Interessante Messungen/ Astabiler Multivibrator

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Transistor Multivibrator.svg

Die astabile Kippstufe, aufgebaut aus zwei Transistoren, zwei Kondensatoren und einigen passiven Bauteilen, ist wohl der Klassiker, der in keinem Elektronikbausatz fehlt.

Es gibt Elektronikausbilder die der Meinung sind, man müsse den astabilen Multivibrator verstehen. Aus meiner Sicht ist diese Ära aber definitiv vorbei, heute werden bevorzugt integrierte Schaltkreise eingesetzt.

Aus meiner Sicht sieht die Anforderung heute so aus:
  • einmal im Leben eine astabile Kippstufe mit Leuchtdioden aufgebaut (-> Blinklicht)
  • einige Messungen an einer astabilen Kippstufe durchgeführt

Es entfällt also u.a.:

  • Berechnen der Schaltung (dafür gibt es Formelbücher bzw. das Internet)
  • Verstehen der Funktion (es gibt viele Leute die meinen, die Funktion zu verstehen, sie aber letztlich nicht einem anderen erklären können)

Berechnung[Bearbeiten]

Schaltfrequenz des astabilen Multivibrators[Bearbeiten]

Die Schaltfrequenz eines astabilen Multivibrators berechnet sich wie folgt:[1]

dabei gilt

  • f ist die Frequenz (in Hertz)
  • R2 und R3 sind Widerstandswerte (in Ohm)
  • C1 und C2 sind Kapazitätswerte (in Farad)
  • T ist die Periodendauer (in diesem Fall die Summe der beiden Phasendauern; in Sekunden)

Simulation[Bearbeiten]

Die astabile Kippstufe ist etwas heikel zu simulieren, insbesondere wenn R2 und R3 genau gleich sind. Deshalb (und um die Kurven besser unterscheiden zu können) sind in dieser Simulation R2 und R3 bewusst unterschiedlich gewählt. Ebenfalls braucht die Schaltung allenfalls etwas Zeit, um sich einzuschwingen.

Beschreibung Schema
Wir gehen von dieser Schaltung aus: Astabil Kippstufe Messung 003.PNG
Nun wollen wir alle (relevanten) Spannungen messen: Astabil Kippstufe Messung 002.PNG
Astabil Kippstufe Messung 004.PNG

Messung[Bearbeiten]

Hier ist das Schema, mit dem wir arbeiten werden: Astabil Kippstufe Messung mit Oszi.PNG

Zu beachten: Die Masse des Oszilloskops muss galvanisch getrennt sein von der Speisung der Schaltung. Wir setzen bewusst ein Zweikanal-Oszilloskop ein. Die Masse der beiden Kanäle sind bewusst miteinander verbunden (das ist bei den meisten Laboroszilloskopen so).

Beim Messen müssen wir uns immer überlegen, wie wir den zeitlichen Bezug zwischen den einzelnen Messungen herstellen können: Um ein weiteres Signal in unser Diagramm einzeichnen zu können, brauchen wir immer ein bekanntes Signal, um den zeitlichen Bezug herzustellen.

Mit einem Einkanal-Oszilloskops ließen sich zwar die einzelnen Kurven aufnehmen, aber die Kurven hätten keinen Bezug zu einander.

Die ersten vier Kurven sind einfach:

Wir verbinden Kanal 1 mit UCE2 und Kanal 2 nacheinander mit UBE2, UBE1 und UCE1

Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE2 UBE2.PNG
Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE2 UCE1.PNG
Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE2 UBE1.PNG
Nun wollen wir UC1 messen, was aber nicht ohne weiteres geht. Als erstes hängen wir die Masse des Oszilloskops an den Kollektor von T1: Astabil Kippstufe Messung mit Oszi GND an Kollektor T1.PNG
Nun verbinden wir CH1 mit Masse und CH2 mit dem Kondensator C2. Zu Beachten: Wir müssen CH1 invertieren. Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE1 UC1.PNG
Nun verbinden wir CH2 mit der Versorgungsspannung und messen so UR1: Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE1 UR1.PNG
Nun trennen wir das Oszilloskop von der Schaltung und wiederholen die Schritte von vorhin. Wir verbinden also die Masse des Oszilloskops mit dem Emiter von T2. Astabil Kippstufe Messung mit Oszi GND an Kollektor T2.PNG
CH1 invertieren wir und verbinden in mit der Masse der Schaltung. CH2 verbinden wir mit C2: Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE2 UC2.PNG
Danach verbinden wir CH2 mit der Versorgungsspannung: Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UCE2 UR4.PNG

Astabil Kippstufe Messung mit Oszi UR4 UC2.PNG

Astabil Kippstufe Messung 001.svg
Astabil Messung 001.png


Herleitung der Formel[Bearbeiten]

Hier nochmal das Schema mit dem wir arbeiten werden: Astabil Kippstufe Messung 005.PNG

Beschreibung Illustration
Für die Funktion der Schaltung am wichtigsten ist der Spannungsverlauf an der Basis-Emiter Strecke. Da wir an UBE1 die grössere Zeitkonstante haben, betrachten wir UBE1. Um das ganze überschaubarer zu machen, definieren wir zwei Zeitpunkte: Astabil Kippstufe Messung 001 t1.svg
t1 der Kondensator C2 beginnt zu laden

t2 der Transistor T1 ist im "on" Zustand

Nun müssen wir raus finden, in welchem Zustand die Schaltung im Zeitpunkt t1 ist: Astabil Kippstufe Messung 003 t1.PNG
Nun wenden wir uns UBE zu: Astabil Kippstufe Messung UBE1 gemessen.svg

Astabil Kippstufe Messung UBE1 simuliert.PNG

In der Simulation kann man die Exponantial Funktion erahnen. Das Messprotokoll ist dafür aber zu ungenau.
Es ist etwas schwierig zu sehen, aber: Der Kondensator C2 ist mit -4.3V (-(U0-UBE)) geladen und soll nun auf 5V (+U0) geladen werden. Astabil Kippstufe Messung 003 t1 laden.PNG
sobald aber der Kondensator C2 0.7V erreicht (also UBE) schaltet der Transistor T1. Astabil Kippstufe UBE1 Interpoliert.svg
In der Grafik ist die X-Achse bewusst massiv gestaucht
In dem wir UBE vernachlässigen, können wir sagen, dass C2 im Zeitpunkt t1 mit -U0 geladen ist und dann mit +U0 geladen wird. Sobald der Kondensator aber 0V erreicht, schaltet der Transistor T1.
Wir wollen das nun mathematisch modellieren.

Kondensator laden[Bearbeiten]

Beschreibung Funktion Graph
Allgemein gilt: Kondensator Laden 0V nach 1V.png
Nun müssen wir aber zwei Dinge anpassen: Wir haben als Spannungsdifferenz und wir beginnen bei Kondensator Laden -1V nach 1V.PNG
Nun interessieren wir uns der Zeitpunkt in dem Transistor einschaltet. Da wir UBE vernachlässigen, ist das bei 0V: Kondensator Laden -1V nach 1V Markiert 0V.PNG
Wir setzen also UC=0 und lösen nach t auf:
Gleichung Schritt
Resultat
Nun für den Transistor T1:
Nun für den Transistor T2:
Für die Schaltung als ganzes:
Gleichung Schritt
Einsetzen
Resultat

Quellen[Bearbeiten]

  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Astabiler_Multivibrator#Astabile_Kippstufe_in_Analogtechnik