Alle drei Baugruppen gehören zu den Standardbaugruppen der Elektronik werden in der Schule häufig angewendet und eignen sich für den Einstieg ins Fach

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1 Drei wichtige Baugruppen der Elektronik. Der Schmitt-Trigger Ein Schwellwertschalter 2. Das S Flipflop Ein Speicher 3. Der astabile Multivibrator Ein Generator Alle drei Baugruppen gehören zu den Standardbaugruppen der Elektronik werden in der Schule häufig angewendet und eignen sich für den Einstieg ins Fach TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator Schmitt - Trigger Schmitt - Trigger sind Schwellwertschalter. Sie wandeln stetig veränderliche Eingangsspannungen in zwei diskrete Ausgangsspannungswerte um. Wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, findet ein sprunghafter Wechsel zwischen beiden Ausgangsspannungszuständen statt. (Spannungsdiskriminator) Symbol Eingangssignal Ausgangssignal Übertragungskennlinie Ausschalten a e Einschalten : Eingangsspannung : Ausgangsspannung : ow-pegel von : igh-pegel von e : Einschaltspannung a : Ausschaltspannung ysteresisspannung u u ee u ea TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 2

2 Zeitverhalten des Schmitt-Triggers u e a t Schaltung A A : Arbeitswiderstand : Arbeitswiderstand 2 T E : Emitterwiderstand E Verkoppelt die beiden Transistoren TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 3 Wirkungsweise des Schmitt-Triggers I I C C A A I C2 A2 II B U BE u u BE ee u E T 2 U CE CE U BE2 BE2 I B2 I B2 EE U CE2 U CE2 a Wirkungsschema (Kausalkette) a e uhezustand: U e < U ee ; T sperrt, leitet; U a u BE<,7V I B min < e U a I C min U CEmax U BE2max I B2max I C2max U CE2min Einschalten: U e U ee ; T wird leitend, geht in den gesperrten Zustand über U a geht auf über. Für die Eingangsspannung gilt u E u BE,7V U BE e U a I B I C U CE U BE2 I B2 I C2 U CE2 u BE u E Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit E und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren. TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 4 2

3 A T E a e Übersteuern: > e ; T leitet, sperrt ; U e >e I B max I C SAT U CEmin I B2min U CE2max U a U BE2min I C2min Ausschalten: U e U ea ; T wird gesperrt, geht in den leitenden Zustand über U a geht auf über. U e <a I B I C U CE U BE2 I B2 I C2 U CE2 U BE U a <,7V u BE u E TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 5 Dimensionierung A T E A2 U I ( u U B A2 a CE 2SAT ; A B2 A2 ; E ua ) B 2 : Stromverstärkungsfaktor des 2. Transistors Praktisches Beispiel: A T A, : kω T, : BC 337 E : Ω E TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 6 3

4 S-Flipflop Ein Flipflop ist eine Speicherschaltung, die in der age ist, Bit zu speichern. Das bedeutet, dass sich diese Schaltung entweder eine oder eine merkt. Symbol: Funktion: S Vorgang S Setzen Speichern ücksetzen Speichern Setzen A T Die beiden Eingänge S und dürfen nicht gleichzeitig mit einer (-Pegel) belegt werden, weil beide Ausgänge eine (-Pegel) führen würden. Das ist nicht zulässig, weil und immer entgegengesetzt belegt sein müssen. S TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 7 Wirkungsweise des S-Flipflops S Vorgang A A A2 Setzen TT T 2 Speichern ücksetzen Speichern Setzen I B SS Setzen: S I Bmax I Cmax U CEmin Das ücksetzen erfolgt in analoger Weise! I B2min I C2min U CE2max Speichern: S I Bmax I Cmax U CEmin Was erfolgt, wenn an S und ein angelegt wird? I B2min I C2min U CE2max TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 8 4

