Elektronik Experimente

Die Astabile Kippstufe ist eine elektronische Schaltung, welche keinen stabilen Zustand aufweist. Die beiden in der Schaltung verwendeten Transistoren schalten sich dabei nach dem Anlegen der Betriebsspannung, selbstständig und ohne äußere Signale, kontinuierlich und gegenseitig vom leitenden in den gesperrten Zustand. Ebenso wie bei der Bistabilen Kippstufe erfolgt eine Rückkopplung über den Kollektor-Anschluß eines Transistors zur Basis des Anderen Transistors. Die Rückkopplung erfolgt allerdings über einen Kondensator. Solange einer der beiden Kondensatoren läd, erhält der rückgekoppelte Transistor eine positive Spannung und schaltet durch. Ist dieser Kondensator geladen, entläd sich dieser wieder über einen Widerstand, wodurch beim rückgekoppelten Transistor schlagartig eine negative Spannung anliegt und dieser sperrt. Das Schalten und Sperren des zweiten Transistor erfolgt auf die selbe Weise, nur in umgekehrter Reihenfolge. Frequenzbestimmend für das Kippen der Schaltung, beziehungsweise die Zeit des Aufleuchtens und Erlöschens der LED, sind u.a. die beiden Kondensatoren C1 und C2. Das folgende Experiment bezieht sich auf die Schaltung im Anleitungsbuch (Seite 71). Dabei kommen Elektrolyt-Kondensatoren mit den Werten 100 μF (C1) und 4,7 μF (C2) zum Einsatz. Die beiden Elektrolyt-Kondensatoren werden dabei mit dem Plus Pol in Richtung Kollektor des Transistors geschalten (siehe Bild). Die Blinkdauer und Blinkpause der LED kann durch die Größe der verwendeten Kondensatoren beeinflusst werden. Schaltet man parallel zu C1 einen weiteren Kondensator mit 100 μF und ersetzt C2 durch einen 10 μF Kondensator, so verdoppelt sich die Blinkdauer und Blinkpause. Die erzeugte Rechteckfrequenz der Schaltung wird dadurch kleiner. Das bedeutet, je größer die Kapazität, desto kleiner ist die Frequenz.

Die Blinkdauer lässt sich einfach berechnen. Mit der Zeitkonstante ( τ = Tau) wird die Dauer des Lade bzw. Entladevorganges eines Kondensators angegeben. Sie ist das Produkt aus Widerstand (R) und der Kapazität des Kondensators (C). Die Zeitkonstante aus unsere Schaltung errechnet sich am Beispiel des Kondensator C1 mit 100 μF, der über den Widerstand (R2) mit 10 kΩ beladen und entladen wird, nach folgender Formel:

τ = R   x   C      =      10 kΩ  x  100 μF  =  1000 ms (Millisekunden)

Die Zeitkonstante für die Astabile Kippstufe kann auch Online über die Webseite von Electronic Developer berechnet werden.

Hinweise zum Aufbau: Abweichend von der Beschreibung im Anleitungsbuch wurden zwei Transistoren des Typs BC 238 (weiß) verwendet und die Glühlampe durch eine Leuchtdiode (LED) ersetzt. Bei der Verwendung einer LED musst unbedingt den Widerstand R2 (47 Ω) durch einen Wert mit 470 Ω ersetzen werden. Der Aufbau erfolgte vorerst ohne Anschluß des Lautsprechers.

Töne erzeugen mit dem Multivibrator

Aufbauend auf die vorherige Schaltung wird dieser ein Lautsprecher hinzugefügt. Der Lautsprecher wird zwischen den Kollektor des Transistors (T2) und Minuspol (Masse) geschalten. Zusätzlich wird ein Kondensator (10 μF) zwischen Kollektor und Lautsprecher gekoppelt. Beide Elektrolyt-Kondensatoren (C1 und C2) werden durch Polyster-Kondensatoren mit den Werten 0,1 μF (C1) und 0,047 μF (C2) ersetzt.

Wird diese Schaltung nun an die Betriebsspannung angelegt, ertönt aus dem Lautsprecher ein hoher Ton. Die LED (oder auch Lampe) leuchtet in diesem Fall permanent, da die Frequenz der Schaltung, aufgrund der kleineren Werte der Kondensatoren, nun so hoch ist, dass ein Blinken mit dem blosen Auge nicht mehr wahrgenommen werden kann.

