1 Allgemeines 2 Funktionsbeschreibung

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Kippschaltungen
mit diskreten
Bauelementen
Versuch303.1
Ausgabe:
1011
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1 Allgemeines
Bei der Anwendung von Transistoren unterscheidetman im weitesten
Sinne zwischen der des Verstärkers
und der des Schalters-Der Verstärkerbetriebist dadurch gekennzeichnet,
dassein Arbeitspunkt innerhalb des
1c-uc"-Kerurlinienbereiches
auf der Lastgeraden(R-Gerade)dynamischfast beliebig verandertwerden
kann.
Im Schalterbetriebdagegensind nur zwei festgelegteorte für den Arbeitspunkt
zulässig (Abb l.l). Zwischenwertesind nicht zulässig und daher schaltungstechnischzu vermeiden. (warum?)
,,"
EIN
lxuo
I
llR
\
a
R-G.odt
\
I,
,+J
\
\
AUS
\U
tJrl,1.:
Abb' 1' 1: Vergleichdes idealen mechanischenSchalters mit dem Transistorschalter
im l-(J-Diagramm
Bei den vorliegenden Laborversuchenwerden Schaltungenmit Bipolartransistoren
als Schalter verwendet,
um zeitabhzingrgeperiodische und nichtperiodische Rechtecksignale
zu erzeugen.Alle in diesem Versuch
vorgestelltenSchaltungenhabenfolgendeGemeinsamkeiten:
.
Zwei Transistoren,die als gesteuerteSchalterarbeiten.
'
Eine Rückkopplung,die bewirkt, dassimmer nur einer der beiden Transistoren
leitet (EIN) und der
andereTransistorsperrt(AUS).
'
Die Übergängevon einem Schaltzustandin den anderenwerden durch
die Rückkopphmg beschleunigt, es ergebensich hierdurch sehr steile strom- und Spannungsflanken.
'
Die Schaltungenkippen zumindesteinmal selbsttätig,aber in einer kontrollierten
Zeit, voneinem in
den anderen Zustand und heißen monostabil oder sie kippen permanent
nach kontrollierten zeiten
hin und her und heißen astabil. Schaltungen die jeweils durch ein Triggersignal
entweder in den
einen oder in den anderenZustand dauerhaftkippen, heißen bistabil.
2 Funktionsbeschreibung
2.1 Astabiler Multivilbrator
BetrachtenSie die SchaltunginAbb. 2.1. Nehmen Sie an, der Transistor
Z, wird durch einen Kippvorgang
gerade leitend. Das bewirkt, dass seine Kollektorspannungsänderun
g (u"" -+ 0) über den angeschlossenen
Kondensator G als negativer Spannungssprungauf die Basis des Tranistors
z2übertragenwird. Dieser sperrt
erwartungsgemäß.Der Sperranstandvon Tzdauertnun solange,bis
die rechte Kondensatorplattevon G über
den BasiswiderstandÄnzwieder bis zu der Kippspann ng U"o: (JsBGz)
* (Jr<mtvonungefähr 1,2 V aufgela_
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den ist. Dann beginnt Tz ntleiten und schickt auf dieselbeWeiseden TransistorZr in den Sperrzustand.Dieser Vorgang geht also hin und her, die Sperrzeitender Transistorensind bestimmt von den Anstiegszeiten der
Kondensatorspannungen.
Abb. 2.1: SchaltungdesastabilenMultivibrators
Die Periodendauerergibt sich als Summeder Sperrzeitender beiden TransistorenTr und Tz.
Die Dioden in Serie zu den Basiseingängenschützendie Basis-Emitter-Streckevor zu hohen negativen
Spannungen,die sich durch die Umschaltvorgängeergeben.Wenn die Dioden fehlen, zeigen die Emitter-Dioden der Transistoreneinen Zener-Effekl Die SpannungUsEwird nicht kleiner als etwa -5 V bis -8 Y dann
beginnt wie bei einer Z-Diode ein Basisstrom entgegen der Sperrrichtung zu fließen, der ein weiteres
Anwachsen der Spannungverhindert.
Die Kippzeiten und damit die Periodendauerder Kippfrequenz hängen von den Umladevorgängen in den
RC-Gliedern Rs1,Cr und Rsz, Cz ab. Da die Berechnung der Kippzeiten für die Auswertung der Labormessungenvon Bedeutung sind, wird der Rechnungsansatzhier erläutert. Wir betrachtenhierftir noch einmal das
RC-Glied in der linken Hälfte des Multivibrators (Abb 2.2), die rechte Hälfte verhält sich entsprechend.
