Monostabile Kippstufe (Monoflop)

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1 zum Thema Monostabile Kippstufe (Monoflop) 1 R1 470Ω R4 33kΩ R2 470Ω XSC1 Ext Trig + 3 C1 100nF R3 33kΩ 2 + A _ + V1 5 V U1 5 4 U2 C237P C237P 0 R5 33kΩ 6 J1 7 Taste = Leerzeichen 0 V2 5 V Datum: Autor: Maximilian Fuchs, Christoph Winkler Friedrich-August Haselwander Gewerblich-Technische Schule Offenburg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Kondensator Die Ladezeitkonstante τ Formeln Transistor Ströme und Spannungen Erklärung Formeln Analyse der Monostabilen Kippstufe Impulsdiagramm Funktionsprinzip Analyse mit verschiedenen Kondensatorwerten erechnen der Impulsdauer Entwicklung einer eigenen monostabilen Kippstufe asisvorwiderstand R (hier R4, R3 und R5)) Lastwiderstand R C (hier R1 und R2) Kapazität des Kondensators C Ergebnis Kippstufen allgemein Verschiedene Arten Anwendungen von Kippstufen Flipflops in der Digitalelektronik Monoflops - Signaldauer Multivibrator linkgenerator/ Tongenerator Quellenverzeichnis Seite 2 von 19

3 5.1 Grafiken Quellen Seite 3 von 19

4 1 Grundlagen 1.1 Kondensator 1 Ein Kondensator kann elektronische Ladungen speichern und gibt diese nach der Aufladung wieder frei. R2 1kΩ V2 12 V C2 1µF Abbildung 1: einfache Kondensatorschaltung Die Ladezeitkonstante τ Die Ladezeitkonstante τ lässt sich über den Vorwiderstand R und die Kapazität C des Kondensators errechnen. τ = R C eim Entladen: Pro τ entlädt aufgeladenen Spannung sich der Kondensator um 63,2% der eim Aufladen: Ebenso lädt sich der Kondensator um 63,2% der angelegten Spannung beim Aufladen auf. 1 Seite 4 von 19

5 Nach 5 τ gilt der Kondensator als aufgeladen, dementsprechend benötigt dieser wieder 5τ zum vollständigen Entladen. Das Auf- und Entladen ergibt graphisch dargestellt eine e-funktion (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Auf- und Entladevorgang an einem Kondensator Formeln Dementsprechend lassen sich diese Formeln herleiten: t =τ τ = R C t= 5τ= 5 R C 2 Seite 5 von 19

6 1.2 Transistor Abbildung 3: einfache Transistorschaltung Ströme und Spannungen U CE = Kollektor-Emitter-Spannung U E = asis-emitter-spannung (Schwellwert) I C = Kollektorstrom I = asisstrom Erklärung Wenn die Spannung U E über 0,7V (Standartwert) liegt schaltet der Transistor durch. Somit können Elektronen die U CE Strecke passieren. Diese 0,7V bezeichnet man als Schwellspannung. Der Steuerkreis (asis-emitter) steuert so den Lastkreis (Kollektor-Emitter). Kleine Spannungen im Steuerkreis können große Spannungen im Lastkreis schalten. Der Transistor im Anwendungsgebiet kann also ein Relé ersetzten. Seite 6 von 19

7 1.2.3 Formeln Um ein sicheres Durchschalten des Transistors zu erreichen erhöht man I um das 2-5 fache. Dabei entsteht I Ü I = ü Ü I Die Gleichstromverstärkung lässt sich über I C und I errechnen: I = I C Die Ströme hängen wie folgt von einander ab: I = I + I E C Die Leistung eines Transistors ergibt sich folgender maßen: P = I T C U CEsat Seite 7 von 19

8 2 Analyse der Monostabilen Kippstufe Die in Abbildung 4 dargestellte Monostabile Kippstufe wurde in Multisim aufgebaut. An den Ausgang wurde ein Oszilloskop gehängt, an den Eingang eine 5V Quelle. 1 R1 470Ω R4 33kΩ R2 470Ω XSC1 Ext Trig + 3 C1 100nF R3 33kΩ 2 + A _ + V1 5 V U1 5 4 U2 C237P C237P 0 R5 33kΩ 6 J1 7 Taste = Leerzeichen 0 V2 5 V Abbildung 4: Versuchsaufbau Seite 8 von 19