5 Dimensionierung A K K2 T A : kω (Arbeitswiderstand) S : kω (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) K : 5kΩ (Koppelwiderstand zur Erhaltung des -Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder ücksetzen) S S2 Variante zur Anzeige eines Zustands mit EDs 9V Berechnung von A Betriebsspannung 9V Betriebswerte der ED: I F 2 ma; U F 2V 35 Ω 35 Ω 5 kω 5 kω U F 9V 2V 7V 3 V A,35 35Ω 3 I 2mA 2 A A F T kω kω TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 9 Astabiler Multivibrator Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen echteckspannungen bis zu einigen Mz erzeugt werden können. Symbol: 2 Schaltung: A b b2 A : Arbeitswiderstände b : Basiswiderstände C: Kondensatoren C ua2 b und C sowie b2 und sind die zeitbestimmenden Glieder. TEAM 26 - ein Zeitkonstante Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 5

6 Wirkungsweise A b b2 T Wenn der AMV schwingt, dann werden die Kondensatoren ständig umgeladen. Die Zeitkonstanten der beiden C Glieder bestimmt die Schaltzeiten der Transistoren und damit die Frequenz. C Jedes C-Glied bestimmt abwechselnd die Zeit τ der Pause und die Zeit τ p des Impulses. τ,69 B C τ P,69 B 2 C2 Für eine Periode gilt: Frequenz des AMV: T τ τ P f T τ τ f,69 P B C, 69 B 2 u C 2 τ p τ t TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. A b u b b2 T C u BE < Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!! Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T jetzt sperrt und jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator gerade noch entladen und C gerade noch geladen.. Vorgang: C entlädt sich mit i Ko über. Über b fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer ichtung T weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt. 2. Vorgang: war zuvor entladen und wird jetzt mit i Ko2 über A aufgeladen. Der adestrom von fließt in die Basis von und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch. Wirkungsschema: T sperrt, leitet; C noch geladen; noch entladen u b u BE < i B min i C min u CEmax i ko2 Dieser Vorgang dauert die Zeitkonstante τ und beginnt danach in -i ko der entgegen gesetzten ichtung i B2 max i C2 max u CE2min 2 TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 2 6

7 Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. A b u b2 b2 i B T u BE2 < C Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt. Wenn der Kondensator C umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über b in T zu fließen. T beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand. Der Kondensator entlädt sich mit I ko2 und erzeugt über b2 den hohen Spannungsabfall, der sperrt. Der AMV ist gekippt. u b2 3. Vorgang: entlädt sich mit i Ko2 über T. Über b2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall u b2 hält wegen seines großen Betrags in negativer ichtung während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt. 4. Vorgang: C war zuvor entladen und wird jetzt mit i Ko über aufgeladen. Der adestrom von C fließt in die Basis von T und hält diesen Transistor im leitenden Zustand. Wirkungsschema: T leitet, sperrt; noch geladen; C noch entladen i B max i C max u CEmin -i ko2 i ko konstante τ und beginnt danach in der entgegen gesetzten ichtung Dieser Vorgang dauert die Zeit- u BE2 < i B2 min i C2 min u CE2max usw., usf.. TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 3 Impulsdiagramm des AMV u CE2 < u BE2,7V A b b2 T u CE < C u BE,7V t TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 4 7

8 Berechnung des AMV A b b2 A kω B 24kΩ CnF T C V. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt A kω IC max ma f 2. Berechnung der Frequenz f T τ τ,69 P C,69 2(,69 B B2 C2 B C ) Nur bei gleichem Tastverhältnis! Beispiel: f 3 kz, C nf 6 2(,69 Ω B C) V 23, k B 2(,69 f C) As 42A ,69 3 s V TEAM 26 - ein Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 5 C-Glieder U I % U A 63% C V τ I t Das Produkt C ist ein Maßstab für die Aufladegeschwindigkeit und wird Zeitkonstante τ genannt. Sie gibt die Zeit an, die erforderlich ist, um einen Kondensator auf 63% seiner Endspannung aufzuladen. Beispiel: Zu berechnen ist die Zeitkonstante eines C-Gliedes mit kω und CnF. τ C 3 V τ kω nf A 6 τ s µ s TEAM 26 - ein 9 As V AMV Einführung in die Elektronik / Schmitt-Trigger, S-Flipflop, Astabiler Multivibrator 6 8