Lösungen zu zweistufigen Transistorschaltungen

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Aufgaben zu zweistufigen Transistorschaltungen
1. Erkläre warum die Flipflop-Schaltung zwei stabile Zustände hat. Gehe zunächst davon aus, dass die
LED 1 leuchtet, zeige, dass dieser Zustand erhalten bleibt.
2. Nun sei die LED 2 an, erkläre warum die Schaltung in diesem Zustand bleibt.
LED 2 leuchtet, also schaltet T2 durch. Der Kollektor von T2 liegt an Minus. Durch die
Rückkopplungsleitung 2 ist die Basis von T1 an Minus angeschlossen. T1 sperrt. Der Kollektor von T1 liegt
an Plus. Durch die Rückkopplungsleitung 1 ist die Basis von T2 an Plus angeschlossen. T2 schalet
weiterhin durcht.
3. Es ist nicht notwendig, dass die Rückkopplungswiderstände 10 kW betragen. Jemand benutzt
Widerstände von 2 kW und wundert sich, warum nun dauernd beide LEDs leuchten. Wie fließt der
Strom bei dem Fall, bei dem T2 durchschaltet und T1 sperrt ? (zeichne mit verschiedenen Farben ein.)
Der Strom fließt vom Pluspol Durch R1 und LED1. Danach verzweigt er sich. Ein Teil fließt durch den
Widerstand R5 und über die Basis von Transistor 2 zu Minus. Ein Teil über Kollektor und Emitter von T1
nach Minus. Wenn nun der Widerstand R5 zu klein ist, so reicht dieser Strom über die Basis von T2 aus,
um die LED zum Leuchten zu bringen auch wenn T1 sperrt.
4. Mit einer Lichtschranken-Schaltung soll ein FlipFlop so angesteuert werden, dass bei Verdunkelung
des LDR das FF gesetzt wird (LED 2 leuchtet) , ohne dass eine erneute Beleuchtung des LDR das
wieder rückgängig machen kann. Wie müssen die beiden Schaltungen verbunden werden.
Die Diode D1 sorgt dafür, dass nur das „Minus-Signal“ an die Basis von T1 gelegt wird. Das FF
kippt um (rote LED leuchtet) . Mit dem Taster S1 kann man das FF wieder zurücksetzen.
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5. Mit einem Flipflop soll ein Relais angesteuert werden. Wenn man das Relais einfach anstatt der LED
und dem Vorwiderstand schaltet, kann es sein, das das FF nicht mehr funktioniert. Wir benutzen
deshalb eine weitere Schaltstufe um das Relais zu schalten. Wie muss die Verbindung der beiden
Schaltungen sein ?
In der Regel reicht der Widerstand R7 (etwa zwischen 1kΩ und 10kΩ). Falls T3 bei einem zu
kleinen Widerstand R7 aber dauernd durchschaltet, benutzt man einen „pull down-Widerstand“,
so dass T3 sperrt, wenn T2 durchschaltet.
6. Jemand macht den Vorschlag, die
Verzögerungsschaltung, die wir bei
den einstufigen
Transistorschaltungen benutzt haben,
mit zwei Schaltstufen zu
kombinieren.
a) Versuche die Funktionsweise der
Schaltung zu erklären. Der
Taster S1 wird kurz geschlossen
und dann wieder losgelassen
(geöffnet). Was macht dann T1 bzw. T2
Wenn der Taster S1 kurzzeitig geschlossen wird, so lädt sich der Kondensator schlagartig auf.
Wird der Taster wieder losgelassen, so ist nun die Basis von T1 über den Widerstand R2 an Plus
angeschlossen und T1 schaltet demnach durch LED1 leuchtet. Der Kollektor von T1 liegt dann
aber an Minus. Die Basis von T2 liegt deshalb an minus und T2 sperrt. Der Kondensator entlädt
sich aber durch den Strom über die Basis von T1. Sinkt die Spannung am Kondensator unter 0,7
V, so sperrt T1 wieder und LED1 geht aus. Dann liegt aber am Kollektor von T1 die PlussSpannung und T2 schaltet durch und LED 2 leuchtet.
b) Wird der Kondensator bei offenem Taster geladen oder wieder entladen ?
Der Kondensator entlädt sich über die Basis von T1
c) Weiche Bauteile entscheiden über die Einschalt-Dauer von LED 1 ?
Die Kapazität des Kondensators und der Widerstand von R2. Je größer die beiden sind,
desto länger dauert der Vorgang.
d) Wirkt in dieser Schaltung die rechte Schaltstufe auf die Linke zurück ?
Nein
e) Welche Eigenschaft hat die rechte Schaltstufe ?
Sie zeigt immer das Gegenteil der linken Schaltstufe an. Es handelt sich um die logische NichtSchaltung (Not)
f) Wie kann man die Schaltzeit hier stufenlos einstellen ?
Durch Verwendung eines Potentiometers in der Schaltung als verstellbarer Widerstand anstatt
des Widerstandes R2
g) Jemand macht den Widerstand R2 sehr groß ( 1MW ) und wundert sich, dass die
Schaltung nicht mehr funktioniert. Kannst du den Fehler erklären ?
