Praktikum Schaltungstechnik 1

Praktikum
Schaltungstechnik 1
Versuch A
„Timerbaustein NE555“
Gruppe 1 – Team 10
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Versuchsdurchführung am 07.06.06
Blattzahl (inkl. Deckblatt): 12
Inhaltsverzeichnis
1. Versuchsvorbereitung
1.1 Datenblatt
1.2 Pinbelegung
1.3 Blockschaltbild des NE555
1.4 Astabiler Multivibrator
1.5 Multivibrator aus zwei Transistoren
1.6 Monoflop
1.7 NE555 im monostabilen Betrieb
2. Versuchsdurchführung
2.2 Monoflop
2.1.1 Versuchsaufbau
2.1.2 RC-Kombination
2.1.3 Messung des Ausgangssignals bei bei Variation der Generatorfrequenz
2.1.4 Messung bei Erhöhung des Widerstands RA
2.1.5 Messung bei Erhöhung der Kondensatorkapazität C
2.2 Astabile Kippstufe
2.2.1 Versuchsaufbau
2.2.2 Messung der Zeiten
2.2.3 Verlauf der Ausgangs- und Kondensatorspannung
2.2.3.1 Ausgangsspannung
2.2.3.2 Kondensatorspannung
2.2.4 Ersetzen des Widerstandes RB durch ein Potentiometer
3. Versuchsauswertung
3.1 Periodendauer
3.2 Kondensator- und Widerstandswerte der Monoflopschaltung
3.3 Tastverhältnis der Multivibratorschaltung
1. Versuchsvorbereitung
1.1 Datenblatt
Zu finden unter der URL
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/NE_SA_SE555_C_2.pdf
1.2 Pinbelegung
Aus dem Datenblatt ergibt sich folgende Pinbelegung:
Pin
555 5561 5562
Masse
1
7
Trigger
2
6
8
Ausgang
3
5
9
Reset
4
4
10
Kontrollspannung 5
3
11
Schaltschwelle
6
2
12
Entladung
7
1
13
+UB
8
14
Die zulässigen Grenzen der Versorgungsspannung UB können ebenfalls daraus
erschlossen werden. Diese darf zwischen 4,5 V und 16 V betragen und wird an den Pins
„+UB“ und „Masse“ angeschlossen.
1.3 Blockschaltbild des NE555
Abbildung 1: Das Blockschaltbild des NE555
1.4 Astabiler Multivibrator
Im astabilen Betrieb als Mutivibrator, auch „free-run
mode“ genannt, bewirkt ein kurzer negativer oder
positiver
(je
nach
Aufbau
der
Schaltung)
Spannungsimpuls oder ein kurzer Tastendruck, der den
Eingang kurzzeitig an GND bzw. +Ub legt, am Ausgang
der Schaltung einen positiven Rechteckimpuls
vorgegebener Dauer.
Abbildung 2: free-run-modeBeschaltung
Die Schaltung läßt sich z.B. als Impulsbreitenerzeuger
verwenden, der aus einer Folge von unterschiedlichen
Nadelimpulsen Rechteckimpulse erzeugt. Sie ist
brauchbar, z. B. um durch einen kurzen Tastendruck ein
Relais für bestimmte Zeit einzuschalten. Ferner läßt sie
sich verwenden, um eine um die Dauer des
Rechteckimpules verzögerte Aktion auszulösen.
Indem man Pin 2 mit Pin 6 verbindet, erhält man durch Selbst-Triggerung einen astabilen
Multivibrator (AMV). Die Pulsdauer (Zeitdauer der Aufladung von C1) am Ausgang beträgt
t 1=0,69⋅ R1R2⋅C1 ,
die Pausendauer (Zeitdauer der Entladung von C1 über Pin 7) beträgt
t 2=0,69⋅R2⋅C1 .
