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Grund–, Speicher– und Zeitschaltungen

Speicherschaltungen (Flipflops)

Modellbahnern sind bistabile Relais (zum Beispiel in Form von Weichenantrieben) bekannt. Viele Aufgaben lassen sich jedoch preiswerter oder überhaupt nur durch eine elektronische, bistabile Kippstufe (Flipflop) erledigen.

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Eine Flipflop–Schaltung kann es in verschiedenen Ausführungen geben - und mit verschiedenen Umsetzungen. Flipflops können mit Transistoren aufgebaut werden oder dem TimerIC NE555, aber auch mit einem (CMOS–) IC 4011 (vier NAND–Gatter mit je zwei Eingängen).

Nachfolgend werden einige typische Schaltungen auf Basis des NE555 und des Zwillings NE556 beschrieben.

Abschnitte dieser Seite:

 

Einfaches RSFlipflop

Das RSFlipflop ist der klassische Typ schlechthin. Es hat zwei Eingänge (Reset und Set, zurück setzen und setzen) und einen Ausgang. Im Bild ist die Beschaltung eines NE555 als RSFlipflop zu sehen.

Eine negative Flanke an Pin 2 (Trigger) über Taster S setzt das Flipflop, eine an Pin 4 (Reset) über Taster R versetzt es wieder in den Ruhezustand. Ist es gesetzt, wird Ausgang 3 positiv und treibt einen NPN–Transistor (Ts), der als „open collector”, offener Kollektor, geschaltet ist. Daher steht bei gesetztem Flipflop am Ausgang S der Schaltung GND (Masse) zur Verfügung. Bei dem als Verstärker verwendeten Transistor BC337 können bis zu 1 Ampère Last geschaltet werden.

An die Stelle der Taster können natürlich auch andere Signalquellen treten, so zum Beispiel die Ausgänge von Lichtschranken. Es ist allerdings wichtig, dass nur Impulse eintreffen und kein Dauersignal - denn bei Flipflops darf niemals ein undefinierter Zustand eintreten. Andernorts wird erklärt, wie sich Dauersignale in Impulse umwandeln lassen.

 

Invertierende Ausgänge

Es kann erwünscht sein, ein Signal für beide Zustände des Flipflops zu bekommen. Bei dem hier gezeigten (und etlichen anderen) Flipflops kann die im Bild dieses Abschnitts gezeigte Ausgangsstufe an den Ausgang 3 des NE555 angeschlossen werden. Ist der low (führt GND), wird der PNP–Transistor BC557 durchschalten und den oberen Ausgangs–NPN–Transistor BC337 treiben (das ist der invertierte Ausgang S'). Ist er high (führt Versorgungsspannung, Uv), wird der untere NPN–Transistor durchschalten (S), der obere ist mangels Basisstrom gesperrt.

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Flipflop mit Toggle–Eingang (1)

Gelegentlich werden Flipflops benötigt, die mit nur einem Eingang auskommen. Jeder eintreffende Impuls schaltet das Flipflop in den jeweils anderen Zustand um. Das Wechseln des Zustands wird englisch „toggle” genannt. Daher wird dieser Typ auch kurz „T–Flipflop” genannt.

Das Bild des Abschnitts zeigt eine entsprechende Schaltung.

Wenn das Flipflop im Ruhezustand ist, liegt am Ausgang des NE555 (Pin 3) Minus (0 Volt). Durch einen Tastendruck werden der Trigger– (2) und Treshold–Eingang (6) über den 10 k–Widerstand mit GND verbunden, also weniger als 1/3 Uv. Das Flipflop wird gesetzt.

Nun erscheint am Ausgang 3 eine logische 1, also Uv. Damit wird der Ausgangs–Transistor getrieben. Bei einem erneuten Tastendruck wird nun über den 10 k–Widerstand Uv an die Pins 2 und 6 gegeben. Die Spannung wird größer als 2/3 Uv, das Flipflop wird zurück gesetzt.

Der 10 µF–Elko muss den jeweils letzten Zustand des Ausgangs speichern, bis ein Umschaltvorgang abgeschlossen ist, weil das IC sonst durch die schnellen Zustandswechsel permanent umschalten würde.

Die Schaltung ist - zumindest in dieser Ausführung - nicht ideal. Da über den Taster T sowohl Uv als auch GND in derselben Richtung fließen, kann er nicht so ohne weiteres durch Transistoren oder andere Signalquellen ersetzt werden. Es ist auch nicht günstig, dass der Kollektor des Ausgangs Ts nicht offen ist, und die Inverterstufe von oben funktioniert an diesem Flipflop ebenfalls nicht.

 

Bipolarer Transistor–Schalter

Mit etwas Aufwand lässt sich zumindest die Eingangs–Steuerung des zuletzt gezeigten Flipflops so „aufbohren”, dass es sogar drei Steuereingänge hat (Set, Reset, Toggle), die alle Impulse gegen Masse (GND) verwenden.

