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Interessante Messungen/ Monostabile Kippstufe

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Übersicht

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Der Eingang ist der Impulsgenerator VG1 (Voltage Generator 1). VS1 (Voltage Source 1) ist die Spannungsversorgung. Das Voltmeter UCE2 (Kollektor-Emitterspannung von Tranistor 2) ist der Ausgang der Schaltung.

Blackbox Analyse

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Zuerst machen wir eine Blackbox Analyse der Schaltung. Das bedeutet konkret, dass wir die Schaltung simulieren. Dazu verwenden wir drei verschieden Lange Eingangsimpulse.
Wir sehen: Die Länge des Ausgangspulses ist unabhängig von der Länge des Eingangspulses.

White-Box Analyse

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Einschalten

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Schritt Beschreibung Schema
1 Wir gehen von diesem Schema aus:
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2 Als erstes zeichnen wir die Spannungen der beiden Quellen ein:
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Am Anfang liefert die Spannungsquelle VS1 5V und der Signalgenerator VG1 0V.


3 Die Spannung des Signalgenerators VG1 erscheint direkt an UBE1:
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Folglich wissen wir, dass der Transistor T1 gesperrt sein muss.


4 Nun kommen wir zum Kondensator C2: Da wir die Schaltung gerade erst eingeschaltet haben, muss er leer sein, also 0V haben.
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5 Der Kondensator beginnt nun, sich über R1 und die Basis-Emiter Strecke von T2 zu laden:
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6 Durch den Strom IR1 schaltet der Transistor T2 ein:
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7 Da IR1 relativ groß ist,[1] können wir davon ausgehen, dass der Transistor in Sättigung geht:
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8 Folglich fließt ein Strom IR4:
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9 Im Moment dominiert zwar IR1 den Basisstrom, aber wir dürfen IR2 nicht vernachlässigen:
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10 Nun beobachten wir, was passiert während sich C2 lädt:
Als Zeitabstand zwischen zwei Betrachtungen wählen wir jeweils ein Tau.

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14 Nach 5 Tau (R1 * C2) ist der Kondensator voll. Der Basisstrom für T2 kommt nun hauptsächlich von R2.
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15 Sobald der Kondensator ganz voll ist (tau mal Unendlich) fließt kein IR1 mehr, der Basisstrom von T2 ist nur noch IR2. Praktisch können wir das schon nach 5 Tau sagen.
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Schritt Beschreibung Schema

Triggern

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Schritt Beschreibung Schema
1 Wir beginnen mit der Funktionsbereiten Schaltung:
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2 Als Trigger Signal gibt VG1 ein 5V Signal:
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R3 wirkt nun als Vorwiderstand für Die Basis-Emiter Strecke von T1. UBE wird also 0.7V:


3 R3 wirkt nun als Vorwiderstand für die Basis-Emiter Strecke von T1. UBE wird also 0.7V:
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4 Da UBE nun 0.7V ist, geht der Transistor in Sättigung:
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5 Jetzt drehen wir erstmal den Spannungspfeil von C2 um und passen das Vorzeichen entsprechend an:
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Damit ist jetzt noch nichts passiert, aber das Vorzeichen ist für die nächsten Schritte günstiger.


6 Nun betrachten wir die Masche : UBE1 ist nun folglich -3.9V:
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7 Folglich schaltet der Transistor aus:
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8 IR4 fliesst nun nicht mehr durch die Kollektor Emitter Strecke von T2 sondern durch R5:
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9 Transistor 1 wird nun also durch R4+R5 mit einem Basis Strom versorgt. Folglich spielt es keine Rolle mehr, ob VG1 weiterhin 5V ist oder 0V:
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Auf den ersten Blick mag dies nun verwirrend und/oder unwichtig erscheinen, aber dies ist eine wesentliche Schaltungseigenschaft: Das Signal von VG1 wurde mitgekoppelt und T1 befindet sich nun in einer Art Selbsthaltung.


10 Nun zum Kondensator zurück: C2 lädt sich nun über R2:
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15 Sobald der Kondensator auf +0.2V geladen ist, sieht der Transistor +0.6V[2] und schaltet ein.
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16 Da wir nun 0.6V am Transistor T2 haben, schaltet er ein:
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17 IR4 fliesst nun durch T2:
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Nun kommt es darauf an, ob VG1 noch an ist oder nicht.


18 Annahme: VG1 ist an
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19 IR2 fliesst durch die Basis-Emiter Strecke von T2. T2 bleibt somit eingeschaltet. IR1 fliesst durch die Kollektor-Emiter Strecke von T1. UC2 ergibt sich durch den Maschensatz UBE2=UCE1+UC2
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Die Schaltung befindet sich in einem Stabilen Zustand, bis VG1 ausgeschaltet wird.


20 Annahme: VG1 ist aus
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21 Die Basis Emitter Strecke von T1 wird nun weder von VG1 durch R3 noch durch R4+R5 versorgt. Der Transistor schaltet also aus:
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22 IR1 und IR2 fliessen nun wieder durch die Basis Emiter Strecke von T2:
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23 Da IR1 fliesst, beginnt C2 sich zu laden. Da es wieder zweckmässiger ist, drehen wir den Spannungspfeil wieder um:
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24 C2 lädt sich nun wieder bis 4.3V. Wir sind wieder in der Ausgangsposition:
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Schritt Beschreibung Schema

Einschränkungen

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  • Die Schaltung braucht Zeit zum erholen
  • die Schaltung ist nicht retriggerbar
  • Der Kondensator sieht eine negative Spannung (etwa UBE)
  • Die Basis-Emiter Strecke sieht eine negative Spannung (etwa U0)

Anmerkungen

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  1. bezogen auf den Last Strom IR4 verursacht durch R4
  2. Normalerweise wird in diesem Buch 0.7V als Schaltspannung verwendet. Da die e-Funktion an dieser Stelle aber sehr steil ist, soll 0.6V an dieser Stelle zweckmässig sein