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Monostabile Kippstufe Eine monostabile Kippstufe auch monostabiler Multivibrator Monoflop oder Univibrator ist eine digi

Monostabile Kippstufe

Eine monostabile Kippstufe, auch monostabiler Multivibrator, Monoflop oder Univibrator, ist eine digitale Schaltung, die nur einen stabilen Zustand hat. Von einem von außen eintreffenden Trigger-Signal angestoßen, ändert die Schaltung für eine bestimmte Zeit ihren Schaltzustand. Anschließend kehrt die Kippstufe wieder in die Ruhelage zurück.

Klassifikation Bearbeiten

Man unterscheidet zwischen nachtriggerbaren (auch: retriggerbar) und nicht nachtriggerbaren Monoflops. Nachtriggerbar bedeutet, dass ein während des Zeitablaufes eintreffendes Triggersignal die interne Zeit jeweils erneut startet und der aktive Schaltzustand dementsprechend zeitlich verlängert wird. Bei einem nicht nachtriggerbaren Monoflop hat ein Triggersignal während der aktiven Phase keine Wirkung.

Diskretes Monoflop Bearbeiten

Monostabile Kippstufe mit Bipolartransistoren

Die nebenstehende Beispielschaltung ist ein retriggerbares Monoflop. Im Grundzustand ist der Bipolartransistor Q2 leitend, während der Transistor Q1 sperrt. Den erforderlichen Basisstrom des Transistors Q2 liefert der Widerstand R2. Zum Triggern des Monoflops muss das Triggersignal auf den L-Pegel gelegt werden. Hierdurch wird der Transistor Q2 gesperrt. Durch die Rückkopplung über den Widerstand R4 wird der Transistor Q1 leitend.

Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Zeit beim Monoflop zu laufen. Die Zeitkonstante wird bei dieser Schaltung durch den Widerstand R2 und den Kondensator C1 eingestellt. Durch den Ladestrom über den Widerstand R2 wird der Kondensator C1 aufgeladen. Nach einer definierten Zeit (der Schaltzeit des Monoflops) ist der Kondensator so weit aufgeladen, dass die Kondensatorspannung in die Größenordnung der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q2 kommt. Ab diesem Zeitpunkt wird der Transistor Q2 wieder leitend. Der Widerstand R4 koppelt die Ansteuerung des Transistors Q1 mit dem Transistor Q2. Die Kollektor-Emitter-Spannung beim leitenden Transistor Q2 liegt unter der Basis-Emitter-Spannung beim Transistor Q1, so dass dieser sperrt.

Wenn der Transistor Q1 wieder sperrt, wird der Kondensator C1 über die beiden Widerstände R1 und R2 entladen.

Das diskrete Monoflop besitzt den Nachteil, eine gewisse Abhängigkeit von der Betriebsspannung zu haben, welcher in der approximierten Formel zur Haltezeit nicht zum Ausdruck kommt, wobei der Verlauf für die einfache als auch die verbesserte Version in etwa derselbe ist.

Beispiel für die Abhängigkeit der Haltezeit von der Betriebsspannung

Haltezeit (approximiert/angenähert) Bearbeiten

Das Ausgangssignal am Kollektor von Q1 ist bei der abgebildeten Schaltung ein negativer Impuls der Dauer

Das Produkt wird auch oft als Größe abgekürzt. Sie hat die Dimension einer Zeit.

Als Ansatz für diese Gleichung wurde genommen. Um von dieser Formel auf die Approximation zu gelangen, wird beispielsweise für die Abbruchbedingung angenommen, dass gilt.

Haltezeit Bearbeiten

Wiederum unter Berücksichtigung der Abbruchbedingung berechnet man für eine exakte Haltezeit der Dauer

Die Zeit t ist nahezu unabhängig von der Betriebsspannung, die abgebildete Beispielschaltung verträgt jedoch nur eine Speisespannung von bis zu 5 Volt, da ansonsten die Basis von Q2 zu Impulsbeginn einen Wert unterhalb von −5 Volt annimmt – ein typischer Grenzwert für Bipolartransistoren.

