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]
Wird der Hauptschalter im Schema einer bistabilen
Kippschaltung geschlossen, so fließen schwache
Ströme über die (starken) Widerstände
und
zu den
Basis-Anschlüssen der Transistoren
und
.[2] Welcher der
Transistoren dabei als erster schaltet, hängt von den konkreten
Bauteil-Eigenschaften ab.
- Schaltet der Transistor
, so wird seine Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Damit fließt ein starker Strom, der im Wesentlichen durch den Vorwiderstand
der LED
begrenzt wird, zum Minuspol der Stromquelle. Da kein Strom mehr durch den Widerstand
fließt, sperrt der Transistor
.[3] Der schwache Strom, der über den Widerstand
zur Basis von
fließt, ist zwar zum Schalten des Transistors ausreichend, genügt jedoch nicht, um die Leuchtdiode
aufleuchten zu lassen.
- Betätigt man den Schalter
, so fließt ein größerer Strom durch den (mittelstarken) Widerstand
zur Basis von
als durch den starken Widerstand
zur Basis von
. Der Transistor
schaltet somit durch, seine Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Dadurch fließt kein Strom mehr durch den Widerstand
; der Transistor
sperrt. Dieser Zustand bleibt auch erhalten, wenn der Schalter
wieder geöffnet wird.
- Wird der Schalter
betätigt, so fließt in umgekehrter Weise ein größerer Strom durch den (mittelstarken) Widerstand
zur Basis von
als durch den starken Widerstand
zur Basis von
. In diesem Fall schaltet wieder der Transistor
durch und sperrt gleichzeitig den Transistor
.
Werden die Schalter und
mit den unteren Querleitungen
statt den oberen verbunden, so kann durch Betätigung von
der
Transistor
mitsamt dem linken Verbraucher-Stromkreis (Leuchtdiode
mit Vorwiderstand
) und durch Betätigung von
der Transistor
mitsamt dem rechten Verbraucher-Stromkreis
(Leuchtdiode
mit Vorwiderstand
) 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]
Wird der Hauptschalter im Schema einer astabilen Kippschaltung geschlossen, so laden sich die beiden
(Elektrolyt-)Kondensatoren
und
gemäß der eingezeichneten
Polung auf. Grund dafür sind die ungleich großen Widerstandswerte
und
der symmetrischen Schaltungsanordnung: Da die
Widerstandswerte
und
gewöhnlich um etliche
Größenordnungen kleiner sind als
bzw.
, laden sich die
Kondensatoren auf der mit dem
+
-Zeichen versehenen Seite positiv auf.
Sind die Kondensatoren und
voll geladen, so kann kein
weiterer Strom durch sie fließen. Es treten daher nur Ströme durch die
Widerstände
und
zu den Basis-Anschlüssen der
Transistoren
und
auf, die sich jeweils noch im
sperrenden Grundzustand befinden.
Welcher der beiden Transistoren und
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
, so wird seine Kollector-Emitter-Strecke leitend. Hierdurch leuchtet einerseits die LED
auf, andererseits fließt die Ladung von der
+
-Seite des Kondensatorsaugenblicklich durch die nun leitende Kollektor-Emitter-Strecke („Kurzschluss“!) von
zum Minuspol der Stromquelle ab; dadurch sinkt die Spannung am Kondensator
auf
ab. Der Kondensator
ist allerdings ebenso mit der Basis des Transistors
verbunden, so dass auch diesem plötzlich die zum Durchschalten notwendige positive Spannung an seiner Basis fehlt – der Transistor
sperrt also, und die LED
bleibt dunkel.
Nach der oben beschriebenen Entladung wird der Kondensator
wieder über durch den schwachen Stromfluss über den großen Widerstand
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 Transistoranliegt, einen ausreichend hohen Wert (etwa
), so schaltet der Transistor
.
Schaltet der Transistor
, so wird dessen Kollector-Emitter-Strecke leitend, und die LED
leuchtet auf. Gleichzeitig fließt die positive Ladung von der
+
-Seite des Kondensatorsdurch die Kollektor-Emitter-Strecke von
zum Minuspol der Stromquelle ab. An beiden Seiten des Kondensators
liegt daher unmittelbar eine Spannung von
an, so dass der mit der
-
-Seite des Kondensators verbundene Transistorsperrt und die LED
ausgeht; der Kondensator
wird dadurch wieder in der ursprünglichen Richtung aufgeladen.
Die Frequenz, mit der das Hin- und Herwechseln zwischen beiden
Schaltungszuständen erfolgt, hängt von der Kapazität der beiden Kondensatoren
und
sowie von den Widerstandswerten
und
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
oder sogar
betragen.
Da die Ströme, die durch die LEDs bzw.
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.
Wird der Hauptschalter im Schema einer monostabilen
Kippschaltung geschlossen, so lädt sich der
(Elektrolyt-)Kondensator
gemäß der eingezeichneten Polung auf; ist
der Kondensator geladen, kann kein weiterer Strom durch ihn fließen. Durch den
Widerstand
fließt dann ein stärkerer Strom als durch die Leuchtdiode
mitsamt Vorwiderstand und den in Reihe geschaltenen, großen
Widerstand
. Somit schaltet im Grundzustand der Transistor
, die Leuchtdiode
leuchtet auf.
Betätigt man den Schalter
, so fließt ein größerer Strom durch den (schwachen) Widerstand
zur Basis von
als durch den starken Widerstand
zur Basis von
. Der Transistor
schaltet somit durch, seine Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Dadurch leuchtet einerseits die Leuchtdiode
auf. Der Kondensator
wird dadurch schlagartig entladen; auf beiden Seiten liegt dadurch unmittelbar eine Spannung von
an. Der mit dem Kondensator verbundene Transistor
sperrt dadurch.
Durch den Widerstand
wird der Kondensator anschließend langsam in die umgekehrte Richtung aufgeladen. Erreicht die sich dadurch aufbauende Spannung einen ausreichend hohen Wert (etwa
), so schaltet der Transistor
wiederum und die Leuchtdiode
leuchtet auf. Da die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
leitend ist (und somit unmittelbar mit dem Minus-Anschluss der Stromquelle verbunden ist), kann kein Strom mehr durch den Widerstand
mehr zum Transistor
fließen – dieser sperrt also, und die Leuchtdiode
erlischt. Die Schaltung kehrt somit in ihren Grundzustand zurück.
Wie lange die Schaltung im instabilen Zustand bleibt, hängt von der Kapazität
des Kondensators sowie vom Widerstandswert
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 |
[2] | Um die Symmetrie der Anordnung zu betonen und die Schaltung übersichtlicher zu machen, ist der linke Transistor im Spiegelbild gezeichnet. |
[3] | Der Widerstand ![]() |
[4] | Für einen konkreten Schaltungsaufbau sind beispielsweise folgende
Bauteile geeignet: ![]() ![]() ![]() |