In dieser Grundschaltung ist also t1 immer größer als t2. Die Frequenz des AMV ist
f=
1
1,44
=
t 1 t 2  R12 R2⋅C1
Quelle: kreatives-chaos.com
1.5 Multivibrator aus zwei Transistoren
Die Schaltung in Abbildung 2 besteht im Prinzip aus
einem zweistufigen kapazitiv (über Kondensator C1)
gekoppelten Verstärker, dessen Ausgangssignal
galvanisch (über Widerstand R4) zurückgekoppelt
wird.
Funktionsbeschreibung. Im Ruhezustand ist der
Transistor T2 leitend, da er Basisstrom über R1 erhält.
T1 ist gesperrt, da dessen Basis nahezu GNDPotential hat. Der Kondensator C1 ist über R2 und die
BE (Basis Emitter)-Strecke von T2 aufgeladen. Ein
kurzer negativer Spannungssprung am Eingang EIN
(also an der Basis von T2) sperrt T2, wobei T1 über
R4 Basisspannung erhält und leitend wird. C1 wird
Abbildung 3: Multivibrator aus zwei
nun über R1, die CE (Collector Emitter)-Strecke von
Transistoren
T1 umgeladen, bis die Spannung an der Basis von T2
soweit angestiegen ist, daß T2 wieder leitet, demzufolge T1 über R4 gesperrt wird, die
Schaltung also in den Ruhezustand zurückkehrt.
Am Ausgang der Schaltung (Collektor von T2) erscheint ein positiver Rechteckimpuls,
dessen Dauer proportional zum Produkt R1⋅C1 ist und am einfachsten durch Ändern
der Größe von C1 geändert werden kann. Am Collektor von T1 kann ein entsprechender
negativer Impuls abgegriffen werden.
Der Auslöseimpuls am Eingang der Schaltung muß immer kürzer als der Ausgangsimpuls
sein.
Quelle: http://www.ferromel.de
1.6 Monoflop
Eine monostabile Kippstufe, auch Monoflop oder Univibrator genannt ist eine elektronische
oder elektromechanische Schaltung, die nur einen stabilen Zustand hat. Durch einen
äußeren Impuls (Trigger) angesteuert, ändert die Schaltung für eine festgelegte Zeit ihren
Schaltzustand, bis sie wieder von selbst in die Ruhelage zurückkehrt. Die Schaltung gibt
dieses Zustandssignal an nachfolgende Baugruppen weiter und steuert diese damit.
Man unterscheidet zwischen nachtriggerbaren und nicht nachtriggerbaren Monoflops.
Nachtriggerbar bedeutet hier, dass ein erneutes Triggersignal die interne Zeit jeweils
erneut startet und der aktive Schaltzustand dementsprechend zeitlich verlängert wird. Bei
einem nicht nachtriggerbaren Monoflop hat ein Triggersignal während der aktiven Phase
keine Wirkung.
Die Funktion eines Monoflops ist zum Beispiel in einem Treppenhauslicht realisiert, bei
dem es gilt, auf Knopfdruck das Licht für eine bestimmte Zeitspanne einzuschalten. In
diesem Anwendungsfall ist ein nachtriggerbares Monoflop sinnvoll, da hierdurch die
Lichtphase durch erneutes Drücken verlängert werden kann
Quelle: Wikipedia
1.7 NE555 im monostabilen Betrieb
Der Timer 555 läßt sich auch vorteilhaft zur Erzeugung von Einzelimpulsen verwenden.
Man kann die Schaltzeiten von einigen µs bis hin zu einigen Minuten realisieren.
Wenn das Kondensatorpotential die obere Umschaltschwelle überschreitet, wird das FlipFlop zurückgesetzt, d.h. die Ausgangsspannung geht in den L-Zustand. Der Transistor T
wird leitend und entlädt den Kondensator. Da der untere Komparator nicht am
Kondensator angeschlossen ist, bleibt dieser Zustand erhalten, bis das Flip-Flop durch
einen L-Impuls am Trigger-Eingang 2 gesetzt wird. Die Einschaltdauer ist gleich der Zeit,
die das Kondensatorpotential benötigt, um von Null auf die obere Umschaltschwelle
2 +
V anzusteigen. Sie beträgt: t 1=R1⋅C⋅ln 3≈1,1 R1⋅C
3
Quelle: U.Tietze & Ch. Schenk: „Halbleiter-Schaltungstechnik“
2. Versuchsdurchführung
2.1 Monoflop
2.1.1 Versuchsaufbau
Abbildung 4: Monoflop mit dem NE555
Die Schaltung aus Abbildung 4 wird auf der Steckplatine aufgebaut und verdrahtet. Der
Widerstand RA beträgt 1 kΩ, die Kapazität des Kondensators C ist 100 nF. Die
Versorgungsspannung UV des ICs wird auf 10 V eingestellt.