Diskretes Monoflop (verbessert) Bearbeiten

Verbesserte monostabile Kippstufe mit Bipolartransistoren

Um das oben erwähnte Problem zu umgehen, empfiehlt es sich, eine Diode vor die BE-Strecke von T2 zu schalten, da dann der Kondensator beim Entladevorgang als Quelle keinen Strom entgegen der Richtung der Schutzdiode fließen lassen kann und somit keine negative Spannung über der BE-Strecke von T2 abfällt.

Die genaue Haltezeit verändert sich entsprechend der zusätzlichen Schutzdiode zu

Weiterhin hat die Diode den Vorteil, dass wenn man den negativen Impuls durch einen Taster simuliert, die rechte Seite von nicht augenblicklich auf Masse gezogen wird und somit die Haltezeit nicht stark stochastisch von den oben angegebenen Formeln abweicht, da sich je nach individueller Tastdauer über den direkten Kontakt zu Masse im Gegensatz zum vorherigen Fall direkt entladen kann.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, zusätzlich einen Widerstand zwischen Basis und Emitter von zu schalten, wodurch dieser besser sperrt, da entsprechend der Formel

nur noch ein Teil der CE-Sättigungsspannung von zwischen Basis und Emitter von abfällt.

Integriertes Monoflop Bearbeiten

Monoflop-Symbol nach DIN
Impulsdiagram
E: Eingang
Q: Ausgang

Sowohl nicht retriggerbare als auch retriggerbare Monoflops gibt es als Integrierte Schaltkreise (beispielsweise den Standardtyp 74x121), die lediglich die zeitbestimmenden Bauteile (einen Widerstand und einen Kondensator) als externe Beschaltung benötigen. Diese Bausteine weisen eine wesentlich geringere Betriebsspannungs- und Temperaturabhängigkeit der Impulsdauer auf als obige Beispielschaltung. Mit ihnen lassen sich Zeiten von etwa 50 ns bis etwa 1 s realisieren. Bei größeren Zeiten sind gute, große und daher teure Kondensatoren erforderlich; man verwendet daher bei größeren Zeiten stattdessen Integrierte Schaltkreise, die einen internen Frequenzteiler besitzen, der von einem Multivibrator gespeist wird. Die Frequenz des Multivibrators ist ebenso wie bei Monoflop-Schaltkreisen mit einem externen Widerstand und einem Kondensator wählbar. Erreicht der Multivibrator die Impulszahl des Teilerverhältnisses, wird der Ausgangsimpuls beendet. Oft ist der Frequenzteiler programmierbar, sodass sich Zeiten von Sekunden bis zu mehreren Stunden erzielen lassen.

Anwendungsbeispiele Bearbeiten

Die Funktion eines Monoflops ist zum Beispiel in einem Treppenlichtautomat realisiert, bei dem auf Knopfdruck das Licht für eine bestimmte Zeitspanne eingeschaltet wird. In diesem Anwendungsfall ist ein nachtriggerbares Monoflop sinnvoll, da hierdurch die Lichtphase durch erneutes Drücken verlängert werden kann.

Weitere Anwendungen sind:

Weblinks Bearbeiten

Commons: Monostabile Kippstufen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Veröffentlichungsdatum:
Eine monostabile Kippstufe auch monostabiler Multivibrator Monoflop oder Univibrator ist eine digitale Schaltung die nur einen stabilen Zustand hat Von einem von aussen eintreffenden Trigger Signal angestossen andert die Schaltung fur eine bestimmte Zeit ihren Schaltzustand Anschliessend kehrt die Kippstufe wieder in die Ruhelage zuruck Inhaltsverzeichnis 1 Klassifikation 2 Diskretes Monoflop 2 1 Haltezeit approximiert angenahert 2 2 Haltezeit 3 Diskretes Monoflop verbessert 4 Integriertes Monoflop 5 Anwendungsbeispiele 6 WeblinksKlassifikation BearbeitenMan unterscheidet zwischen nachtriggerbaren auch retriggerbar und nicht nachtriggerbaren Monoflops Nachtriggerbar bedeutet dass ein wahrend des Zeitablaufes eintreffendes Triggersignal die interne Zeit jeweils erneut startet und der aktive Schaltzustand dementsprechend zeitlich verlangert wird Bei einem nicht nachtriggerbaren Monoflop hat ein Triggersignal wahrend der aktiven Phase keine Wirkung Diskretes Monoflop Bearbeiten nbsp Monostabile Kippstufe mit BipolartransistorenDie nebenstehende Beispielschaltung ist ein retriggerbares Monoflop Im Grundzustand ist der Bipolartransistor Q2 leitend wahrend der Transistor Q1 sperrt Den erforderlichen Basisstrom des Transistors Q2 liefert der Widerstand R2 Zum Triggern des Monoflops muss das Triggersignal auf den L Pegel gelegt werden Hierdurch wird der Transistor Q2 gesperrt Durch die Ruckkopplung uber den Widerstand R4 wird der Transistor Q1 leitend Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Zeit beim Monoflop zu laufen Die Zeitkonstante wird bei dieser Schaltung durch den Widerstand R2 und den Kondensator C1 eingestellt Durch den Ladestrom uber den Widerstand R2 wird der Kondensator C1 aufgeladen Nach einer definierten Zeit der Schaltzeit des Monoflops ist der Kondensator so weit aufgeladen dass die Kondensatorspannung in die Grossenordnung der Basis Emitter Spannung des Transistors Q2 kommt Ab diesem Zeitpunkt wird der Transistor Q2 wieder leitend Der Widerstand R4 koppelt die Ansteuerung des Transistors Q1 mit dem Transistor Q2 Die Kollektor Emitter Spannung beim leitenden Transistor Q2 liegt unter der Basis Emitter Spannung beim Transistor Q1 so dass dieser sperrt Wenn der Transistor Q1 wieder sperrt wird der Kondensator C1 uber die beiden Widerstande R1 und R2 entladen Das diskrete Monoflop besitzt den Nachteil eine gewisse Abhangigkeit von der Betriebsspannung zu haben welcher in der approximierten Formel zur Haltezeit nicht zum Ausdruck kommt wobei der Verlauf fur die einfache als auch die verbesserte Version in etwa derselbe ist nbsp Beispiel fur die Abhangigkeit der Haltezeit von der BetriebsspannungHaltezeit approximiert angenahert Bearbeiten Das Ausgangssignal am Kollektor von Q1 ist bei der abgebildeten Schaltung ein negativer Impuls der Dauer t H ln 2 R 2 C 1 displaystyle t H approx ln 2 R 2 C 1 nbsp Das Produkt R 2 C 1 displaystyle R 2 C 1 nbsp wird auch oft als Grosse t displaystyle tau nbsp abgekurzt Sie hat die Dimension einer Zeit Als Ansatz fur diese Gleichung wurde U B E Q 2 t U B 1 2 e t t displaystyle U BE Q 2 t U B 1 2e frac t tau nbsp genommen Um von dieser Formel auf die Approximation zu gelangen wird beispielsweise fur die Abbruchbedingung U B E Q 2 t H U B E Q 2 s a t displaystyle U BE Q 2 t H U BE Q 2 sat nbsp angenommen dass U B E Q 2 s a t 0 displaystyle U BE Q 2 sat 0 nbsp gilt Haltezeit Bearbeiten Wiederum unter Berucksichtigung der Abbruchbedingung U B E Q 2 t H U B E Q 2 s a t displaystyle U BE Q 2 t H U BE Q 2 sat nbsp berechnet man fur U B E Q 2 t U B 2 U B U B E Q 2 s a t U C E Q 1 s a t e t t displaystyle U BE Q 2 t U B 2U B U BE Q 2 sat U CE Q 1 sat e frac t tau nbsp eine exakte Haltezeit der Dauer t H R 2 C 1 ln 2 U B U B E Q 2 s a t U C E Q 1 s a t U B U B E Q 2 s a t ln 2 R 2 C 1 displaystyle t H R 2 C 1 ln left frac 2U B U