15V
Abb. 2.2: Linlre Teilschaltungdes astabilen Multivibrotors, rechts: Zeitverlauf einesLadevorgangs
Es gilt folgenderAnsatzt:
_1 '\
- K o+K,'e \{R*'c')/
u
"oft)
Gl.2.l
Will man die Zeit seit dem Beginn der Kondensatoraufladungwissen, in der die Spannung t/so(l) die KippspannungUu(/"*) erreichthat, folgt durchAuflösung von Gl. 2.1 nachder gesuchtenZeit tr*
looo= RB..C;ln
I
Impulsantwortin RC-Gliedern
SieheVorlesungsthema:
Kl
(auo(rooo)-ro)
Gt.2.2
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Zu Beginn (Zeitpunkt lo) schaltet7r durch. Das Absinker von r.ra1p1
auf ao1-;,überträgt sich impulsartig auf
uso,das jetzt den Wert zeg-i.erhält. Ab diesemMoment beginnt die Aufladung von G über Rez.
Um nun Gl. 2-2lösen zu können, müssen die Werte ftir die Konstanten Ko und K gefunden werden. Diese
ermiuelt man auf einfache Weise:
Fürr: 0 gilt:
uso(t:0): a"o-r
und
u"o(t:0):Ko+Kr
Fürr_+_gilt:
uzs(t-+*1:
und
us{t -+*):
Also folgt:
Ko: Uea*
Und
Kr:
?Jso^
IÄ
Ueo*in - tlBom
so dassals Endgleichung herauskommt:
('*-t-'"**)
fooo= RB;C ;ln
GI.2.3
(ruo(/ooo)-zro-*)
2.2 MonostabileKippschaltung
Abb. 2.3 zeigl die Schaltung einer monostabilen Kippstufe. Wie der Name sagt, besitzt diese Kippstufe nur
einen stabilen Zustand. Im Ruhezustandder Schaltung leitet der Transistor 72, da er mit dem Basisstom
durch Rezin die Sättigung gebracht wird. 7r sperrt aufgrund der zu geringen Spannungilssr. Wird Zr durch
ein positives Signal an dessenBasis-Emitter-Streckektxzzeitig leitend geschaltet (hier über die Eingangsspannungn), entsteht am Kolleltor von Ir eine Spannungsabsenkung,
die über den Kondensator G aufdie
Basis von 12übertagen wird und zur Spemrng von Zzführt.
Abb. 2.3: MonostabileKippschaltung
Somit wird nun die Basis von Zr über Rczund RBrmit Strom versorgt, Zr geht in den Sättigungszustandund
die Basisspannungan Tz geht bis auf fast den Wert -U6,T2sperrt Der Sperrzustanddauert solange an (Haltezeit), bis der Kondensatorüber den Wderstand Rszsoweit aufgeladenist, dass Z, wieder zu leiten beginnt. ?r
wird gesperrt,und der positive Spannungssprungüber den Kondensatorfteibt Z sofort in die Sättigung.
Ohne Schutzdiodebeträgt die Minimalspannung an der Basis von T2 -8V, der übrige Anteil des Spannungssprungswird durch den Zener-Effekt der Emitter-Diode gekappt.
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2.3 Bistabile Kippschaltung
In der Schaltung nach Abb. 2.4 sind die Kollektorspannungen der beiden Transistoren Zr und Zz über Spannungsteiler auf die Basis desjeweils anderenTransistorszurückgeführt. Der Transistor, der leitet, sperrt den
anderen,da die Spannung(/cr*ndesdurchgeschalteten
Transistorskleiner ist als die Basis-Emitter-Spannung
Ugr des anderen Transistors. Das Schaltung lässt sich nur dadurch in den jeweils anderen stabilen Zustand
bringen, indem der gesperrteTransistor durch ein von außeneingespeistesSignal kurzzeing leitend gemacht
wird.
R
15V
Abb. 2.4: Bistabile Kippschaltung
Beispiel:
Z1 ist gesperrt,also ist f/cg:f/cnr*, dann leitet Tz und Ucn:Ucsz.in.Wfud mrn am Eingang R (:Reset) ein
kurzes High-Signal angelegt,dann wird 7r leitend und die Spannungsverhältnisse
kehren sich um. Dieser
neue stabile Zustand kann erst dann wieder rückg2ingiggemachtwerden, wenn am Eingang S (:Set) ein kurzesHigh-Signal angelegtwird. Die Schaltungist ein RS-Flip-Flop.
3 Aufgabenstellungen
3.1 Arbeiten vor dem Versuchstermin
In Abb 3.1 sind die drei bisherbetrachtetenSchaltungzu einer gemeinsamenSchaltungzusarnmengefasst.
Vor dem Labortermin sind folgende Aufgaben zu bearbeiten:
.
NäherungsweiseBerechnungder Periodendauerdes astabilenMultivibrators ausAbb. 3.1 unter der
Annahme, dassz"r und a"znicht mit den weiteren Schaltungsteilenverbunden sind.
