Astabiler Multivibrator
Multivibratoren werden in der Elektronik sehr oft verwendet. Man findet sie in vielen Schaltungen wieder. Daher sollte man ihre Funktion und Eigenschaften kennen.
Diese Schaltung lernt bestimmt jeder Elektronik-Anfänger zuerst kennen! Man kann sie vielfältig einsetzen, z. B. als Blinkschaltung im Modellbau, für die Modelleisenbahn, oder auch als Werbegag.
Der einfache Multivibrator - eine Standardschaltung in der Elektronik
Nach dem Anlegen der Stromversorgung wird einer der beiden Transistoren als erster durchschalten. Welcher das ist, hängt von deren Toleranzen ab. Nehmen wir an, der Transistor T1 wird als erster durchgeschaltet. Dann fließt ein Strom vom Kollektor zum Emitter des Transistors T1 und die LED D1 leuchtet auf.
Da ein Strom durch den Transistor T1 fließt, wird die Spannung an seinem Kollektor gegen Masse auf fast 0 Volt heruntergezogen. Jetzt kann sich der Kondensator C1 über den Widerstand R2 aufladen, da sein Pluspol über die Kollektor-Emitterstrecke des durchgeschalteten Transistors T1 mit Masse verbunden ist! Die Spannung am Kondensator C1 steigt langsam an. Sie wird direkt auf die Basis des Transistors T2 übertragen.
T1 ist durchgeschaltet und LED 1 leuchtet
Nach einer bestimmten Zeit wird die Schwellenspannung von etwa 0,7 Volt erreicht und der Transistor T2 öffnet. Dadurch wird die Spannung an seinem Kollektor auf 0 Volt heruntergezogen. Da im ersten Moment ein Kondensator für eine Gleichspannung einen Kurzschluß darstellt, werden diese 0 Volt als kurzer negativer Impuls über den Kondensator C2 auf die Basis des Transistors T1 übertragen, der dadurch gesperrt wird. Die LED 1 erlischt und die LED 2 leuchtet auf!
T2 schaltet durch
Der Pluspol von C2 wird über T2 mit Masse verbunden und gibt einen negativen Impuls an die Basis von
T1, der dadurch sperrt.
T2 ist durchgeschaltet und LED 2 leuchtet
Die Schaltung ist von einem in den anderen Zustand gekippt. Man bezeichnet eine solche Schaltung daher auch als Kippstufe. Sobald der Transistor T1 geschlossen ist, wird der Pluspol des Kondensators C1 von Masse getrennt. Er entlädt sich jetzt über die Basis des Transistors T2. Gleichzeitig gelangt sein Pluspol über den Widerstand R1 an die Betriebsspannung. Der Kondensator C1 wird also umgeladen.
Da der Transistor T2 jetzt leitet, wird der Kondensator C2 über die Kollektor-Emitterstrecke von T2 mit Masse verbunden. Er kann sich über den Widerstand R3 aufladen. Nach einer bestimmten Zeit wird die Schwellenspannung von 0,7 Volt an der Basis des Transistors T1 erreicht und dieser schaltet durch. Damit wird der Pluspol des Kondensators C1 über die Kollektor-Emitterstrecke von T1 mit Masse verbunden. Der negative Impuls wird auf die Basis des Transistors T2 übertragen, der jetzt sperrt. LED 2 erlischt und LED 1 leuchtet wieder. Danach beginnt das Spiel wieder von vorne. Es wiederholt sich fortlaufend, bis die Stromversorgung abgeklemmt wird.
T1 schaltet durch
Der Pluspol von C1 wird über T1 mit Masse verbunden und gibt einen negativen Impuls an die Basis von
T2, der dadurch wieder sperrt.
T1 ist durchgeschaltet und LED 1 leuchtet
Durch Veränderung der Werte für C1 und R2, sowie C2 und R3, kann man die Schaltzeiten oder die Frequenz der Schaltung verändern. Haben beide RC-Glieder, also C1 und R2, sowie C2 und R3 identische Werte, so leuchten beide LED's gleichlang auf. Man kann das auch genau berechnen:
Die Zeiten der beiden RC-Glieder werden nach der gleichen Formel berechnet:
Die beiden Zeiten t1 und t2 werden dann addiert, und dann die Frequenz F berechnet:
Bei der Berechnung muß man nur auf gleiche Einheiten achten! Also Kiloohm in Ohm und Mikrofarad in Farad umrechnen!