BE Q 2 sat U CE Q 1 sat U B U BE Q 2 sat right approx ln 2 R 2 C 1 nbsp Die Zeit t ist nahezu unabhangig von der Betriebsspannung die abgebildete Beispielschaltung vertragt jedoch nur eine Speisespannung von bis zu 5 Volt da ansonsten die Basis von Q2 zu Impulsbeginn einen Wert unterhalb von 5 Volt annimmt ein typischer Grenzwert fur Bipolartransistoren Diskretes Monoflop verbessert Bearbeiten nbsp Verbesserte monostabile Kippstufe mit BipolartransistorenUm das oben erwahnte Problem zu umgehen empfiehlt es sich eine Diode vor die BE Strecke von T2 zu schalten da dann der Kondensator beim Entladevorgang als Quelle keinen Strom entgegen der Richtung der Schutzdiode fliessen lassen kann und somit keine negative Spannung uber der BE Strecke von T2 abfallt Die genaue Haltezeit verandert sich entsprechend der zusatzlichen Schutzdiode zu t H R 2 C 1 ln 2 U B U B E T 2 s a t U C E T 1 s a t U F U B U B E T 2 s a t U F ln 2 R 2 C 1 displaystyle t H R 2 C 1 ln left frac 2U B U BE T 2 sat U CE T 1 sat U F U B U BE T 2 sat U F right approx ln 2 R 2 C 1 nbsp Weiterhin hat die Diode den Vorteil dass wenn man den negativen Impuls durch einen Taster simuliert die rechte Seite von C 1 displaystyle C 1 nbsp nicht augenblicklich auf Masse gezogen wird und somit die Haltezeit nicht stark stochastisch von den oben angegebenen Formeln abweicht da C 1 displaystyle C 1 nbsp sich je nach individueller Tastdauer uber den direkten Kontakt zu Masse im Gegensatz zum vorherigen Fall direkt entladen kann Eine weitere Verbesserung besteht darin zusatzlich einen Widerstand R 5 displaystyle R 5 nbsp zwischen Basis und Emitter von T 1 displaystyle T 1 nbsp zu schalten wodurch dieser besser sperrt da entsprechend der Formel U B E T 1 U C E T 2 s a t R 5 R 4 R 5 displaystyle U BE T 1 U CE T 2 sat cdot frac R 5 R 4 R 5 nbsp nur noch ein Teil der CE Sattigungsspannung von T 2 displaystyle T 2 nbsp zwischen Basis und Emitter von T 1 displaystyle T 1 nbsp abfallt Integriertes Monoflop Bearbeiten nbsp Monoflop Symbol nach DIN nbsp ImpulsdiagramE EingangQ AusgangSowohl nicht retriggerbare als auch retriggerbare Monoflops gibt es als Integrierte Schaltkreise beispielsweise den Standardtyp 74x121 die lediglich die zeitbestimmenden Bauteile einen Widerstand und einen Kondensator als externe Beschaltung benotigen Diese Bausteine weisen eine wesentlich geringere Betriebsspannungs und Temperaturabhangigkeit der Impulsdauer auf als obige Beispielschaltung Mit ihnen lassen sich Zeiten von etwa 50 ns bis etwa 1 s realisieren Bei grosseren Zeiten sind gute grosse und daher teure Kondensatoren erforderlich man verwendet daher bei grosseren Zeiten stattdessen Integrierte Schaltkreise die einen internen Frequenzteiler besitzen der von einem Multivibrator gespeist wird Die Frequenz des Multivibrators ist ebenso wie bei Monoflop Schaltkreisen mit einem externen Widerstand und einem Kondensator wahlbar Erreicht der Multivibrator die Impulszahl des Teilerverhaltnisses wird der Ausgangsimpuls beendet Oft ist der Frequenzteiler programmierbar sodass sich Zeiten von Sekunden bis zu mehreren Stunden erzielen lassen Anwendungsbeispiele BearbeitenDie Funktion eines Monoflops ist zum Beispiel in einem Treppenlichtautomat realisiert bei dem auf Knopfdruck das Licht fur eine bestimmte Zeitspanne eingeschaltet wird In diesem Anwendungsfall ist ein nachtriggerbares Monoflop sinnvoll da hierdurch die Lichtphase durch erneutes Drucken verlangert werden kann Weitere Anwendungen sind Impulsgeneratoren Bestandteil von Frequenz Spannungs Wandlern und Drehzahlmessern Verlangern eines kurzen Impulses auf eine definierte Lange ZeitrelaisWeblinks Bearbeiten nbsp Commons Monostabile Kippstufen Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Ein spezielles rucksetzbares Monoflop und eine praktische Anwendung Die Schaltung ist eine funktionelle Kombination aus Monoflop und Flipflop Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Monostabile Kippstufe amp oldid 216756723