Ersetzt man den Widerstand R1 (47 kΩ) durch den 100 kΩ Widerstand, wird auch der hörbare Ton tiefer. Mit anderen Worten, je kleiner die Frequenz, desto tiefer auch der Ton. Somit wird die Frequenz nicht nur durch die Größe der Kondensatoren, sondern auch durch die Größe der Widerstände beeinflusst.

Hinweise zum Aufbau: Beim Lautsprecher Y15 (15 Ω) muss der Transformator (rot) zwischengeschaltet werden! (siehe Bild)

Blinklicht mit regelbarer Blinkgeschwindigkeit

Mit einem weiteren Bauelement, dem Potentiometer (regelbarer Widerstand), kann die Blinkgeschwindigkeit der Astabilen Kippstufe stufenlos eingestellt werden. Die Basis unseres Versuchsaufbau bildet die weiter oben gezeigte Grundschaltung (Blinklicht). Vorbereitend wird dabei der Kondensator C2 (4,7 μF) durch den 10 μF Kondensator ersetzt und das Potentiometer in Reihe mit R1 und R2 geschalten (siehe Schaltplan rechts). Nach Anlegen der Betriebsspannung kann durch Drehen am Potentiometer der Wert des Widerstandes und somit die Blinkdauer und Blinkpause verändert werden. Die hier gezeigte Schaltung weicht in Bezug auf die Verwendung des Potentiometers, von der im Anleitungsbuch gezeigten Schaltung ab (Vergleich 3.03 - Blinklicht mit regelbarer Blinkgeschwindigkeit).

Hinweise zum Aufbau: Im oberen Bild wird ein Trimmpoti mit 47 kΩ verwendet. Dieses liegt nicht dem Experimentierkasten EE2003 bei. Ohne weiteres kann ersatzweise auch das Potentiometer mit 10 kΩ verwenden werden.

Das Anwendungsgebiet der Astabilen Kippstufe ist vielfältig und beschränkt sich nicht nur auf das Erzeugen von Töne oder das Blinken von Leuchten. Sie wird häufig auch als Oszillator zur Erzeugung von Rechtecksignalen eingesetzt und kommt als Impulsgeber sowohl in analogen als auch digitalen Schaltungen zum Einsatz. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Steuern von Strömen wie z. B. in elektronischen Dimmschaltern (siehe auch Schaltung 3.16 - Helligkeitsregler).

Weitere Schaltungen mit Astabiler Kippstufe

Das Anleitungsbuch zum EE2003 beschreibt im Kapitel "Elektronische Geräte" einige Schaltungen die mit der Astabilen Kippstufe realisiert wurden. Dabei zeigen diese Schaltungen elektronische Geräte, die uns durchwegs im täglichen Leben begegnen können. Drei dieser Geräte sind im folgenden aufgelistet:

• 3.04 Regelbares Blitzlicht (Seite 104)
  Diese Schaltung kann auch als Warnleuchte im Straßenverkehr verwendet werden. Besonders an gefährlichen Stellen werden Blitzlichter im Dunkeln besser wahrgenommen. Durch das kurze Aufleuchten der Lampe ist der Stromverbrauch dieser Schaltungsvariante zudem geringer, was besonders für Batterie betriebene Geräten von Vorteil ist.
• 3.10 Richtungsanzeiger (Seite 116)
  Diese Schaltung simuliert den Fahrrichtungsanzeiger eines Auto. Beim Betätigen des Schalters blinkt die Kontrolllampe (ähnlich der Anzeige im Amaturenbrett) und es ist ein rythmisches Knacken aus dem Lautsprecher zu hören. Zusätzlich kann noch die Schaltgeschwindigkeit geregelt werden.
• 3.16 Helligkeitsregler (Seite 128)
  Mit dieser Schaltung kann die Helligkeit einer Lampe elektronisch geregelt werden. Dabei wird mit dem astabilen Multivibrator die Impulsbreite stufenlos gesteuert wodurch der Lampenstrom zu- oder abnimmt. Der Aufbau des Helligkeitsreglers ist unter Diverse Schaltungen zu finden.