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Nun ist die Basisstromstärke von T1 zu klein. T1 schaltet nicht mehr richtig durch. Für längere
Schaltzeiten muss man in diesem Fall die Kapazität des Kondensators vergrößern.
7. Bei der FlipFlop – Schaltung möchte ein Schüler die LED mit Vorwiderstand jeweils durch ein
Lämpchen austauschen. (Die Lämpchen brauchen eine Stromstärke von 100 mA) Die
Schaltung funktioniert nicht mehr. Was würdest du vorschlagen, um die Schaltung wieder (mit
Lämpchen) in Gang zu bringen ?
(Hinweis : Die Stromverstärkung eines Transistors ist etwa 100)
Die Basisstromstärke muss in diesem Fall 1mA sein. Bei einer Batteriespannung von 9V
können wir den Basiswiderstand mit dem Ohm‘schen Gesetz berechnen
U
8,3V
R 
 8300
I 0, 001A
8. Welche wichtige Eigenschaft hat die Schmitt-Trigger-Schaltung?
a) Ergänze die nebenstehende Schaltung zu einer Schmitt-Trigger-Schaltung.
b) Ein besonderes Merkmal der STS ist der gemeinsame …………… Was ist gemeint ?
c) Die STS soll durch einen LDR angesteuert werden. Wie ist die Schaltung im Prinzip zu
ergänzen ?
Das besondere Merkmal der Schmitt-Trigger-Schaltung ist der gemeinsame Emitterwiderstand. Er
sorgt dafür, dass die Schaltung beim Überschreiten der Schaltschwelle schnell in den anderen
Zustand umkippt.
9. Wie kann man bei Blinkschaltungen die Frequenz vergrößern ?
10. Wie kann man die Frequenz verkleinern ?
Die Basiswiderstände und die Kondensatorkapazitäten bestimmen die Frequenz. Je größer C und
R gewählt werden, desto kleiner ist die Frequenz.
11. Wie blinkt die Schaltung, wenn ein Kondensator 1000F und der andere nur 100F hat ?
Die Schaltung blinkt dann nicht mehr symmetrisch. Damit kann man unterschiedliche
Einschaltdauern für die beiden Leuchtdioden erzeugen.
12. Man möchte die Frequenz stufenlos verstellen, wie soll die Schaltung abgeändert bzw. ergänzt
werden ?
13. Welche Aufgabe
kann die Diode D1
haben, wenn jemand,
der die Schaltung nicht
kennt, nicht genau
weiß welches Kabel an
+ und welches Kabel
an – angeschlossen
werden muss ?
Die Diode wirkt als
Verpolungsschutz. Wenn
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versehentlich oben der Minus-Pol angeschlossen wird, so sperrt die Diode.
14. Für LEDs, die ganz wenig elektrische Energie verbrauchen sollen, weil sie an eine Batterie
angeschlossen sind, soll eine Flash – Schaltung gebaut werde. Die LED soll nur kurz
aufblinken. Wie kann man das prinzipiell bewerkstelligen? Extrem unterschiedliche
Kondensatoren bzw. Widerstände benutzen, so dass die Pausenzeit viel größer als die
Einschaltzeit ist.
15. Wie fließt der Ladestrom von Kondensator C1, wenn der Transistor T1 gerade sperrt ?
a) Zeichne den Strompfad mit grüner Farbe ein. Vom Pluspol über LED1 durch den
Kondensator zur Basis von T2 und über den Emitter nach Minus.
b) Wenn T1 sperrt, so entlädt sich der Kondensator C2, zeichne den Entladestrom mit blauer
Farbe ein. C2 entlädt sich über den Kollektor und Emitter von T2. Auf der +Seite über den
Widerstand R4 und das Poti.
c) Wie merkt T1, dass der Kondensator C2 leer ist ? Welche Spannung UBE kann man dann an
T1 messen. Dann ist die Basis von T1 an Minus angeschlossen und T1 sperrt
16. Überlege, wo Blinkzeichen verwendet werden ?
Beispiele : Fahrtrichtungsanzeiger am Auto, Warnblinker, Blinklichter bei den Einsatzfahrzeugen
von Polizei, Feuerwehr, Rettungskräften, …..
17. Jemand hat die Widerstände von 10 kW durch 100 kW und die Kondensatoren von 100F
durch 1F ersetzt. Nun leuchten beide LEDs.
a) Funktioniert die Schaltung nun nicht mehr ?
b) Durch welches Messinstrument kann man überprüfen, ob die Schaltung noch blinkt ?
Es könnte sein, dass sich dadurch die Frequenz so erhöht hat, dass unser Auge die Hell und
Dunkelschaltungen nicht mehr wahrnehmen kann.
Man kann mit dem Vielfach-Messgerät die Frequenz messen. Mit einem Oszilloskop kann man das
Schwingen sichtbar machen. Durch Anschluss eines hochohmigen Kopfhörers, kann man die
Wechsel hörbar machen (Tongenerator)