9 2.1 Impulsdiagramm Abbildung 5: Impulsdiagramm In Abbildung 5 sieht man die Ausgabe des Ozilloskops am Ausgang. Der untere rote Graph gibt den Zustand am Ausgang (Ein/Aus) an, der obere den Zustand des Schalters (Zu/Auf). Der obere Graph erreicht seine obere Stellung, wenn der Schalter eine Eingangsspannung von 5V liefert und seinen Tiefstpunkt, wenn keine Eingangsspannung vorliegt (0V). Wie sich erkennen lässt entsteht nur ein kurzes Ausgangssignal, welches immer dann entsteht, wenn wir ein Eingangsignal über den Schalter geben. Wenn man dieses, wie in Abbildung 6 misst kommt man auf etwa 2,3 ms. Diese Monostabile Kippstufe erzeugt praktisch ein Ausgangssignal, dass etwa 2,3 ms anhält, danach wirkt der Kondensator wie ein Widerstand. Abbildung 6: Messung des Impulses Seite 9 von 19

10 2.2 Funktionsprinzip Wenn die Monostabile Kippstufe durch einen äußeren Impuls angesteuert wird ändert sich für eine kurze Zeit ihren Zustand, bevor sie wieder von selbst in ihren ursprünglichen Schaltzustand (Ruhelage) zurückkehrt. Diese Zeit, wie lange sie dazu braucht in ihre Ruhelage zurückzukehren, wird durch ihre Dimensionierung (R4 und C1) bestimmt. 2.3 Analyse mit verschiedenen Kondensatorwerten Kapazität C in nf Ausgangssignaldauer t in ms 20 0, , , , , , ,888 Tabelle 1: Analyse mit verschiedenen Kapazitäten In Tabelle 1 haben wir die Ergebnisse der Simulation dargestellt von Kapazitäten von 20 bis 1000 nf. Wie man erkennen kann steigt mit der Kapazität auch die Ausgangssignaldauer. Eine größere Kapazität des Kondensators C1 bewirkt ein längeres Ausgangssignal. Seite 10 von 19

11 2.4 erechnen der Impulsdauer 3 Die Impulsdauer lässt sich nach folgender Formel berechnen: t H = ln(2) R 2 C 1 Angepasst auf die in Abbildung 4 dargestellte Schaltung: t H = ln(2) R 4 C 1 eispielrechnung: t t H H = ln(2) 33kΩ 100nF = 2,287ms 3 Seite 11 von 19

12 3 Entwicklung einer eigenen monostabilen Kippstufe Wir entwickeln eine eigene monostabile Kippstufe die eine Impulsdauer von 10 µs besitzt, dazu nehmen wir einen Transistor mit einem Gleichstromverstärkungsfaktor von etwa 200. Wir übersteuern diesen Transistor dreifach. Wir haben uns für einen C237 entschieden. Abbildung 7 zeigt einen Ausschnitt aus dem Datenblatt. Dieser Transistor verfügt zwar nur über ein von 180, seine anderen Werte passen aber sehr gut. Abbildung 7: Datenblatt C asisvorwiderstand R (hier R4, R3 und R5)) Als erstes berechnen wir den asisstrom I : I = I I C IC = = 100mA 180 0,556mA Wir übersteuern wie schon erwähnt den Transistor dreifach: I ü = I ü= 0,556mA 3 1,667mA Seite 12 von 19

13 Nun berechnen wir die Spannung des asisvorwiderstandes R. U beträgt 5V (Eingangssignal). UR = U U = 5V 1,05V = 3,95V Esat max Nun berechnen wie den asisvorwiderstand R R UR 3,95V = = 2,361kΩ I 1,667mA ü 3.2 Lastwiderstand R C (hier R1 und R2) Die Spannung am R C berechnen wir so (U beträgt 5V): URC = U UCEsat = 5V 0.2V = 4,8V min Nun können wir den Lastwiderstand berechnen: URC 4,8V RC= = = 48Ω I 100mA C 3.3 Kapazität des Kondensators C1 In die in Kapitel 2.4 erwähnte Formel setzten wir unsere Werte ein und erhalten den Wert des Kondensators: t t H H = ln(2) R = ln(2) R 2 th C1= ln(2) R 2 C 1 C 1 10µ s = ln(2) 2,361kΩ 6,11nF Seite 13 von 19

