Kipp-Schaltungen

Die bistabile Kippschaltung

Eine bistabile Kippschaltung (auch “Flip-Flop” genannt) hat zwei stabile Zustände, zwischen denen durch Betätigung eines Schalters hin- und hergewechselt werden kann.[1]

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Schema einer bistabilen Kippschaltung.

Wird der Hauptschalter S_0 im Schema einer bistabilen Kippschaltung geschlossen, so fließen schwache Ströme über die (starken) Widerstände R_5 und R_6 zu den Basis-Anschlüssen der Transistoren T_1 und T_2.[2] Welcher der Transistoren dabei als erster schaltet, hängt von den konkreten Bauteil-Eigenschaften ab.

  • Schaltet der Transistor T_1, so wird seine Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Damit fließt ein starker Strom, der im Wesentlichen durch den Vorwiderstand R_1 der LED D_1 begrenzt wird, zum Minuspol der Stromquelle. Da kein Strom mehr durch den Widerstand R_5 fließt, sperrt der Transistor T_2.[3] Der schwache Strom, der über den Widerstand R_6 zur Basis von T_1 fließt, ist zwar zum Schalten des Transistors ausreichend, genügt jedoch nicht, um die Leuchtdiode D_2 aufleuchten zu lassen.
  • Betätigt man den Schalter S_1, so fließt ein größerer Strom durch den (mittelstarken) Widerstand R_2 zur Basis von T_2 als durch den starken Widerstand R_6 zur Basis von T_1. Der Transistor T_2 schaltet somit durch, seine Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Dadurch fließt kein Strom mehr durch den Widerstand R_6; der Transistor T_1 sperrt. Dieser Zustand bleibt auch erhalten, wenn der Schalter S_1 wieder geöffnet wird.
  • Wird der Schalter S_2 betätigt, so fließt in umgekehrter Weise ein größerer Strom durch den (mittelstarken) Widerstand R_3 zur Basis von T_1 als durch den starken Widerstand R_5 zur Basis von T_2. In diesem Fall schaltet wieder der Transistor T_1 durch und sperrt gleichzeitig den Transistor T2.
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Funktionsweise einer bistabilen Kippschaltung.

Werden die Schalter S_1 und S_2 mit den unteren Querleitungen statt den oberen verbunden, so kann durch Betätigung von S_1 der Transistor T_1 mitsamt dem linken Verbraucher-Stromkreis (Leuchtdiode D_1 mit Vorwiderstand R_1) und durch Betätigung von S_2 der Transistor T_2 mitsamt dem rechten Verbraucher-Stromkreis (Leuchtdiode D_2 mit Vorwiderstand R_2) aktiviert werden.

In der Digitaltechnik werden bistabile Kippschaltungen beispielsweise als elektronische Datenspeicher verwendet – je Flip-Flop kann genau ein Bit an Information gespeichert werden. Auch in Quarzuhren und Mikrochips kommen bistabile Kippschaltungen zum Einsatz; anstelle der mechanischen Schalter werden hierbei stets elektrische Signale zum Schalten genutzt.

Die astabile Kippschaltung

Eine astabile Kipp-Schaltung (auch “Multivibrator” genannt) hat keinen stabilen Zustand; sie kippt zwischen zwei Zuständen ständig hin und her.[4]

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Schema einer astabilen Kippschaltung.

Wird der Hauptschalter S_0 im Schema einer astabilen Kippschaltung geschlossen, so laden sich die beiden (Elektrolyt-)Kondensatoren C_1 und C_2 gemäß der eingezeichneten Polung auf. Grund dafür sind die ungleich großen Widerstandswerte R_1 =
R_4 und R_2 = R _3 der symmetrischen Schaltungsanordnung: Da die Widerstandswerte R_1 und R_4 gewöhnlich um etliche Größenordnungen kleiner sind als R_2 bzw. R_3, laden sich die Kondensatoren auf der mit dem +-Zeichen versehenen Seite positiv auf.

Sind die Kondensatoren C_1 und C_2 voll geladen, so kann kein weiterer Strom durch sie fließen. Es treten daher nur Ströme durch die Widerstände R_2 und R_3 zu den Basis-Anschlüssen der Transistoren T_1 und T_2 auf, die sich jeweils noch im sperrenden Grundzustand befinden.

