Rechteckgenerator (astabiler Multivibrator) mit zwei Transistoren Drucken E-Mail
Freitag, den 06. März 2015 um 11:41 Uhr

Rechteckgenerator (astabiler Multivibrator, astabile Kippstufe) mit zwei Transistoren

Diese Grundschaltung wird auch astabile Kippstufe oder astabiler Multivibrator genannt und erzeugt am Ausgang eine periodische Rechteckspannung. Dabei springt diese Spannung zwischen der Speisespannung Ubb und der Sättigungsspannung von T2 (etwa 0.1 Volt) ständig hin  und her.


Rechteckgenerator mit zwei Transistoren und das Ausgangssignal.

Funktionsweise: Die Schaltung kann man sich auch als zwei durch Koppelkondensatoren verbundene Emitter-schaltungen vorstellen, wobei der Ausgang mit dem Eingang verbunden ist. Dadurch entsteht eine Mitkopplung, denn steigt die Spannung an der Basis von T1, fällt die Spannung am Kollektor von T1 und somit an der  Basis von T2. Damit steigt auch die Kollektorspannung von T2 und die Basisspannung von T1. Der Kreis schließt sich. Das Ansteigen der Spannung geschieht aufgrund der Mitkopplung schlagartig bis am Kollektor von T2 die Speisespannung erreicht wurde. T2 ist dann gesperrt und T1 ist offen.


Rechteckgenerator umgezeichnet. Er besteht aus zwei Emitterschaltungen, die durch Koppelkondensatoren verbunden sind, wobei auch der Ausgang mit dem Eingang verbunden ist.

Von Dauer ist dieser Zustand jedoch nicht: An der Basis von T2 steigt die Spannung allmählich an, weil C2 über Rb2 und dem leitenden (offenen) T1 aufgeladen wird.

Während dieses Ladevorgangs fließt zunächst kein Strom in die Basis von T2 hinein (negative Spannung an der Basis-Emitter-Strecke). T2 bleibt weiterhin gesperrt und T1 bleibt offen. Am Ausgang herrscht konstant +Ubb.

Doch nach einer gewissen Zeit hat sich C2 soweit aufgeladen, dass an der Basis von T2 die Schwellenspannung von 0.7 Volt anliegt. T2 wird leitend, und der Kippvorgang setzt schlagartig ein. C2 kann sich jetzt nicht mehr weiter aufladen, da durch die Schwellenspannung die Basisspannung von T2 konstant auf 0.7 Volt gehalten wird.

Da T2 nun schlagartig durchschaltet, wird C1, der andere Kondensator, folgendermaßen umgeladen:

1. Kurz vor dem Öffnen von T2 liegen an den Elektroden von C1 die Speisespannung und 0.7 Volt an. Da eine Spannungsdifferenz  zwischen den Elektroden anliegt, ist der Kondensator geladen. Wir können uns deshalb den Kondensator C1 für diesen Moment wie eine Batterie mit Plus- und Minuspol vorstellen. Die Spannung dieser "Batterie" ist Ubb - 0.7 Volt.

2. T2 geöffnet: Die Spannung am Kollektor von T2 springt schlagartig von + Ubb auf 0.1 Volt. Die Folge: Der Pluspol unserer "Batterie" (damit ist C1 gemeint) liegt jetzt nicht mehr auf dem Potential der Speisespannung, sondern auf 0.1 Volt. Da die Spannungsdifferenz an der "Batterie" (an C1) für ein kurzen Moment erhalten bleibt, liegt die Basis von T1 jetzt auf negativem Potential (etwa -Ubb), ganz genau auf 0.1 V-(Ubb-0.7 V). Durch dieses Umschalten ist T1 jetzt natürlich gesperrt (neg. Spannung an der Basis von T1).


Simulation des Rechteckgenerators.


Oben die Spannungen am linken Transistor, unten am rechten. Kollektorspannungen sind blau, Basisspannungen sind rot.


Spannungsverlauf über den Kondensatoren, blau der linke Kondensator, rot der rechte.

Anmerkung: Die negativen Spannungsspitzen an der Basis von T1 und T2 können bei Speisespannungen über 5 Volt zur Zerstörung der Transistoren führen. Deshalb sollte man in die Basiszuleitungen Schutzdioden einfügen.


Schutzdioden bei hohen Betriebsspannungen.

Was nun mit C1 passiert, kennen wir bereits vom Umladevorgang des C2: C1 wird über Rb1 und T2 umgeladen bis an der Basis von T1 wieder 0.7 Volt anliegen. Die Zeit für diesen Vorgang entspricht der Impulspausendauer tp.

Wenn T2 wieder sperrt, steigt die Ausgangsspannung nicht in idealer Weise schlagartig an. Die Anstiegsflanke ist etwas verrundet, weil kurzzeitig über Rc2 ein Ladestrom für C1 fließen muss. Damit die Anstiegszeit kurz wird, sollte Rc2 möglichst klein im Vergleich zu Rb1 gewählt werden. Dann kann sich C1 schnell aufladen.


Berechnungs- und Lernprogramm aus "E1 - Das interaktive Lernprogramm". Der darin enthaltene interaktive Text erklärt das wechselseitige Umladen der Koppelkondensatoren.

Berechnung: (R in kOhm, I in mA, U in Volt)

1. Festlegen des Kollektorstroms Ic1, Ic2

Zuerst müssen wir den Kollektorstrom Ic festlegen, welcher bei geöffnetem (leitendem, durchgeschaltetem Transistor) fließen soll. Ic sollte zwischen 1 und 10 mA liegen. Je höher Ic, desto niedriger der Ausgangswiderstand der Schaltung.

2. Berechnung von Rc1, Rc2 Ic fließt durch Rc und an Rc  fällt die Speisespannung Ubb minus der Sättigungsspannung Ucesat (0.1 Volt) ab.

                                              Rc = (Ubb - 0.1 Volt) / Ic

Rc entspricht in etwa auch dem Ausgangswiderstand Raus der Schaltung.

3. Berechnung von Rb1, Rb2 Die Basiswiderstände müssen so klein sein, dass die Transistoren sicher durchschalten. Wenn der Transistor durchschaltet, fallen am Basiswiderstand Ubb-0.7 Volt ab. Genau  wie beim Schalttransistor kann man nun den Strom Ib durch den Basiswiderstand Rb festlegen:

                                                       Ib= (Ic • ü) / ß

(ß ist der min Stromverstärkungsfaktor, ü ist der Übersteuerungsfaktor, der zwischen 2 und 10 liegen sollte.)

Anmerkung: Wenn der Transistor durchgeschaltet ist, fließt wirklich nur der Basisstrom durch Rb, da in den Koppelkondensator kein Strom mehr hineinfließt.

Rb berechnet sich dann wie folgt:

                                                     URb            Ubb - 0.7 Volt

                                         Rb  =  ———    =   ———————

                                                      IRb                (Ic • ü) / ß

4. Berechnung der Impulsdauer ti

                                                       ti = 0.7 • Rb2 • C2

5. Berechnung der Impulspausendauer tp

                                                       tp = 0.7 • Rb1 • C1

(tp,ti in msec,  Rb1, Rb2  in kOhm C2, C3  in µF)

Zuletzt aktualisiert am Sonntag, den 08. März 2015 um 08:15 Uhr
 
3. Februar 2017

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