NE555 als astabile Kippstufe

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Beschreibung

NE555 als astabile Kippstufe / astabiler Multivibrator

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Beschreibung der Schaltung

Die astabile Kippstufe oder der astabile Multivibrator ist eine selbsttätige Schaltung, die sofort nach dem Einschalten der Versorgungsspannung arbeitet. Diese Schaltung erzeugt in Abhängigkeit der Widerstände R1 und R2, sowie dem Kondensator C1 ein fortlaufendes Rechtecksignal. Die astabile Kippstufe ist die häufigste Anwendung des Timer NE555. Meist geht es darum eine LED zum Blinken zu bringen oder eine taktabhängige digitale Schaltung mit einem Taktsignal zu versorgen.
Im wesentlichen sind die Bauteile R1, R2 und C1 für die Funktionsweise dieser Schaltung verantwortlich. Der Kondensator C2 sorgt dafür, dass die Schaltung nicht schwingt. Die Halbleiterdiode D ist optional und sorgt dafür, dass ein Impuls-Pausen-Verhältnis von 1:1 einstellbar ist.
In der dargestellten Schaltung wurde auf einen Stützkondensator für die Versorgungsspannung direkt am Timer verzichtet. In einer aufgebauten Schaltung sollte er berücksichtigt werden. 100 nF sollten es schon sein. Ein einfacher Wickelkondensator reicht aus.

Funktionsbeschreibung


Im Einschaltmoment ist der Kondensator C1 entladen. Dadurch liegt der Trigger-Eingang des NE555 (Pin 2) auf GND. Der erste Taktimpuls wird gestartet. Der Kondensator C1 beginnt sich über die Widerstände R1 und R2 aufzuladen. Sobald am Kondensator C1 2/3 von +VCC anliegt, wird das interne RS-Flip-Flop zurückgesetzt. Die Schaltschwelle des internen Komparators am Rücksetzeingang des internen Flip-Flops ist durch den dreiteiligen Spannungsteiler so festgelegt, dass der Komparator nach 0,69 τ (tau) umschaltet. Der Taktimpuls am Ausgang (Pin 3) fällt ab. Der Discharge-Ausgang (Pin 7) wechselt auf GND. Der Kondensator C1 entlädt sich über den Widerstand R2 und den Discharge-Ausgang (Pin 7). Wenn am Kondensator C1 eine Spannung von 1/3 +VCC anliegt, dann beginnt der Taktzyklus von vorne.

Impulsdauer und Impulspause im Verhältnis 1:1 (50%:50%)

Da der Widerstand R2 sowohl auf die Impulsdauer und die Impulspause und der Widerstand R1 nur auf die Impulsdauer Einfluss hat, ist es nicht möglich ein Impuls-Pausenverhältnis von 1:1 bzw. 50%:50% einzustellen. Mit einer zusätzlichen Halbleiterdiode D parallel zum Widerstand R2 lässt sich dieses Tastverhältnis einstellen, wenn R1 = R2 ist.
Die Diode sorgt dafür, dass im Ladezustand des Kondensators C1 der Strom über die Diode fließt. Sie überbrückt den Widerstand R2. Beim Entladen des Kondensators C1 ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet. Über sie kann kein Strom fließen. Der Entladestrom muss über den Widerstand R2 zum Discharge-Ausgang (Pin 7) abfließen.

Beispiel für eine Bauteilliste Zeichen Bauteil Wert / Typ R1 Widerstand 100 kOhm R2 Widerstand 68 Ohm C1 Kondensator 4,7 µF C2 Kondensator 10 nF D Halbleiterdiode 1N4148

Der Widerstand R1 sollte nicht kleiner als 10 kOhm sein, sonst fällt am Discharge (Pin 7) zuviel Spannung ab, was zu einem temperaturabhängigen Fehler führt.

Dimensionierung

Um die Impulsdauer und die Impulspause einstellen zu können, werden gerne Potis verwendet. Damit man an den Timer-Eingängen keinen Kurzschluss verursacht, sollte man immer einen 1 kOhm Widerstand in Reihe zum Poti schalten.
Vorsicht, bei einem zu hochohmigen Widerstand. Wird der Ladestrom des Kondensators C1 kleiner als sein Leckstrom, dann funktioniert die Schaltung nicht mehr. Elektrolytkondensatoren haben Leckströme, die temperaturabhängig und güteabhängig sind. Außerdem lassen sie sich auch von der Einlötdauer beeinflussen.

Berechnung der Impulsdauer ti und Pausendauer tp



Die Impulsdauer ti entspricht der Ladezeit des Kondensators C1 über die Widerstände R1 und R2. Die Impulspause tp entspricht der Entladezeit des Kondensators C1 über den Widerstand R2.
Aus den Formeln für Impuls- und Pausendauer geht hervor, dass der Impuls immer länger als die Pause ist.
Indem man R1 aber wesentlich kleiner macht als R2, bekommt man fast symmetrische Verhältnisse hin.
Möchte man einen kurzen Impuls und eine lange Pause, dann schaltet man zum Beispiel eine LED (mit Vorwiderstand) nicht von Q nach GND, sondern von +VCC nach Q. Dabei muss man auf die richtige Polung der LED achten.

Berechnung der Periodendauer T



Die Periodendauer T ist ein Taktzyklus, der mit dem Anstieg des Taktimpulses beginnt und bis zum Anstieg des nächsten Taktimpulses andauert. Die Periodendauer T kann dadurch berechnet werden, indem man die Formeln für Impulsdauer und Impulspause zusammenfasst.

Berechnung der Impulsdauer ti und Pausendauer tp mit Diode


Berechnung der Periodendauer T mit Diode

Berechnung der Frequenz f


Berechnung (ohne Diode) R1 (Ohm)

R2 (Ohm)
C1 (µF)
Ergebnisse An-Zeit (s)
Aus-Zeit (s)
Frequenz (Hz)
Zyklus-Zeit (s)
Anwendungen
  • Taktgeber / Taktgenerator / Rechteckgenerator
  • Ansteuerung von Blinklichtern
  • Takterzeugung für eine Impulsbreiten-Modulation
  • Blinklichtschaltung
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