Am Triggereingang wird eine Rechteckspannung von 5 Volt mit variabler Frequenz
angelegt, die von einem Funktionsgenerator zur Verfügung gestellt wird. Der Offsetanteil
beträgt 2,5 V.
2.1.2 RC-Kombination
Durch den internen Spannungsteiler des ICs werden die Umschaltschwellen auf die Werte
1 +
2 +
V bzw.
V festgelegt. Mit Hilfe des Control-Anschlußes (PIN 5) kann dieser in
3
3
gewissen Grenzen variiert werden. Überschreitet das Kondensatorpotential die obere
Umschaltschwelle, geht die Ausgangsspannung des internen Flipflops in den L-Zustand
und der interne Transistor beginnt zu leiten und über den Kondensator wird R entladen.
2.1.3 Messung des Ausgangssignals bei bei Variation der Generatorfrequenz
Es werden vier Messungen des Ausgangssignals Uout durchgeführt, bei denen schrittweise
die Generatorfrequenz fGen verändert und die Auswirkungen auf die Zeitdauern tHigh und tLow
beobachtet wird.
Man erhält folgende Meßtabelle:
fgen in kHz
0,1
1
5
tHigh in µs
110
115
110
tlow in µs
10000
900
90
10
nicht meßbar
Bei einer niedrigen Frequenz schaltet der Timer-Baustein erst nach 10 ms auf „High“.
Erhöht man diese Frequenz um den Faktor 10, so verkürzt sich tLow immer weiter, bis
schließlich bei einer Frequenz von 10kHz kein Schaltvorgang mehr registriert werden
kann. Dies liegt daran, daß nun die Periodendauer T kleiner als die Haltedauer tHigh ist.
Diese bleibt im unteren Frequenzspektrum weitgehend konstant.
Des weiteren ergibt sich folgendes Bild der Ausgangsspannung, deren Amplitude über den
gesamten Frequenzbereich unverändert bleibt:
Abbildung 5: Ausgabe am Oszilloskop bei fGen = 100 Hz
2.1.4 Messung bei Erhöhung des Widerstands RA
Wird der Widerstand RA der Schaltung von 1 kΩ auf 10 kΩ erhöht, so ergeben sich
folgende Werte für die Messung bei 100 Hz und 5 kHz:
fgen in kHz
0,1
5
tHigh in µs
1100
1160
tlow in µs
8800
73
Mit der Verzehnfachung des Widerstandswertes konnte auch eine Verzehnfachung von
tHigh festgestellt werden. Die Zeitdauer tLow sinkt um etwa 16%.
2.1.5 Messung bei Erhöhung der Kondensatorkapazität C
Nun wird wieder der Widerstand von 1 kΩ aus 2.1.3 verwendet, jedoch die
Kondensatorkapazität auf C=1µF erhöht. Gemessen wird nur das Ausgangssignal bei
einer Generatorfrequenz von 100 Hz.
Man erhält folgende Meßwerte:
fgen in kHz
0,1
tHigh in µs
1200
tlow in µs
8600
Die Verzehnfachung der Kapazität hat auch eine Verzehnfachung von t High zur Folge und
einen Abfall bei tLow, von etwa 14%, was hier im Rahmen der Meßgenauigkeit
nachvollzogen werden konnte.