Im Bild ist die nötige Schaltung zu sehen. Für die Set– und Reset–Funktion, die ja unterschiedliche Polaritäten erfordern, werden ein NPN– und ein PNPTs eingesetzt.

Die Steuereingänge sind - über Dioden entkoppelt - miteinander verbunden. Ein negativer Impuls an T schaltet - in Abhängigkeit des Zustands des Ausgangs 3 - das Flipflop in den jeweils anderen Zustand.

Diese Schaltung wird hier nur gezeigt, weil sie prinzipiell auch für andere Aufgaben eingesetzt werden kann.

 

Flipflop mit Toggle–Eingang (2)

Die oben vorgestellte Schaltung ist aufwendig und wenig elegant. Deswegen wurde noch einmal über eine bessere und einfachere Lösung nachgedacht. Achtung: Dieser Vorschlag ist noch ungetestet!

Basis ist das RSFlipflop wie oben gezeigt. Es wird zunächst um die aus der letzten Schaltung bekannte Kombination aus R 10 k und C mit 10 µF ergänzt. Wie oben gesagt, speichert der Elko den letzten Zustand des Ausgangs 3. Zwischen R und C (an A) liegt also eine positive Spannung oder GND.

Das Flipflop sei im Ruhezustand. An Pin 3 liegt GND, der Elko kann sich nicht aufladen (auch nicht über die 100 k ganz links, weil der PNP–Transistor sperrt). Wird dessen Basis nun ein negativer Impuls zugeführt, verbindet er (hier als Spannungsregler beschaltet) den Trigger–Eingang 2 des IC mit GND, das Flipflop wird gesetzt.

Nun wird sich der Elko durch den positiven Ausgang 3 aufladen können. Nach einiger Zeit liegt an Punkt A Uv. Dadurch wird über den 47 k–Widerstand der NPN–Transistor durchschalten. Sobald sein Emitter einen negativen Impuls erhält, wird dieser über den Kollektor dem Reset–Eingang 4 zugeführt - das Flipflop wird zurückgesetzt.

Der NPN–Transistor benötigt keinen Pull down–Widerstand, weil es egal ist, ob er durchschaltet oder nicht, solange kein GND am Emitter liegt. Der PNP Transistor sollte hingegen einen Pull up–Widerstand haben.

Diese Version hat noch den Nachteil, dass ein nachgeschalteter Transistor auch von einem aufgeladenen Elko über den 10 k–Widerstand Basisstrom beziehen kann.

 

Flipflop mit drei Zuständen und Eingängen

Es gibt Situationen, bei denen Flipflops mit drei exklusiven Zuständen benötigt werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Ansteuerung einer Link zum Glossar Duo–LED. Duo–LED haben meist eine Kathode und zwei Anoden. Wird die eine angeschlossen, leuchtet die LED grün, bei der anderen rot. Werden beide mit Spannung versorgt, leuchtet sie gelb. Das ist eine für Modellbahn–Stellpulte sehr praktische Eigenschaft, beispielweise um die Signalbilder „Halt”, „Fahrt mit verminderter Geschwindigkeit” und „Fahrt frei” Platz sparend und doch deutlich anzuzeigen.

Diese Aufgabe ließe sich noch einfach mit Standarddioden lösen. Wenn aber bei der Herstellung eines von drei exklusiven Zuständen nur ein Impuls abgegeben wird, muss dieser gespeichert werden. Das lässt sich mit wenigen Bauteilen und auf geringstem Raum mit einem NE556–IC erledigen, dem NE555–Zwilling mit gemeinsamen Versorgungsleitungen für Plus und Minus.

Leiterbahn–Entwurf: doppelte bistabile Kippstufe mit drei Zuständen und Eingängen.
[ ± ].

In der Schaltung (zweites Bild des Abschnitts) sind zwei normale RSFlipflops (wie oben) zusammen gesetzt. Je ein Ausgang treibt die „rote” Anode (links) oder die „grüne” (rechts). Die drei Eingänge links unten im Bild sind farbig markiert (rot, gelb, grün). Wird an einen dieser Eingänge ein negativer Impuls gegeben, wird die Duo LED in der entsprechenden Farbe leuchten. Die Eingänge der Flipflops sind teilweise - über Standarddioden entkoppelt - miteinander verbunden. „Rot” setzt beide Flipflops zurück. „Gelb” setzt beide. „Grün” setzt das linke (rot) zurück und setzt das rechte (grün).

Erstes Bild: So Platz sparend kann der Einsatz eines NE556 sein. Das Doppel–Flipflop kommt mit den Vorwiderständen für die LED auf 30,5 × 25,5 mm unter.

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