Monostabile Kippstufe Monostabile Kippstufe
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Laborbericht zum Thema Monostabile Kippstufe (Monoflop) 1 R1 470Ω R4 33kΩ R2 470Ω XSC1 Ext T rig + _ C1 3 V1 5V + U1 _ 2 33kΩ 100nF B A R3 U2 5 4 BC237BP BC237BP R5 33kΩ 6 J1 7 Taste = Le erzeiche n V2 5V 0 Datum: 03.04.2012 Autor: Maximilian Fuchs, Christoph Winkler Friedrich-August Haselwander Gewerblich-Technische Schule Offenburg 0 + _ Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen ................................................................................................. 4 1.1 1.1.1 Die Ladezeitkonstante τ................................................................ 4 1.1.2 Formeln ........................................................................................ 5 1.2 2 3 4 5 Kondensator ........................................................................................ 4 Transistor............................................................................................. 6 1.2.1 Ströme und Spannungen.............................................................. 6 1.2.2 Erklärung ...................................................................................... 6 1.2.3 Formeln ........................................................................................ 7 Analyse der Monostabilen Kippstufe........................................................... 8 2.1 Impulsdiagramm .................................................................................. 9 2.2 Funktionsprinzip................................................................................. 10 2.3 Analyse mit verschiedenen Kondensatorwerten ................................ 10 2.4 Berechnen der Impulsdauer............................................................... 11 Entwicklung einer eigenen monostabilen Kippstufe .................................. 12 3.1 Basisvorwiderstand RB (hier R4, R3 und R5)).................................... 12 3.2 Lastwiderstand RC (hier R1 und R2) .................................................. 13 3.3 Kapazität des Kondensators C1 ........................................................ 13 3.4 Ergebnis............................................................................................. 14 Kippstufen allgemein................................................................................. 15 4.1 Verschiedene Arten ........................................................................... 15 4.2 Anwendungen von Kippstufen ........................................................... 16 4.2.1 Flipflops in der Digitalelektronik .................................................. 16 4.2.2 Monoflops - Signaldauer............................................................. 16 4.2.3 Multivibrator – Blinkgenerator/ Tongenerator.............................. 17 Quellenverzeichnis.................................................................................... 18 Seite 2 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 5.1 Grafiken ............................................................................................. 18 5.2 Quellen .............................................................................................. 19 Seite 3 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 1 Grundlagen 1.1 Kondensator1 Ein Kondensator kann elektronische Ladungen speichern und gibt diese nach der Aufladung wieder frei. R2 1kΩ C2 1µF V2 12 V Abbildung 1: einfache Kondensatorschaltung 1.1.1 Die Ladezeitkonstante τ Die Ladezeitkonstante τ lässt sich über den Vorwiderstand R und die Kapazität C des Kondensators errechnen. τ = R⋅C Beim Entladen: Pro τ entlädt sich der Kondensator um 63,2% der aufgeladenen Spannung Beim Aufladen: Ebenso lädt sich der Kondensator um 63,2% der angelegten Spannung beim Aufladen auf. 1 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205301.htm Seite 4 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe Nach 5 τ gilt der