Welcher der beiden Transistoren T_1 und T_2 durch die Basis-Ströme als erster schaltet, kann beim Aufbau der Schaltung zunächst nicht vorhergesagt werden – da die Schaltung aus zwei baugleichen Hälften besteht, entscheiden kleine Abweichungen der Bauteile von ihren Sollwerten darüber, auf welcher Seite der Einschaltvorgang schneller verläuft.

  • Schaltet der Transistor T_1, so wird seine Kollector-Emitter-Strecke leitend. Hierdurch leuchtet einerseits die LED D_1 auf, andererseits fließt die Ladung von der +-Seite des Kondensators C_1 augenblicklich durch die nun leitende Kollektor-Emitter-Strecke (“Kurzschluss”!) von T_1 zum Minuspol der Stromquelle ab; dadurch sinkt die Spannung am Kondensator C_1 auf \unit[0]{V} ab. Der Kondensator C_1 ist allerdings ebenso mit der Basis des Transistors T_2 verbunden, so dass auch diesem plötzlich die zum Durchschalten notwendige positive Spannung an seiner Basis fehlt – der Transistor T_2 sperrt also, und die LED D_2 bleibt dunkel.

    Nach der oben beschriebenen Entladung wird der Kondensator C_1 wieder über durch den schwachen Stromfluss über den großen Widerstand R_2 langsam in die umgekehrte Richtung aufgeladen; es baut sich im Kondensator also langsam eine Spannung in umgekehrter Richtung, also von der --Seite zur +-Seite auf. Erreicht diese Spannung, die ebenso am unmittelbar verbundenen Transistor T_2 anliegt, einen ausreichend hohen Wert (etwa \unit[0,7]{V}), so schaltet der Transistor T_2.

  • Schaltet der Transistor T_2, so wird dessen Kollector-Emitter-Strecke leitend, und die LED D_2 leuchtet auf. Gleichzeitig fließt die positive Ladung von der +-Seite des Kondensators C_2 durch die Kollektor-Emitter-Strecke von T_2 zum Minuspol der Stromquelle ab. An beiden Seiten des Kondensators C_2 liegt daher unmittelbar eine Spannung von \unit[0]{V} an, so dass der mit der --Seite des Kondensators verbundene Transistor T_1 sperrt und die LED D_1 ausgeht; der Kondensator C_1 wird dadurch wieder in der ursprünglichen Richtung aufgeladen.

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Stromfluss in einer astabilen Kippschaltung.

Die Frequenz, mit der das Hin- und Herwechseln zwischen beiden Schaltungszuständen erfolgt, hängt von der Kapazität der beiden Kondensatoren C_1 und C_2 sowie von den Widerstandswerten R_2 und R_3 ab. Bei großen Kapazitäten bzw. großen Ladewiderständen erfolgt der Blinker-Wechsel nur langsam (“Baulicht-Schaltung”); bei kleinen Kapazitäten und geringen Ladewiderständen kann die Frequenz durchaus auch einige \unit{kHz} oder sogar \unit{MHz} betragen.

Da die Ströme, die durch die LEDs D_1 bzw. D_2 fließen, auch anderweitig abgegriffen werden können, eignen sich astabile Kippschaltungen unter anderem als Taktgeber und Ton- beziehungsweise Signalgeneratoren.

Die monostabile Kippschaltung

Eine monostabile Kippschaltung (auch “Mono-Flop” genannt) hat nur einen stabilen Zustand. Durch Betätigung eines Schalters kann sie in einen anderen Zustand versetzt werden, wobei sie nach einer gewissen Zeit wieder in den stabilen Grundzustand zurückkehrt. In der Praxis ist eine derartige Schaltung zur Hälfte aus einer bistabilen Kippschaltung und zur Hälfte aus einer astabilen Kippschaltung aufgebaut.

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Prinzip einer monostabilen Kippschaltung.

