Richtung aufgeladen.
Der Transistor T1 befindet sich während dieses Ladevorganges im gesperrten Zustand. Der Kondensator C2 kann daher über den Widerstand RC1 und die Basis-Emitter-Strecke von T2 auf ca. UB geladen werden.
Übersteigt nun das Potenzial der Basis des Transistors T1 die Schwellspannung, dann wird der Transistor T1 durchgeschaltet und seine Kollektor-Emitter-Spannung Ua1 sinkt auf ca. 0,2V. Da der Kondensator C2 auf ca. UB aufgeladen ist und seinen Ladezustand im ersten Augenblick beibehält, wird die Basis des Transistors T2 auf ein Potenzial von ca. -UB geschoben und er sperrt. Es ist wieder der Zustand 1 erreicht, und, da der Transistor T1 durchgeschaltet ist, kann sich der Kondensator C2 entladen und in umgekehrter Richtung aufladen.
Die astabile Kippstufe kippt also stets von einem Zustand in den anderen. Die Verweilzeiten in den einzelnen Zuständen entsprechen den Zeiten, die für die Entladung und die schwache Aufladung von C1 und C2 erforderlich sind.
Die jeweiligen Zeiten ergeben sich aus den Zeitkonstanten der RC-Glieder RB1 und C1 bzw. RB2 und C2 (die Widerstände der durchgeschalteten Transistoren können vernachlässigt werden).
Es gilt:
Aus der Summe der Impuls- und der Pausenzeit ergibt sich die Periodendauer T = t1+t2. Daraus lässt sich die Frequenz f = 1/T berechnen.
Die zeitlichen Verläufe der Spannungen an den Transistoren sehen wie folgt aus:
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