Kondensator als aufgeladen, dementsprechend benötigt dieser wieder 5τ zum vollständigen Entladen. Das Auf- und Entladen ergibt graphisch dargestellt eine e-Funktion (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Auf- und Entladevorgang an einem Kondensator 2 1.1.2 Formeln Dementsprechend lassen sich diese Formeln herleiten: t=τ τ = R⋅C t = 5τ = 5 ⋅ R ⋅ C 2 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/diagramm/02053011.gif Seite 5 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 1.2 Transistor Abbildung 3: einfache Transistorschaltung 1.2.1 Ströme und Spannungen UCE = Kollektor-Emitter-Spannung UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schwellwert) IC = Kollektorstrom IB = Basisstrom 1.2.2 Erklärung Wenn die Spannung UBE über 0,7V (Standartwert) liegt schaltet der Transistor durch. Somit können Elektronen die UCE Strecke passieren. Diese 0,7V bezeichnet man als Schwellspannung. Der Steuerkreis (Basis-Emitter) steuert so den Lastkreis (Kollektor-Emitter). Kleine Spannungen im Steuerkreis können große Spannungen im Lastkreis schalten. Der Transistor im Anwendungsgebiet kann also ein Relé ersetzten. Seite 6 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 1.2.3 Formeln Um ein sicheres Durchschalten des Transistors zu erreichen erhöht man IB um das 2-5 fache. Dabei entsteht IBÜ IBÜ = ü ⋅ IB Die Gleichstromverstärkung B lässt sich über IC und IB errechnen: B= IC IB Die Ströme hängen wie folgt von einander ab: IE = IB + IC Die Leistung eines Transistors ergibt sich folgender maßen: PT = IC ⋅ UCEsat Seite 7 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 2 Analyse der Monostabilen Kippstufe Die in Abbildung 4 dargestellte Monostabile Kippstufe wurde in Multisim aufgebaut. An den Ausgang wurde ein Oszilloskop gehängt, an den Eingang eine 5V Quelle. 1 R1 470Ω R4 33kΩ R2 470Ω XSC1 Ext T rig + _ C1 3 V1 5V + U1 _ 2 33kΩ 100nF B A R3 U2 5 4 BC237BP BC237BP R5 33kΩ 6 J1 7 Taste = Le erzeiche n V2 5V 0 Abbildung 4: Versuchsaufbau Seite 8 von 19 0 + _ Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 2.1 Impulsdiagramm Abbildung 5: Impulsdiagramm In Abbildung 5 sieht man die Ausgabe des Ozilloskops am Ausgang. Der untere rote Graph gibt den Zustand am Ausgang (Ein/Aus) an, der obere den Zustand des Schalters (Zu/Auf). Der obere Graph erreicht seine obere Stellung, wenn der Schalter eine Eingangsspannung von 5V liefert und seinen Tiefstpunkt, wenn keine Eingangsspannung vorliegt (0V). Wie sich erkennen lässt entsteht nur ein kurzes Ausgangssignal, welches immer dann entsteht, wenn wir ein Eingangsignal über den Schalter geben. Wenn man dieses, wie in Abbildung 6 misst kommt man auf etwa 2,3 ms. Diese Monostabile Kippstufe erzeugt praktisch ein Ausgangssignal, dass etwa 2,3 ms anhält, danach wirkt der Kondensator wie ein Widerstand. Abbildung 6: Messung des Impulses Seite 9 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 2.2 Funktionsprinzip Wenn die Monostabile Kippstufe durch einen äußeren Impuls angesteuert wird ändert sich für eine kurze Zeit ihren Zustand, bevor sie wieder von selbst in ihren ursprünglichen Schaltzustand (Ruhelage) zurückkehrt. Diese Zeit, wie lange sie dazu braucht in ihre Ruhelage zurückzukehren, wird durch ihre Dimensionierung (R4 und C1) bestimmt. 2.3 Analyse mit verschiedenen Kondensatorwerten Kapazität C in nF Ausgangssignaldauer t in ms 20 0,531 50 1,461 100 2,337 200 4,648 400 9,263 700 16,600 1000 27,888 Tabelle 1: Analyse mit verschiedenen Kapazitäten In Tabelle 1 haben wir die Ergebnisse der Simulation dargestellt von Kapazitäten von 20 bis 1000 nF. Wie man erkennen kann steigt mit der Kapazität auch die Ausgangssignaldauer. Eine größere Kapazität des Kondensators C1 bewirkt ein längeres Ausgangssignal. Seite 10 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 2.4 Berechnen der Impulsdauer3 Die Impulsdauer lässt sich nach folgender Formel berechnen: t H = ln(2) ⋅ R 2 ⋅ C1 Angepasst auf die in Abbildung 4 dargestellte Schaltung: t H = ln(2) ⋅ R 4 ⋅ C1 Beispielrechnung: t H = ln( 2) ⋅ 33kΩ ⋅ 100nF t H = 2,287ms 3 http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe#Haltezeit_.28approximiert.29 Seite 11 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 3 Entwicklung einer eigenen monostabilen Kippstufe Wir entwickeln eine eigene monostabile Kippstufe die eine Impulsdauer von 10 µs besitzt, dazu nehmen wir einen Transistor mit einem Gleichstromverstärkungsfaktor von etwa 200. Wir übersteuern diesen Transistor dreifach. Wir haben uns für einen BC237B entschieden. Abbildung 7 zeigt einen Ausschnitt aus dem Datenblatt. Dieser Transistor verfügt zwar nur über ein B von 180, seine anderen Werte passen aber sehr gut. Abbildung 7: Datenblatt BC237B 3.1 Basisvorwiderstand RB (hier R4, R3 und R5)) Als erstes berechnen wir den Basisstrom IB: B= IC IB IB = IC 100mA = ≈ 0,556mA B 180 Wir übersteuern wie schon erwähnt den Transistor dreifach: IBü = IB ⋅ ü = 0,556mA ⋅ 3 ≈ 1,667mA Seite 12 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe Nun berechnen wir die Spannung des Basisvorwiderstandes RB. UB beträgt 5V (Eingangssignal). URB = UB − UBEsat = 5 V − 1,05 V = 3,95 V max Nun berechnen wie den Basisvorwiderstand RB URB 3,95 V = ≈ 2,361kΩ IBü 1,667mA RB = 3.2 Lastwiderstand RC (hier R1 und R2) Die Spannung am RC berechnen wir so (UB beträgt 5V): URC = UB − UCEsat min = 5 V − 0.2V = 4,8 V Nun können wir den Lastwiderstand berechnen: RC = URC 4,8 V = = 48Ω IC 100mA 3.3 Kapazität des Kondensators C1 In die in Kapitel 2.4 erwähnte Formel setzten wir unsere Werte ein und erhalten den Wert des Kondensators: t H = ln(2) ⋅ R 2 ⋅ C1 t H = ln(2) ⋅ R B ⋅ C1 C1 = tH 10µs = ≈ 6,11nF ln(2) ⋅ R 2 ln(2) ⋅ 2,361kΩ Seite 13 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 3.4 Ergebnis Dadurch ergibt sich folgendes Schaltbild: 1 R1 48Ω 3 V1 5V R4 2.361kΩ R2 48Ω 2 C1 R3 6.11nF 2.361kΩ U1 U2 5 4 BC237BP BC237BP R5 2.361kΩ 0 6 Abbildung 8: neues Schaltbild Hinweis: Wir haben mit einem BC237B gerechnet, in Multisim existiert nur ein BC237BP mit komplett anderen Daten, somit ist eine Simulation nicht möglich. Seite 14 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 4 Kippstufen allgemein 4.1 Verschiedene Arten4 Bei Kippstufen unterscheidet man folgende Arten: Bistabiles Verhalten (Flipflop):5 Bei einem bistabilen Verhalten können zwei stabile Zustände eingenommen und gespeichert werden. Zusätzlich kann ein Flipflop eine Datenmenge von einem Bit über längere Zeit speichern und ist daher fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen. Monostabiles Verhalten (Monoflop)6 Ein Monostabiles Verhalten kann nur einen stabilen Zustand annehmen. Von außen angesteuert kann es für kurze, bestimmte Zeit einen anderen Zustand annehmen, fällt aber nach dieser Zeit wieder in den Ruhezustand. Astabiles Verhalten (Multivibrator)7 Ein astabiles Verhalten kann sich in zwei Zuständen befinden und zwischen diesen selbstständig oder von außen gesteuert hin und her schalten. 4 http://de.wikipedia.org/wiki/Kippstufe 5 http://de.wikipedia.org/wiki/Bistabile_Kippstufe 6 http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe 7 http://de.wikipedia.org/wiki/Multivibrator Seite 15 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 4.2 Anwendungen von Kippstufen 4.2.1 Flipflops in der Digitalelektronik8 Flipflops finden in der Digitalelektronik eine große Anwendung, da sie unter anderem als 1-Bit-Speicher betrachtet werden können. So werden sie beispielsweise in Mikroprozessoren und Speicherzellen von statischem RAM eingesetzt. Oft werden sie auch in Zählschaltungen als Frequenzteiler eingesetzt. Auch in Quarzuhren werden sie angewendet. Dort gibt eine Kette von 15 Flipflops den Sekundenimpuls. 