Oft werden bei einem astabilen Multivibrator die Kollektorspannungen als rechteckförmige Signale gezeigt. Betrachtet man diese einmal mit einem Oszilloskop, wird man feststellen, daß das eigentlich nicht richtig ist. Die Vorderflanken der Rechtecksignale sind in Wirklichkeit abgerundet.
Zunächst muß man sich erstmal einen astabilen Multivibrator aufbauen, der genügend schnell schwingt, also nicht gerade mit 1 Hertz:
Multivibrator mit einer Frequenz von etwa 1,2 KHz
Die Frequenz rechnen wir anhand der Formeln oben gleich mal nach:
Dieser astabile Multivibrator schwingt mit einer Frequenz von etwa 1,275 Kilohertz. Das reicht, um damit vernünftig am Oszilloskop zu messen. Die Leuchtdioden kann man auch durch Widerstände mit 1 Kiloohm ersetzten. Ich habe sie effektehalber mit eingebaut. Da das menschliche Auge der Frequenz von 1,2 Kilohertz nicht mehr folgen kann, scheinen beide Leuchtdioden permanent zu leuchten. Immerhin zeigen sie an, daß der Multivibrator arbeitet. Zunächst wird die Kollektorspannung an einem Transistor gemessen:
Die Kollektorspannung
Nehmen wir als Beispiel an der Transistor T2 sperrt. Dadurch wird der Kondensator an dessen Kollektor, also C2, von Masse getrennt. Der Kondensator entlädt sich anschließend über die Basis des Transistors T1. Gleichzeitig wird der kollektorseitige Kondensatoranschluß von C2, der vorher mit Masse verbunden war, über R4 und D2 mit der Betriebsspannung verbunden. Der Kondensator wird dadurch umgeladen. Dieses Umladen braucht eine gewisse Zeit:
Auch die Basisspannung hat einen anderen Verlauf. Wenn z. B. der Transistor T2 leitet, dann ist der negative Pol des Kondensators C1 mit Masse verbunden. Wenn jetzt der Transistor T2 sperrt, wird diese Verbindung unterbrochen. Gleichzeitig wird der negative Pol von C1 über den Widerstand R2 mit der Betriebsspannung verbunden! Der Kondensator an der Basis von T2 wird also umgeladen. Dieser Umladevorgang wird aber abgebrochen, sobald die Spannung an der Basis von T2 die Schwellenspannung von 0,7 Volt erreicht und T2 wieder öffnet.
Die Basisspannung
Um es perfekt zu machen, gehört in jede der beiden Basisleitungen noch je eine Diode, die in Durchlaßrichtung zur Basis des jeweiligen Transistor geschaltet ist.
Diese Schutzdioden werden zwar sehr oft weggelassen oder vergessen, aber sie verhindern negative Spannungsspitzen an den Basen der Transistoren, die beim Umschalten entstehen und fast die Höhe der Betriebsspannung erreichen. Auch wenn es nicht oft vorkommt besteht dennoch die Möglichkeit, daß der Transistor durch so eine Spannungsspitze zerstört werden kann.
Multivibrator mit Schutzdioden
Die Schaltung des astabilen Multivibrators findet man auf Elektronikwebseiten oder in der Fachliteratur mal mit und mal ohne Schutzdioden. Ich hatte sie anfangs auch nicht drin, weil ich es einfach nicht wußte. Irgendwann findet man die Version mit den Dioden und sieht sich das ganze nochmal genau an.
Der astabile Multivibrator kann in Schaltplänen unterschiedlich dargestellt werden. Die Schaltung ist natürlich die gleiche, nur die Anordnung der Bauteile ist verschieden. Die häufigste Darstellungsform ist wohl mit zwei sich überkreuzenden Leitungen:
So wird der astabile Multivibrator am häufigsten dargestellt.
Man kann den astabilen Multivibrator aber auch als rückgekoppelten Verstärker darstellen, wie es die folgende Abbildung zeigt:
Darstellung des astabilen Multivibrators als rückgekoppelten Verstärker
Dies ist exakt die gleiche Schaltung wie auf dem vorigen Schaltbild! Um sich besser zu orientieren, wurde die Benennung der Bauteile genauso so wie auf der vorigen Schaltung beibehalten. Man sieht z. B. das der Widerstand R3 an einer anderen Stelle positioniert ist.
Kennt man nur die Standardabbildung des astabilen Multivibrators mit den zwei sich überkreuzenden Leitungen und findet irgendwann diese Abbildung, ist man geneigt zu glauben, es handle sich um eine andere Schaltung. Auch bei mir war es so. Aber mittlerweile kenne ich beide Abbildungen.
Bitte beachten Sie die Hinweise zur Seite!