.
Berechnungder Haltezeit der monostabilenKippstufe
3.2 Versuchsdurchführung
Erforderliche Geräte
. I Steckbrett ftir die Kippschaltungen
. 1 Kasten mit Verdrahtungskabeln
. I Vielfachmessgerät
. I Labometzgerät
. I 2-Kanal-Speicheroszilloskop
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rRcr= Rcz = 1,8 16.)
Rsl = 1ü) kct
Rez= 50 l(l
Q=Cz=1(X)nF
T'r= Ta= 8C337
Rcg= Rca= 1,8 kCl
Rg+=22ka
Re3=R=15KI
Ct = Q, = 1(X)nF
Rcs=Rcs=1kf,1
Rts = Rro = 10 l<Cl
Rzs= Rm = 1,2 kC)
Res= RBo= 50 16.l
Abb. 3.1: LaborauJbaumit astobiler monstabilerund bistabiler Kippschaltung
Die Schaltungist schrittweise zu verdrahtenund zu testen,um eine eventuelle Fehlersuchezu erleichtem.
Verwenden Sie für jede Teilschaltung möglichst eine andereKabelfarbe.
3.2.1 Astabiler Multivibrator
a) Aufbau nur des astabilenMultivibrators. Alle Widerstiinde und Kondensatorensind nachzumessen.
Die V/erte sind zu notieren.
b) Die Spannungsverläufeuserund ileszund anschließendaeE2und a"z des astabilen Multivibrators
sind mit dem Zweistrahloszilloskop zu oszilloskopieren. Die Spannungswertesind zu ermiueln.
c) Ermittlung der Periodendauerund des Tastverhälhisses von u^2am Oszilloskop.
d) Vor den Transistorbasensind Dioden Dr und D entsprechendAbb. 2.1 zwischenzuschalten.Die
Schritte b) und c) sind zu wiederholen.
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3.2.2 MonostabileKippstufe
a) Ergtinzung des Schaltungsaufbausum die monostabile Kippstufe. Widerst2indeund Kondensatoren sind nachzumessen.Der Ausgangspunkt ua ist mit dem Kanal I des Oszilloskops zu verbinden. Diese Spannungdient als Bezug für die nachfolgendzu oszilloskopierendenSpannungenan
Kanal2.
b) Mit Kanal 2 ist zuerst die Ausgangsspannungar und dann die BasisspannungusEailJfzlJnehmen.
Die Spannungswertesind zu ermitteln.
c) Messungder Einschaltzeitender monostabilenKippstufe und Ermittlung desTastverhältnisses.
d) Die Diode D+ ist durch eine Drahtbrücke zu ersetzen.Die Schritte b) und c) sind zu wiederholen.
3.2.3 Bistabile Kippstufe
a) Erg2inzungdes Schaltungsaufbausum die bistabile Kippstufe. Widerstände und Kondensatoren
sind nachzumessen.
b) ErneuteAufzeichnungderAusgangsspannung
a"zdesastabilenMultivibrators mit Kanal 1. Ermittlung der Spannungs-und Zeitwerte. Hat sich durch den Anschluss der bistabilen Kippstufe die
Frequenzdes astabilenMultivibrators verändert?
c) Kanal 1 bleibt mit mitu"z verbunden.Nacheinandersind die Basisspanmrngan
use5,zseound d€r
Ausgangsspanmrngzq mit Kanal 2 aufzuzeichnen.
4 Auswertung und Berichterstellung
Für die ErstellungdesLaborberichtesgeltenfolgendeAnforderungen:
l.
Die GliederungdesBerichtessoll der Gliederungder Versuchsdurchführung
entsprechen!
2. Die Signaldiagrarnmesind unter Verwendung der Oszillogramme untereinanderauf dem Papier darzustellen,so dassdie zeitlichenBeziehungender einzelnenSignaleerkennbarsind.
J.
Die in der Vorarbeit berechnetenWerte für die Periodendauer(bzw. der Frequenz) und das Tastverhältnis des astabilenMultivibrators sind den gemessenenWerten gegenüberzustellen.Abweichungen
sind zu diskutieren.
4. Es sind nachträglich die Frequenz des astabilen Multivibrators anhand der im Labor ermittelten
Spannungswerteund der gemessenenWiderstände und Kondensatoren zu berechnen. Dies soll für
den Schaltungsaufbau
zur Messung3.2.1 b) als auch für denAufbau zur Messungen3.2.3 b) gelten.
Die berechnetenWerte sind den gemessengegenüberzustellen.Eventuelle Abweichungen sind zu
diskutieren.
Beaöeitet: Mk Wl0/l I n;Jet am21.09.2010