Praktikum. Schaltungstechnik 1

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1 Praktikum Schaltungstechnik 1 Versuch A Timerbaustein NE555 Gruppe 1 Team 10 Christian Kaiser Anton Ludwik Versuchsdurchführung am Blattzahl (inkl. Deckblatt): 12

2 1. Versuchsvorbereitung Inhaltsverzeichnis 1.1 Datenblatt 1.2 Pinbelegung 1.3 Blockschaltbild des NE Astabiler Multivibrator 1.5 Multivibrator aus zwei Transistoren 1.6 Monoflop 1.7 NE555 im monostabilen Betrieb 2. Versuchsdurchführung 2.2 Monoflop Versuchsaufbau RC-Kombination Messung des Ausgangssignals bei bei Variation der Generatorfrequenz Messung bei Erhöhung des Widerstands R A Messung bei Erhöhung der Kondensatorkapazität C 2.2 Astabile Kippstufe Versuchsaufbau Messung der Zeiten Verlauf der Ausgangs- und Kondensatorspannung Ausgangsspannung Kondensatorspannung Ersetzen des Widerstandes R B durch ein Potentiometer 3. Versuchsauswertung 3.1 Periodendauer 3.2 Kondensator- und Widerstandswerte der Monoflopschaltung 3.3 Tastverhältnis der Multivibratorschaltung

3 1. Versuchsvorbereitung 1.1 Datenblatt Zu finden unter der URL Pinbelegung Aus dem Datenblatt ergibt sich folgende Pinbelegung: Pin Masse 1 7 Trigger Ausgang Reset Kontrollspannung Schaltschwelle Entladung U B 8 14 Die zulässigen Grenzen der Versorgungsspannung U B können ebenfalls daraus erschlossen werden. Diese darf zwischen 4,5 V und 16 V betragen und wird an den Pins +U B und Masse angeschlossen.

4 1.3 Blockschaltbild des NE555 Abbildung 1: Das Blockschaltbild des NE Astabiler Multivibrator Im astabilen Betrieb als Mutivibrator, auch free-run mode genannt, bewirkt ein kurzer negativer oder positiver (je nach Aufbau der Schaltung) Spannungsimpuls oder ein kurzer Tastendruck, der den Eingang kurzzeitig an GND bzw. +U b legt, am Ausgang der Schaltung einen positiven Rechteckimpuls vorgegebener Dauer. Abbildung 2: free-run-mode- Beschaltung Die Schaltung läßt sich z.b. als Impulsbreitenerzeuger verwenden, der aus einer Folge von unterschiedlichen Nadelimpulsen Rechteckimpulse erzeugt. Sie ist brauchbar, z. B. um durch einen kurzen Tastendruck ein Relais für bestimmte Zeit einzuschalten. Ferner läßt sie sich verwenden, um eine um die Dauer des Rechteckimpules verzögerte Aktion auszulösen. Indem man Pin 2 mit Pin 6 verbindet, erhält man durch Selbst-Triggerung einen astabilen Multivibrator (AMV). Die Pulsdauer (Zeitdauer der Aufladung von C1) am Ausgang beträgt t 1 =0,69 R1 R2 C1, die Pausendauer (Zeitdauer der Entladung von C1 über Pin 7) beträgt t 2 =0,69 R2 C1. In dieser Grundschaltung ist also t1 immer größer als t2. Die Frequenz des AMV ist

5 f = 1 1,44 = t 1 t 2 R1 2 R2 C1 Quelle: kreatives-chaos.com 1.5 Multivibrator aus zwei Transistoren Abbildung 3: Multivibrator aus zwei Transistoren Die Schaltung in Abbildung 2 besteht im Prinzip aus einem zweistufigen kapazitiv (über Kondensator C1) gekoppelten Verstärker, dessen Ausgangssignal galvanisch (über Widerstand R4) zurückgekoppelt wird. Funktionsbeschreibung. Im Ruhezustand ist der Transistor T2 leitend, da er Basisstrom über R1 erhält. T1 ist gesperrt, da dessen Basis nahezu GND- Potential hat. Der Kondensator C1 ist über R2 und die BE (Basis Emitter)-Strecke von T2 aufgeladen. Ein kurzer negativer Spannungssprung am Eingang EIN (also an der Basis von T2) sperrt T2, wobei T1 über R4 Basisspannung erhält und leitend wird. C1 wird nun über R1, die CE (Collector Emitter)-Strecke von T1 umgeladen, bis die Spannung an der Basis von T2 soweit angestiegen ist, daß T2 wieder leitet, demzufolge T1 über R4 gesperrt wird, die Schaltung also in den Ruhezustand zurückkehrt. Am Ausgang der Schaltung (Collektor von T2) erscheint ein positiver Rechteckimpuls, dessen Dauer proportional zum Produkt R1 C1 ist und am einfachsten durch Ändern der Größe von C1 geändert werden kann. Am Collektor von T1 kann ein entsprechender negativer Impuls abgegriffen werden. Der Auslöseimpuls am Eingang der Schaltung muß immer kürzer als der Ausgangsimpuls sein. Quelle: Monoflop Eine monostabile Kippstufe, auch Monoflop oder Univibrator genannt ist eine elektronische oder elektromechanische Schaltung, die nur einen stabilen Zustand hat. Durch einen äußeren Impuls (Trigger) angesteuert, ändert die Schaltung für eine festgelegte Zeit ihren Schaltzustand, bis sie wieder von selbst in die Ruhelage zurückkehrt. Die Schaltung gibt dieses Zustandssignal an nachfolgende Baugruppen weiter und steuert diese damit. Man unterscheidet zwischen nachtriggerbaren und nicht nachtriggerbaren Monoflops. Nachtriggerbar bedeutet hier, dass ein erneutes 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. Die Funktion eines Monoflops ist zum Beispiel in einem Treppenhauslicht realisiert, bei dem es gilt, auf Knopfdruck das Licht für eine bestimmte Zeitspanne einzuschalten. In diesem Anwendungsfall ist ein nachtriggerbares Monoflop sinnvoll, da hierdurch die

