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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.



Funktion des astabilen Multivibrators

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.


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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. Die positive Seite des Kondensators C1 wird durch T1 mit Masse verbunden, die negative Seite von C1 liegt über R2 an Plus 9 Volt. Der Kondensator C1 wird über R2 und der Kollektor-Emitterstrecke von T1 entladen und umgeladen. Die Spannung an der negativen Seite von C1 steigt langsam an. Sie wird direkt auf die Basis des Transistors T2 übertragen.


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T1 ist durchgeschaltet und LED 1 leuchtet
C1 wird über R2 und der CE-Strecke von T1 umgeladen,
C2 wird über R4 und die BE-Strecke von T1 aufgeladen


Erreicht die Spannung an der negativen Seite von C1 etwa 0,7 Volt, öffnet der Transistor T2. Dadurch wird die Spannung an seinem Kollektor auf 0 Volt heruntergezogen und die positive Seite des Kondensators C2 gelangt damit an Masse. 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 sofort gesperrt wird. Die LED 1 erlischt und die LED 2 leuchtet auf!


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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.


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-Emitterstrecke des Transistors T2. Gleichzeitig gelangt sein Pluspol über den Widerstand R1 an die Betriebsspannung. Der Kondensator C1 wird wieder umgeladen.


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T2 ist durchgeschaltet und LED 2 leuchtet
C2 wird über R3 und der CE-Strecke von T2 umgeladen,
C1 wird über R2 und die BE-Strecke von T2 aufgeladen


Da der Transistor T2 jetzt leitet, wird die postive Seite des Kondensators C2 über die Kollektor-Emitterstrecke von T2 mit Masse verbunden, während seine negative Seite über den Widerstand R3 mit der Betriebsspannung verbunden ist. C2 wird über R3 entladen und umgeladen. Nach einer bestimmten Zeit wird an seiner negativen Seite die Schwellenspannung von 0,7 Volt erreicht, die direkt an die Basis des Transistors T1 gegeben wird, womit dieser wieder durchschaltet. Damit wird der Pluspol des Kondensators C1 wieder über die Kollektor-Emitterstrecke von T1 mit Masse verbunden. Der negative Impuls wird über C1 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.


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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.


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T1 ist wieder 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 LEDs gleichlang auf. Man kann das auch genau berechnen:

Die Zeiten der beiden RC-Glieder werden nach der gleichen Formel berechnet:

multivibrator1.gif   multivibrator2.gif

Die beiden Zeiten t1 und t2 werden dann addiert, und die Frequenz F berechnet:

multivibrator3.gif   frequenz.gif

Bei der Berechnung muß man nur auf gleiche Einheiten achten! Also Kiloohm in Ohm und Mikrofarad in Farad umrechnen!



Negative Spannungsspitzen

In der Schaltungsbeschreibung oben wurden negative Spannungsspitzen aus Gründen der Übersichtlichkeit erstmal nicht erwähnt, damit es nicht gleich zu kompliziert wird. Wie kommen sie aber zustande? Sehen wir uns die Schaltung noch einmal an:


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T2 ist durchgeschaltet, C1 lädt sich über R1 auf


T2 ist durchgeschaltet und der Kondensator C1 wird über R1 und der Basis-Emitterstrecke von T2 aufgeladen. Er lädt sich bis auf etwa 8,3 Volt auf, denn zwischen Basis und Emitter des T2 fallen ja etwa 0,7 Volt ab.

Gleichzeitig wird der Kondensator C2 über R3 und der Kollektor-Emitterstrecke von T2 umgeladen. Wenn an der negativen Seite von C2 etwa 0,7 Volt erreicht werden, öffnet T1. Doch jetzt kommt es:


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T1 schaltet durch und die positive Seite von C1 gelangt an Masse


T1 öffnet und damit gelangt die positive Seite von C1 über die Kollektor-Emitterstrecke von T1 an Masse. C1 ist aber auf etwa 8,3 Volt aufgeladen. Ein geladener Kondensator verhält sich wie eine Spannungsquelle. Wenn sein positiver Anschluß wie hier über T1 auf Masse gezogen wird, erzeugt der negative Anschluß eine Spannung von etwa -8,3 Volt. Da T2 gesperrt ist, kann diese negative Spannung nicht über T2 abfließen, sondern wird langsam über R2 abgebaut. C1 wird anschließend über R2 umgeladen.

Diese negativen Spannungsspitzen, die immerhin fast so hoch wie die Betriebsspannung sind, können die Transistoren in ungünstigen Fällen beschädigen (Stichwort Emitter-Basis Durchbruchspannung!). Daher fügt man, um es perfekt zu machen, in die Basisleitung jedes Transistors noch eine Diode ein, die in Durchlaßrichtung zur Basis des jeweiligen Transistors geschaltet ist.


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Astabiler Multivibrator mit Schutzdioden



Die Kollektor- und Basisspannung

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:


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Multivibrator mit einer Frequenz von etwa 1,2 KHz


Die Frequenz rechnen wir anhand der Formeln oben gleich mal nach:

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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 die Leuchtdioden aber 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:


multivibratorkollektor.jpg

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:

multivibrator10.gif   multivibrator11.gif

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.


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Die Basisspannung



Unterschiedliche Darstellungen

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:


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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:


multivibratorx.gif

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 handelt sich um eine andere Schaltung. Auch bei mir war es so. Aber mittlerweile kenne ich beide Abbildungen.


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