Wird der Hauptschalter S_{\rm{0}} im Schema einer monostabilen Kippschaltung geschlossen, so lädt sich der (Elektrolyt-)Kondensator C_1 gemäß der eingezeichneten Polung auf; ist der Kondensator geladen, kann kein weiterer Strom durch ihn fließen. Durch den Widerstand R_2 fließt dann ein stärkerer Strom als durch die Leuchtdiode D_1 mitsamt Vorwiderstand und den in Reihe geschaltenen, großen Widerstand R_5. Somit schaltet im Grundzustand der Transistor T_2, die Leuchtdiode D_2 leuchtet auf.

  • Betätigt man den Schalter S_1, so fließt ein größerer Strom durch den (schwachen) Widerstand R_3 zur Basis von T_1 als durch den starken Widerstand R_2 zur Basis von T_2. Der Transistor T_1 schaltet somit durch, seine Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Dadurch leuchtet einerseits die Leuchtdiode D_1 auf. Der Kondensator C_1 wird dadurch schlagartig entladen; auf beiden Seiten liegt dadurch unmittelbar eine Spannung von \unit[0]{V} an. Der mit dem Kondensator verbundene Transistor T_2 sperrt dadurch.

    Durch den Widerstand R_2 wird der Kondensator anschließend langsam in die umgekehrte Richtung aufgeladen. Erreicht die sich dadurch aufbauende Spannung einen ausreichend hohen Wert (etwa \unit[0,7]{V}), so schaltet der Transistor T_2 wiederum und die Leuchtdiode D_2 leuchtet auf. Da die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T_2 leitend ist (und somit unmittelbar mit dem Minus-Anschluss der Stromquelle verbunden ist), kann kein Strom mehr durch den Widerstand R_5 mehr zum Transistor T_1 fließen – dieser sperrt also, und die Leuchtdiode D_1 erlischt. Die Schaltung kehrt somit in ihren Grundzustand zurück.

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Funktionsweise einer monostabilen Kippschaltung.

Wie lange die Schaltung im instabilen Zustand bleibt, hängt von der Kapazität des Kondensators C_1 sowie vom Widerstandswert R_2 ab. Je größer die Kapazität bzw. je größer der Ladewiderstand ist, desto langsamer erfolgt der Blinker-Wechsel.

Ein bekanntes Beispiel für eine monostabile Kippschaltung ist das so genannte “Treppenlicht”, das nach Betätigung eines Schalters aufleuchtet und nach einer Weile von selbst wieder abschaltet. Darüber hinaus werden monostabile Kippschaltungen als Impulsgeneratoren verwendet; anstelle des mechanischen Schalters werden dabei elektrische Spannungssignale zum Umschalten genutzt.


Anmerkungen:

[1]

Man kann in die abgebildete Schaltung Schema einer bistabilen Kippschaltung zusätzlich eine gewöhnliche Diode noch vor der Verzweigung, also unmittelbar in Reihe mit der Stromquelle einbauen; das gleiche gilt für die folgenden Kippstufen. Dies ist zwar nicht erforderlich, stellt jedoch einen Verpolungs-Schutz dar, falls die Batterie falsch herum eingebaut wird. Die Diode als “elektronische Einbahnstraße” verhindert in diesem Fall eine mögliche Beschädigung der Transistoren.

Ebenso kann man sich einen der beiden \unit[470]{\Omega}-Widerstände sparen, indem man den anderen noch vor den Verzweigungen, also unmittelbar in Reihe mit der Stromquelle schaltet; die Aufgabe dieses Widerstands liegt lediglich darin, die eingebauten LEDs vor zu hohen Stromstärken zu schützen.

[2]Um die Symmetrie der Anordnung zu betonen und die Schaltung übersichtlicher zu machen, ist der linke Transistor im Spiegelbild gezeichnet.
[3]Der Widerstand R_5 ist in der Abbildung Funktionsweise einer bistabilen Kippsschaltung (Bild oben links) über die leitende Kollektor-Emitter-Strecke gleichermaßen mit dem Minuspol der Stromquelle kurzgeschlossen.
[4]Für einen konkreten Schaltungsaufbau sind beispielsweise folgende Bauteile geeignet: R_2 = R_3 = \unit[10]{k \Omega}, C_1=C_2 =
\unit[100]{\mu F}, und R_1 = R_4 = \unit[470]{\Omega}