Monostabile Kippstufe mit OPV

Die in diesem Webprojekt beschriebene monostabile Kippschaltung mit Transistoren kann auch mit einem Operationsverstärker aufgebaut werden. Der OPV arbeitet als Komparator mit Hysterese und einem zusätzlichen RC-Glied in der Rückkopplung. Die durch Mitkopplung erzeugte Referenzspannung liegt am E+ Eingang. Am E− Eingang liegt ein Kondensator nach Masse, der von der Ausgangsspannung des OPVs über einen ohmschen Widerstand aufgeladen wird. Für ein sicheres, schwingungsfreies Schalten ist zum Kondensator eine Diode parallel geschaltet. Wird der OPV mit symmetrischer Betriebsspannung versorgt, dann nimmt seine Ausgangsspannung von der Polarität der Diode bestimmt seine positive oder negative Sättigungsspannung an. Mit einem passenden Triggerimpuls erfolgt die zeitlich begrenzte Umschaltung in den anderen Sättigungswert.

In der dargestellten Schaltung wurde der OPV mit symmetrischer Betriebsspannung versorgt. Springt die Ausgangsspannung des OPVs nach der Inbetriebnahme in den negativen Sättigungswert, dann befindet sich die Schaltung im stabilen Zustand. Sollte der Ausgang in den positiven Sättigungswert gesprungen sein, wird der Kondensator über den Rückkoppelwiderstand Rk positiv aufgeladen. Erreicht das Potenzial am E- Eingang dann den Wert der vom Widerstandsteiler bestimmten positiven Referenzspannung, kippt die Ausgangsspannung des OPVs in den negativen Sättigungswert. Bei umgepolter Diode hat der stabile Ruhezustand der Kippstufe am Ausgang seine positive Sättigungsspannung.

Das Diagramm zeigt für die ersten 50 ms den stabilen Zustand. Die Referenzspannung am E+ Eingang ist negativer als die von der Diode bestimmte E- Spannung. Die Ausgangsspannung des OPVs bleibt daher auf dem negativen Sättigungswert Usat = −14,1 V. Mit einem kurzen positiven Triggerimpuls am E+ Eingang wird die Ausgangsspannung in den positiven Sättigungswert umgeschaltet. Die Referenzspannung am E+ Eingang wird dadurch positiv und hält den neuen Schaltzustand, bis sich der Kondensator über den Rückkoppelwiderstand auf den Wert der Referenzspannung aufgeladen hat. Die Diode ist während dieser Zeit gesperrt. Beim Erreichen der Referenzspannung ändert sich die Polarität der Eingangsdifferenzspannung des OPVs und die Ausgangsspannung kippt in den negativen Sättigungswert. Der Zeitabschnitt bis zum Kippen wird als metastabiler Zustand mit der Zeit tm bezeichnet. Treffen innerhalb von tm weitere Triggerimpulse gleicher Polarität ein, so bleiben sie wirkungslos.

Der metastabile Zustand endet mit dem Umschalten zur negativen Sättigungsspannung. Nach Ablauf von tm kann ein für diese Schaltung positiver Triggerimpuls den Kippvorgang erneut auslösen. Das Diagramm zeigt, dass nach tm der Kondensator über Rk solange umgeladen wird, bis die Diode leitet. In der Simulation betrug die Diodenspannung −530 mV. Da die Referenzspannung negativer ist, bleibt die Schaltung jetzt in dem stabilen Zustand, wie er am Anfang war. Die Kippschaltung arbeitet optimal mit periodischen Steuerimpulsen, deren Periodendauer etwas größer als die Summe von tm + tu ist. Erst nach der Umladung ist der definierte stabile Anfangszustand hergestellt.