14 3.4 Ergebnis Dadurch ergibt sich folgendes Schaltbild: 1 R1 48Ω R kΩ R2 48Ω C1 R nF 2.361kΩ V1 5 V U1 5 4 U2 C237P C237P R kΩ 0 6 Abbildung 8: neues Schaltbild Hinweis: Wir haben mit einem C237 gerechnet, in Multisim existiert nur ein C237P mit komplett anderen Daten, somit ist eine Simulation nicht möglich. Seite 14 von 19

15 4 Kippstufen allgemein 4.1 Verschiedene Arten 4 ei Kippstufen unterscheidet man folgende Arten: istabiles Verhalten (Flipflop): 5 ei einem bistabilen Verhalten können zwei stabile Zustände eingenommen und gespeichert werden. Zusätzlich kann ein Flipflop eine Datenmenge von einem it über längere Zeit speichern und ist daher fundamentaler estandteil vieler elektronischer Schaltungen. Monostabiles Verhalten (Monoflop) 6 Ein Monostabiles Verhalten kann nur einen stabilen Zustand annehmen. Von außen angesteuert kann es für kurze, bestimmte Zeit einen anderen Zustand annehmen, fällt aber nach dieser Zeit wieder in den Ruhezustand. Astabiles Verhalten (Multivibrator) 7 Ein astabiles Verhalten kann sich in zwei Zuständen befinden und zwischen diesen selbstständig oder von außen gesteuert hin und her schalten Seite 15 von 19

16 4.2 Anwendungen von Kippstufen Flipflops in der Digitalelektronik 8 Flipflops finden in der Digitalelektronik eine große Anwendung, da sie unter anderem als 1-it-Speicher betrachtet werden können. So werden sie beispielsweise in Mikroprozessoren und Speicherzellen von statischem RAM eingesetzt. Oft werden sie auch in Zählschaltungen als Frequenzteiler eingesetzt. Auch in Quarzuhren werden sie angewendet. Dort gibt eine Kette von 15 Flipflops den Sekundenimpuls Monoflops - Signaldauer Da ein Monoflop bei einem Impuls ein dimensionierbares Ausgangssignal liefert, können diese auch als eine Art Zeitschaltuhr verwendet werden. eispielsweise in einem Treppenhaus 9. Die eleuchtung soll nach einem Impuls durch den Schalter nach einer gewissen Zeit wieder automatisch ausgehen. Dimensioniert man nun einen Monoflop so, dass das t H (Haltezeit) so lange anhält, wie die eleuchtung an sein soll, so ist die Monostabile Kippstufe eine ideale Zeitschaltuhr. Auch in Impulsgeneratoren 10 findet die Monostabile Kippstufe Einsatz. Impulsgeneratoren liefern einmalig oder wiederholt für kurze Zeiträume elektrische Leistung. Ein Monoflop liefert durch seine Dimensionierung die Länge dieser elektrischen Leistungen Seite 16 von 19

17 4.2.3 Multivibrator linkgenerator/ Tongenerator 11 Ein Multivibrator kann zwischen zwei Zuständen selbständig oder von außen angesteuert wechseln. Somit kann er ein Signal erzeugen, dass immer zwischen zwei Zuständen hin und her springt. Genau dieses Verhalten ist bei einem Tongenerator oder linkgenerator erwünscht, da diese beispielsweise ein Lämpchen zum blinken (durch ständigen Signalwechsel) oder eine Frequenz, die sich ständig wiederholt erzeugen müssen Seite 17 von 19

18 5 Quellenverzeichnis 5.1 Grafiken Seite Abbildung 1: einfache Kondensatorschaltung... 4 Multisim Abbildung 2: Auf- und Entladevorgang an einem Kondensator Abbildung 3: einfache Transistorschaltung... 6 Multisim Abbildung 4: Versuchsaufbau... 8 Multisim Abbildung 5: Impulsdiagramm... 9 Multisim Abbildung 6: Messung des Impulses... 9 Multisim Abbildung 7: Datenblatt C Screenshot aus Abbildung 8: neues Schaltbild...14 Multisim Seite 18 von 19

19 5.2 Quellen Seite 1 Grundlagen Kondensator Analyse der Monostabilen Kippstufe erechnen der Impulsdauer Kippstufen allgemein Verschiedene Arten Anwendungen von Kippstufen onik Seite 19 von 19