Halbleiterschaltungen: Kippschaltungen / Kippstufen mit Transistoren

Die bistabile KippschaltungEine bistabile Kippschaltung, auch "Flip-Flop" genannt, hat zwei stabile Zustände, zwischen denen durch Betätigung eines Schalters hin- und hergewechselt werden kann.
Wird der Hauptschalter S0 geschlossen, so fließen Ströme über die Widerstände R5 und R6 zu den Basis-Anschlüssen der Transistoren T1 und T2. Welcher der Transistoren dabei als erster schaltet, hängt von den konkreten Bauteile-Eigenschaften ab.
Mit die Taste S1 + S2 wechselt der Zustand der Kippschaltung.
Wird z.B. S1 kurz betätigt, fließt Strom über R2 und die BE-Strecke von T2, T 2 steuert durch, Leuchtdiode D2 leuchtet!
Der Zustand wird über R6 gehalten.
Wird jetzt Taste S2 kurz gedrückt, fließt Strom über R3 und die BE-Strecke von T1, T 1 steuert durch, Leuchtdiode D1 leuchtet!
Der Zustand wechselt und wird über R5 gehalten, T2 sperrt und die Leuchtdiode D2 geht aus.

In der Digitaltechnik werden bistabile Kippschaltungen als elektronische Datenspeicher verwendet.
Pro Flip-Flop kann genau ein Bit an Information gespeichert werden (0 oder 1).

Bauteile:

R1, R4 = 1 k
R2, R3, R5, R6 = 10 k
D1, D2 = LED 1,8 V/10 mA
T1, T2 = NPN-Transistoren

Frage 1:Wie hoch wird die ungefähre Betriebsspannung sein, wenn der Strom durch die LED's dem angegebenen Strom entspricht, die Restspannung U_{CE sat = 0,2 V} und der Basisstrom I_B vernachlässigt wird?

Die Betriebsspannung U_B ergibt sich aus folgenden Teilsummen:
U_B = U_R4 + U_D2 + U_{T2 CE sat}

U_R4 = R4 x I_LED = 1000 Ω x 0,01 A = 10 V

U_B = 10 V + 1,8 V + 0,2 V = 12 V

Die Betriebsspannung U_B liegt bei 12 V!

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Frage 2:Wie kann es ermöglicht werden, dass ein definierter Zustand, dass D2 immer im Einschaltaugenblick leuchtet?

Ein definierter Zustand kann durch kurzzeitiges Sperren von T1, durch einen Kondensator an Basis und Emitter ermöglicht werden!
Im Einschaltaugenblick hat C1 einen Kurzschluss, wird langsam aufgeladen, T1 sperrt, T2 wird über R1+D1+R5 durchgesteuert.
Der Zustand wird über R6 gehalten!

Wie groß muss der Kondensator sein, wenn die Sperrzeit für T1 annähernd 10 mS beträgt?

T = R x C
T = (R4 + R6) : C1

C 1 = T : (R4 + R6) = 0,01 s : 11000 Ω = 9 x 10^-7F = 0,9 uF

Gewählt aus Reihe E6: 1 uF

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Die astabile Kippschaltung mit TransistorenEine astabile Kipp-Schaltung, auch "Multivibrator" genannt, hat keinen stabilen Zustand und kippt zwischen zwei Zuständen ständig hin und her.
Wird der Hauptschalter S0 geschlossen, bekommen beide Transistoren einen Ansteuerstrom über R2 und R3, aber auch über R1, D1, C1 und R4, D2 und C2.
Welcher der beiden Transistoren als erster durchschaltet, hängt von den Bauteilen ab!
Hat z.B. der Transistor T1 durchgeschaltet (T2 sperrt), kann sich C1 über R2 aufladen bis T2 durchsteuert und C2 den Transistor T1 sperrt! Jetzt kann sich C2 über R3 aufladen und C1 umladen, bis wieder T1 durchschaltet!
Die Frequenz, der beiden Schaltungszuständen hängt von der Kapazität der beiden Kondensatoren C1 und C2, sowie von den Widerstandswerten R2 und R3 ab. Bei großen Kapazitäten bzw. großen Ladewiderständen erfolgt der Blinker-Wechsel nur langsam.

Die astabile Kippschaltung liefert eine Rechteckspannung und eignet sich auch als Taktgeber oder Tongenerator.

Bauteile:

R1, R4 = 1 k
R2, R3 = 10 k
C1, C2 = 47 uF
D1, D2 = LED 1,8 V/ 10 mA
T1, T2 = NPN-Transistoren

Frequenz:

f = 1 / T
f = 1 / 2 x R x C x ln(2)
f = 1 / 1,386 x R2 x C1 oder f = 1 / 1,386 x R3 x C2

Frage 1:Wie hoch ist die Frequenz des astabilen Multivibrators?

f = 1 / 1,386 x R1 x C1

f = 1 / 1,386 x R2 x C1 = 1/ 1,386 x 10000Ω x 47 x 10^-6 F = 1,54 Hz

Die Taktfrequenz liegt bei 1,54 Hz!

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Frage 2:Welches Tastverhältnis hat die Frequenz des astabilen Multivibrators?

Bei gleichen Werten von R2+R3, C1+C2 ergibt sich ein Tastverhältnis von 1 zu 1 (1:1, 50%), dass heist, der Impuls t_i ist genau so groß wie die Pause t_p.

Haben C1 + C2 unterschiedliche Werte, verändert sich auch das Tastverhältnis.
Das gleiche gilt auch für die Widerstände R2 + R3, die sollten aber nicht im großen Maße verändert werden, da sie der Ansteuerung der Transistoren dienen!

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Die monostabile KippschaltungDie monostabile Kippschaltung, auch "Mono-Flop" genannt, hat nur einen stabilen Zustand.
Durch Betätigung der Taste S1 wird sie in einen anderen Zustand versetzt, wobei sie nach einer festgelegten Zeit wieder in den stabilen Grundzustand zurückkehrt.
Wird der Hauptschalter S0 geschlossen, lädt sich C1 auf und Transistor T2 steuert durch, LED D2 leuchtet (Grundzustand). Wird jetzt Taste S1 kurzzeitig gedrückt, steuert T1 durch, T2 sperrt durch C1.
Der durchgeschaltete Zustand von T1 wird über R5 gehalten. Ist C1 soweit aufgeladen, das T2 wieder durchsteuert, ist der Grundzustand wieder erreicht!
Wie lange die Schaltung im instabilen Zustand bleibt, hängt von der Kapazität des Kondensators C1, sowie vom Widerstandswert R2 ab. Je größer die Kapazität bzw. je größer der Ladewiderstand ist, desto länger leuchtet D1.

Ein bekanntes Beispiel für eine monostabile Kippschaltung ist das "Treppenlicht", das nach Betätigung eines Lichtschalters aufleuchtet und nach einer Zeit von selbst wieder abschaltet.
Darüber hinaus werden monostabile Kippschaltungen auch zum Entprellen von mechanischen Schaltern benutzt!

Bauteile:

R1, R4 = 1k
R2, R3 = 10 k
C1, C2 = 220 uF
D1, D2 = LED 1,8 V/ 10 mA
T1, T2 = NPN-Transistoren

Zeit:

t = R x C x ln(2)
t = 0,693 x R2 x C1

Frage 1:Wie groß ist die Leuchtdauer t von D1 bei den angegebenen Daten?

t = 0,693 x R2 x C1

t = 0,693 x R2 x C1 = 0,693 x 10000Ω x 220 x 10^-6 F = 1,5246 s

Die Leuchtdauer von D1 beträgt t = 1,5246 s!

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