Astabile Kippstufe mit Transistoren

Kontinuierlich umschaltende Kippstufen wechseln sprunghaft zwischen zwei Schaltzuständen. In einer astabilen Kippstufe steuern sich zum Beispiel zwei Transistoren als elektronische Schalter gegenseitig und kontinuierlich vom leitenden in den gesperrten Zustand. Die Schaltung funktioniert ohne ein zusätzliches äußeres Steuersignal. Ihrem Verhalten nach wird die Schaltung auch als Multivibrator bezeichnet.

Die folgende Beispielschaltung ist symmetrisch aufgebaut. Sie hat gleiche npn-Transistoren, im Kollektorkreis 1 kΩ Arbeitswiderstände, Basisvorwiderstände mit 47 kΩ und jeweils 100 nF Kondensatoren vom Kollektor des einen zur Basis des anderen Transistors. Nach dem Anlegen einer 10 V positiven Betriebsspannung erzeugt die Schaltung im Labor an den Ausgängen symmetrische Rechteckspannungen. Welcher der beiden Transistoren anfangs leitet oder sperrt, ist einzig von den Bauteiltoleranzen abhängig. Soll die Schaltung in einer Simulationsschaltung untersucht werden, so ist ein sicheres Funktionieren nicht gewährleistet, da gleiche Schaltelemente der Bauteilbibliotheken gleiche Betriebsdaten haben.

Der zur Schaltung gehörende Signalausschnitt zeigt den eingeschwungenen Betriebszustand. Zum Zeitpunkt t = 0 schaltet der Transistor K2 rechts aus dem zuvor leitenden Zustand in die Sperrphase. Ausgelöst wird das von Transistor K1 links, dessen Basis über seinen Vorwiderstand RB1 mit +1 V den Transistor leitend schaltet. Bis zum Zeitpunkt t = 0 war K1 gesperrt und die mit dem Kollektor verbundene Elektrode des Kondensators C1 auf die Betriebsspannung aufgeladen.

Ab t = 0 beträgt die Kollektor-Emitter-Spannung des plötzlich leitend geschalteten K1 ungefähr 0,5 V und entlädt die Elektrode des Kondensators von vorher 10 V auf diese Restspannung. Der Ladezustand des Kondensators und damit die parallel C1 messbare Spannung bleibt erhalten. Das bedeutet für die Gegenelektrode des C1, die mit der Basis des K2 verbundenen ist, dass sie jetzt ein stark negatives Potenzial hat. Der Transistor K2 wird dadurch augenblicklich gesperrt und sein Kollektorpotenzial nimmt den Wert der Betriebsspannung an.

Bis zum Zeitpunkt t = 3,25 ms bleibt K1 dauerhaft leitend. Im Schaltdiagramm rechts nimmt die Spannung UB2 nach einer e-Funktion zu. Über den Widerstand RB2 wird das negative Potenzial von C1 von der positiven Betriebsspannung ausgeglichen. dadurch wird bei t = 3,25 ms das Basispotenzial von K2 mit fast 1 V positiv und die Basis-Emitter-Diode des K2 leitend. K2 schaltet in seinen niederohmigen Leitzustand. Er entlädt den Kondensator C2 und zieht dadurch die Basis des K1 auf ein negatives Potenzial. Der Transistor K1 wird augenblicklich gesperrt.

Nach dem Umschalten ab t = 3,25 ms wird C2 über den Widerstand RB1 umgeladen. Dieser Ladevorgang ist zum Zeitpunkt t = 6,5 ms abgeschlossen. Beide Transistoren wechseln erneut ihren Schaltzustand. Bei einem symmetrischen Schaltungsaufbau sind die Puls- und Pausenzeiten praktisch gleich lang. An beiden Ausgängen entstehen zueinander phasenverschoben gleiche Rechtecksignale.

Eine in Reihe zur Basis geschaltete Schutzdiode, die hier nicht eingezeichnet ist, verhindert für die Basis-Emitterdiode einen Zenereffekt, der bei zu hoher negativer Sperrspannung einen Sperrstrom bewirken kann. Die Schutzdiode wird in gleicher Polung wie die Basis-Emitterdiode eingebaut. Wesentlich einfacher ist der Aufbau einer astabilen Kippschaltung mit dem Timer-IC 555. Prinzipielle Schaltungen und deren Beschreibungen sind in einem gesonderten Kapitel dargestellt.

Impuls- und Pause-Schaltzeiten

Für ein gutes Funktionieren der astabilen Kippstufe sollten die Werte der Basisvorwiderstände so groß sein, dass mit dem Basisstrom die Transistoren sicher in die Sättigung geschaltet werden können. Als Anhaltswert sollte ihr Widerstandswert mindestens zehnmal größer als der des zugehörigen Kollektorwiderstands sein. Ein Rechtecksignal wird durch seine Impuls- und Pausenzeit charakterisiert. Die Periodendauer ist die Summe beider Zeiten und ihr Kehrwert ist die Frequenz des Rechtecksignals. Die Zeiten sind von der Umladegeschwindigkeit der Kondensatoren abhängig. Mit leitend geschalteten Transistor K1 wird der Kondensator C1 über den Widerstand RB2 und den niederohmigen Bahnwiderstand rCE des K1 geladen. Da rCE im Vergleich zum Basisvorwiderstand sehr klein ist, kann er bei der Berechnung vernachlässigt werden. Der Umschaltvorgang erfolgt nach einer Halbwertzeit, der Zeitkonstante \(\tau = R \cdot C\). Ist die Schaltung unsymmetrisch dimensioniert, so errechnet sich die Zeitkonstante der Gegenseite entsprechend mit den Werten von C2 und RB1. \[\begin{array}{l} {\tau _1} = ({R_{B1}} + {r_{CE\,K2}}) \cdot {C_2}\quad \Rightarrow \quad {\tau _1} = {R_{B1}}\,{C_2}\\ {\tau _2} = ({R_{B2}} + {r_{CE\,K1}}) \cdot {C_1}\quad \Rightarrow \quad {\tau _2} = {R_{B2}}\,{C_1} \end{array}\] Für die Impuls- und Pausenzeiten gilt: \[{t_1} = {t_i} = \ln 2 \cdot {\tau _1}\quad \quad {t_2} = {t_p} = \ln 2 \cdot {\tau _2}\] Für die Periodendauer und die zugehörige Frequenz gilt: \[T = {t_1} + {t_2}\quad \quad f = \frac{1}{T} = \frac{1}{{{t_1} + {t_2}}}\]