6 Lichtphase durch erneutes Drücken verlängert werden kann Quelle: Wikipedia 1.7 NE555 im monostabilen Betrieb Der Timer 555 läßt sich auch vorteilhaft zur Erzeugung von Einzelimpulsen verwenden. Man kann die Schaltzeiten von einigen µs bis hin zu einigen Minuten realisieren. Wenn das Kondensatorpotential die obere Umschaltschwelle überschreitet, wird das Flip- Flop zurückgesetzt, d.h. die Ausgangsspannung geht in den L-Zustand. Der Transistor T wird leitend und entlädt den Kondensator. Da der untere Komparator nicht am Kondensator angeschlossen ist, bleibt dieser Zustand erhalten, bis das Flip-Flop durch einen L-Impuls am Trigger-Eingang 2 gesetzt wird. Die Einschaltdauer ist gleich der Zeit, die das Kondensatorpotential benötigt, um von Null auf die obere Umschaltschwelle 2 3 V + anzusteigen. Sie beträgt: t 1 =R 1 C ln 3 1,1R 1 C Quelle: U.Tietze & Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik

7 2. Versuchsdurchführung 2.1 Monoflop Versuchsaufbau Die Schaltung aus Abbildung 4 wird auf der Steckplatine aufgebaut und verdrahtet. Der Widerstand R A beträgt 1 kω, die Kapazität des Kondensators C ist 100 nf. Die Versorgungsspannung U V des ICs wird auf 10 V eingestellt. Am Triggereingang wird eine Rechteckspannung von 5 Volt mit variabler Frequenz angelegt, die von einem Funktionsgenerator zur Verfügung gestellt wird. Der Offsetanteil beträgt 2,5 V RC-Kombination Abbildung 4: Monoflop mit dem NE555 Durch den internen Spannungsteiler des ICs werden die Umschaltschwellen auf die Werte 1 3 V + 2 bzw. 3 V + festgelegt. Mit Hilfe des Control-Anschlußes (PIN 5) kann dieser in gewissen Grenzen variiert werden. Überschreitet das Kondensatorpotential die obere Umschaltschwelle, geht die Ausgangsspannung des internen Flipflops in den L-Zustand und der interne Transistor beginnt zu leiten und über den Kondensator wird R entladen Messung des Ausgangssignals bei bei Variation der Generatorfrequenz Es werden vier Messungen des Ausgangssignals U out durchgeführt, bei denen schrittweise die Generatorfrequenz f Gen verändert und die Auswirkungen auf die Zeitdauern t High und t Low beobachtet wird. Man erhält folgende Meßtabelle: f gen in khz 0, t High in µs t low in µs nicht meßbar

8 Bei einer niedrigen Frequenz schaltet der Timer-Baustein erst nach 10 ms auf High. Erhöht man diese Frequenz um den Faktor 10, so verkürzt sich t Low immer weiter, bis schließlich bei einer Frequenz von 10kHz kein Schaltvorgang mehr registriert werden kann. Dies liegt daran, daß nun die Periodendauer T kleiner als die Haltedauer t High ist. Diese bleibt im unteren Frequenzspektrum weitgehend konstant. Des weiteren ergibt sich folgendes Bild der Ausgangsspannung, deren Amplitude über den gesamten Frequenzbereich unverändert bleibt: Abbildung 5: Ausgabe am Oszilloskop bei f Gen = 100 Hz Messung bei Erhöhung des Widerstands R A Wird der Widerstand R A der Schaltung von 1 kω auf 10 kω erhöht, so ergeben sich folgende Werte für die Messung bei 100 Hz und 5 khz: f gen in khz 0,1 5 t High in µs t low in µs Mit der Verzehnfachung des Widerstandswertes konnte auch eine Verzehnfachung von t High festgestellt werden. Die Zeitdauer t Low sinkt um etwa 16% Messung bei Erhöhung der Kondensatorkapazität C Nun wird wieder der Widerstand von 1 kω aus verwendet, jedoch die Kondensatorkapazität auf C=1µF erhöht. Gemessen wird nur das Ausgangssignal bei einer Generatorfrequenz von 100 Hz. Man erhält folgende Meßwerte:

9 f gen in khz 0,1 t High in µs 1200 t low in µs 8600 Die Verzehnfachung der Kapazität hat auch eine Verzehnfachung von t High zur Folge und einen Abfall bei t Low, von etwa 14%, was hier im Rahmen der Meßgenauigkeit nachvollzogen werden konnte. 2.2 Astabile Multivibrator Versuchsaufbau Abbildung 6: astabiler Mulitivibrator mit dem NE555 Die Schaltung aus Abbildung 6 wird auf der Steckplatine aufgebaut und verdrahtet. Der Widerstand R A beträgt 1 kω, R B = 8,2 kω; die Kapazität des Kondensators C ist 100 nf. Die Versorgungsspannung U V des ICs bleibt bei 10 V eingestellt. Im Gegensatz zum vorherigen Versuch kommt keine externe Triggerspannung zum Einsatz. Die Schaltungsvariation erfolgt nur über die Bauteile Messung der Zeiten Im ersten Schritt der Messung werden wieder t High und t Low gemessen und daraus die Periodendauer ermittelt. Des weiteren werden Frequenz und Tastverhältnis ( duty cycle ) des Ausgangssignals bestimmt. Es ergeben sich folgende Meßwerte: t High in µs 645 t Low in µs 590

10 Für die Periodendauer T ergibt sich somit: T =t High t Low =645 µs 590 µs=1235 µs Die Frequenz f ergibt sich als Kehrwert und der duty cycle D als Verhältnis von t Low zu T: f = 1 T = 1 =809,7 Hz 1235 µs D= t Low T =590 µs 1235 µs =0, Verlauf der Ausgangs- und Kondensatorspannung Ausgangsspannung Für die Ausgangsspannung zeichnet sich folgendes Bild ab: Abbildung 7: Ausgangsspannung U out (t) des astabilen Mulitivibrator mit dem NE Kondensatorspannung Für die Kondensatorspannung erhält man folgendes Bild am Oszilloskop:

11 Abbildung 8: Kondensatorspannung U c(t) des astabilen Mulitivibrator mit dem NE Ersetzen des Widerstandes R B durch ein Potentiometer Im nächsten Schritt wird der Widerstand R B durch ein verstellbares 10kΩ-Potentiometer ersetzt. An vier verschiedenen Einstellungen werden die Zeitdauern ermittelt. R in Ω 0, t High in µs t low in µs Für den maximal Ausschlag der Potentiometers wurde der Ansicht nach ein falscher Wert gemessen, da das Multimeter etwa 1,7 kω anzeigte. Bei dieser Potentiometerstellung konnten auf dem Oszilloskop keine Zeitdauern mehr ermittelt werden.

12 3. Versuchsauswertung 3.1 Periodendauer Die Zeit t High wird vor allem durch die Widerstände und Kondensatoren in der Schaltung bestimmt, die Periodendauer is durch die Triggerfrequenz festgelegt und die Zeit t Low kann aus beiden berechnet werden. T =t High t Low 3.2 Kondensator- und Widerstandswerte der Monoflopschaltung Aus 1.7 ergibt sich für eine Einschaltverzögerung von 2s und einem festen Widerstand von 100 kω: t 1 =ln3 C R C= t 1 ln3 R C=18uF 3.3 Tastverhältnis der Multivibratorschaltung Durch das Verändern des Widerstandes R B erhält man verschiedene Werte für t High bzw. t Low, die Abtastzeit hängt mit der Periodendauer zusammen, diese beträgt bei 0,5 Ω 5585 µs bei 1 kω 230 µs und bei 2 kω 500µs. Bei einer niedrigen Frequenz schaltet der Timer-Baustein erst nach 10 ms auf High. Erhöht man diese Frequenz um den Faktor 10, so verkürzt sich t Low immer weiter, bis schließlich bei einer Frequenz von 10 khz kein Schaltvorgang mehr registriert werden kann. Dies liegt daran, daß nun die Periodendauer T kleiner als die Haltedauer t High ist. Diese bleibt im unteren Frequenzspektrum weitgehend konstant.