4.2.2 Monoflops - Signaldauer Da ein Monoflop bei einem Impuls ein dimensionierbares Ausgangssignal liefert, können diese auch als eine Art Zeitschaltuhr verwendet werden. Beispielsweise in einem Treppenhaus9. Die Beleuchtung soll nach einem Impuls durch den Schalter nach einer gewissen Zeit wieder automatisch ausgehen. Dimensioniert man nun einen Monoflop so, dass das tH (Haltezeit) so lange anhält, wie die Beleuchtung an sein soll, so ist die Monostabile Kippstufe eine ideale Zeitschaltuhr. Auch in Impulsgeneratoren10 findet die Monostabile Kippstufe Einsatz. Impulsgeneratoren liefern einmalig oder wiederholt für kurze Zeiträume elektrische Leistung. Ein Monoflop liefert durch seine Dimensionierung die Länge dieser elektrischen Leistungen. 8 http://de.wikipedia.org/wiki/Bistabile_Kippstufe#Breite_Verwendung_in_der_Digitalelektronik 9 http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe#Anwendungsbeispiele 10 http://de.wikipedia.org/wiki/Impulsgenerator Seite 16 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 4.2.3 Multivibrator – Blinkgenerator/ Tongenerator11 Ein Multivibrator kann zwischen zwei Zuständen selbständig oder von außen angesteuert wechseln. Somit kann er ein Signal erzeugen, dass immer zwischen zwei Zuständen hin und her springt. Genau dieses Verhalten ist bei einem Tongenerator oder Blinkgenerator erwünscht, da diese beispielsweise ein Lämpchen zum blinken (durch ständigen Signalwechsel) oder eine Frequenz, die sich ständig wiederholt erzeugen müssen. 11 http://de.wikipedia.org/wiki/Multivibrator#Anwendungen Seite 17 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 5 Quellenverzeichnis 5.1 Grafiken Seite Abbildung 1: einfache Kondensatorschaltung............................................................. 4 Multisim Abbildung 2: Auf- und Entladevorgang an einem Kondensator................................... 5 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/diagramm/02053011.gif Abbildung 3: einfache Transistorschaltung ................................................................. 6 Multisim Abbildung 4: Versuchsaufbau..................................................................................... 8 Multisim Abbildung 5: Impulsdiagramm .................................................................................... 9 Multisim Abbildung 6: Messung des Impulses .......................................................................... 9 Multisim Abbildung 7: Datenblatt BC237B ...............................................................................12 Screenshot aus http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/d/0j4804uh2fj973ol0pqczgsx987y.pdf Abbildung 8: neues Schaltbild ...................................................................................14 Multisim Seite 18 von 19 Laborbericht Thema: Monostabile Kippstufe 5.2 Quellen Seite 1 Grundlagen........................................................................................................... 4 1.1 Kondensator ................................................................................................. 4 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205301.htm 2 Analyse der Monostabilen Kippstufe..................................................................... 8 2.4 Berechnen der Impulsdauer.........................................................................11 http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe#Haltezeit_.28approximiert.29 4 Kippstufen allgemein ...........................................................................................15 4.1 Verschiedene Arten .....................................................................................15 http://de.wikipedia.org/wiki/Kippstufe http://de.wikipedia.org/wiki/Bistabile_Kippstufe http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe http://de.wikipedia.org/wiki/Multivibrator 4.2 Anwendungen von Kippstufen .....................................................................16 http://de.wikipedia.org/wiki/Bistabile_Kippstufe#Breite_Verwendung_in_der_Digitalelektr onik http://de.wikipedia.org/wiki/Monostabile_Kippstufe#Anwendungsbeispiele http://de.wikipedia.org/wiki/Impulsgenerator http://de.wikipedia.org/wiki/Multivibrator#Anwendungen Seite 19 von 19