2.2 Astabile Multivibrator
2.2.1 Versuchsaufbau
Abbildung 6: astabiler
Mulitivibrator mit dem NE555
Die Schaltung aus Abbildung 6 wird auf der Steckplatine aufgebaut und verdrahtet. Der
Widerstand RA beträgt 1 kΩ, RB = 8,2 kΩ; die Kapazität des Kondensators C ist 100 nF.
Die Versorgungsspannung UV des ICs bleibt bei 10 V eingestellt.
Im Gegensatz zum vorherigen Versuch kommt keine externe Triggerspannung zum
Einsatz. Die Schaltungsvariation erfolgt nur über die Bauteile.
2.2.2 Messung der Zeiten
Im ersten Schritt der Messung werden wieder tHigh und tLow gemessen und daraus die
Periodendauer ermittelt. Des weiteren werden Frequenz und Tastverhältnis („duty cycle“)
des Ausgangssignals bestimmt.
Es ergeben sich folgende Meßwerte:
tHigh in µs
645
tLow in µs
590
Für die Periodendauer T ergibt sich somit:
T =t Hight Low =645 µs590 µs=1235 µs
Die Frequenz f ergibt sich als Kehrwert und der duty cycle D als Verhältnis von tLow zu T:
1
1
f= =
=809,7 Hz
T 1235 µs
D=
t Low 590 µs
=
=0,48
T
1235 µs
2.2.3 Verlauf der Ausgangs- und Kondensatorspannung
2.2.3.1 Ausgangsspannung
Für die Ausgangsspannung zeichnet sich folgendes Bild ab:
Abbildung 7: Ausgangsspannung Uout(t) des astabilen Mulitivibrator mit dem NE555
2.2.3.2 Kondensatorspannung
Für die Kondensatorspannung erhält man folgendes Bild am Oszilloskop:
Abbildung 8: Kondensatorspannung Uc(T) des astabilen Mulitivibrator mit dem NE555
2.2.4 Ersetzen des Widerstandes RB durch ein Potentiometer
Im nächsten Schritt wird der Widerstand RB durch ein verstellbares 10kΩ-Potentiometer
ersetzt. An vier verschiedenen Einstellungen werden die Zeitdauern ermittelt.
R in Ω
0,5
1000
2000
tHigh in µs
85
160
380
tlow in µs
5500
70
120
Für den maximal Ausschlag der Potentiometers wurde der Ansicht nach ein falscher Wert
gemessen, da das Multimeter etwa 1,7 kΩ anzeigte. Bei dieser Potentiometerstellung
konnten auf dem Oszilloskop keine Zeitdauern mehr ermittelt werden.
3. Versuchsauswertung
3.1 Periodendauer
Die Zeit tHigh wird vor allem durch die Widerstände und Kondensatoren in der Schaltung
bestimmt, die Periodendauer is durch die Triggerfrequenz festgelegt und die Zeit tLow
kann aus beiden berechnet werden.
T =t Hight Low
3.2 Kondensator- und Widerstandswerte der Monoflopschaltung
Aus 1.7 ergibt sich für eine Einschaltverzögerung von 2s und einem festen Widerstand von
100 kΩ:
t 1=ln3⋅C⋅R⇒ C=
t1
⇒ C=18uF
ln3⋅R
3.3 Tastverhältnis der Multivibratorschaltung
Durch das Verändern des Widerstandes RB erhält man verschiedene Werte für tHigh bzw.
tLow, die Abtastzeit hängt mit der Periodendauer zusammen , diese beträgt bei 0,5 Ω 5585
µs bei 1 kΩ 230 µs und bei 2 kΩ 500µs.
Bei einer niedrigen Frequenz schaltet der Timer-Baustein erst nach 10 ms auf „High“.
Erhöht man diese Frequenz um den Faktor 10, so verkürzt sich tLow immer weiter, bis
schließlich bei einer Frequenz von 10 kHz kein Schaltvorgang mehr registriert werden
kann. Dies liegt daran, daß nun die Periodendauer T kleiner als die Haltedauer tHigh ist.
Diese bleibt im unteren Frequenzspektrum weitgehend konstant.