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Grund–, Speicher– und Zeitschaltungen

Zeitschaltungen (Multivibratoren, Monoflops) mit NE555

Bei Modellbahnen allgemein, aber auch bei der Elektronik für ihren Betrieb, spielt Zeit eine ganz entscheidende Rolle. Beispiele sind die Umwandlung kurzer Impulse zu solchen von definierter Dauer, Ein– und Ausschalt–Verzögerung, Fortschalte–Automatik und Taktgeber (zum Beispiel für Blinklichter / Wechselblinker).

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Nachfolgend werden typische Schaltungen auf Basis des IC NE555 (LM555) beschrieben. Wie Lasten an den Ausgang angeschlossen werden können, wurde schon bei den Speicherschaltungen (Flipflop) erklärt.

Im Bereich „Sound” wird zusätzlich ein Monoflop mit einstellbarer Einschaltverzögerung auf Basis des CMOSIC 4538 beschrieben.

Im Zusammenhang mit der Fahrtrichtungs–Erkennung werden zwei sich wechselseitig sperrende Monoflops vorgestellt.

Abschnitte dieser Seite:

 

Astabiler Multivibrator (Taktgeber)

Der NE555 kann ideal als Taktgeber eingesetzt werden. So eine Schaltung kann zum Beispiel benutzt werden, um ein Blinklicht zu steuern, eine Glocke über ein Relais zu schlagen oder die Taktfrequenz für eine Link zum Glossar Impulsbreiten–Modulation zu liefern.

Im Bild dieses Abschnitts ist die prinzipielle Beschaltung zu sehen. Zunächst ist der Elko entladen. Dadurch liegt auch an seinem Pluspol GND (Masse). Das IC wird über Trigger (2) gestartet. Die interne Verbindung zwischen Discharge (7) und GND wird unterbrochen. Dadurch kann sich der Elko über R1 und R2 aufladen. Sobald 2/3 der Versorgungsspannung (Uv) erreicht sind, wird das IC zurückgesetzt. Discharge (7) wird wieder mit GND verbunden, sodass sich der Elko über R2 entladen kann, bis sein Niveau nur noch 1/3 von Uv beträgt. Dadurch wird der Zyklus erneut gestartet.

Es ist nicht ganz einfach, die gewünschten Werte „hin zu bekommen”. Klar ist: Größere Werte für R1, R2 und C ergeben längere Zeiten, kleinere kürzere. Neben den Formeln zur Berechnung von Frequenz, Ein– und Auszeit finden Sie im folgenden Abschnitt ein Formular, das Ihnen die Tipperei auf dem Taschenrecher erspart.

Tipp: Für Blinde und Benutzer ohne JavaScript ist die allein stehende Ausführung der Formulare zur Berechnung von Zeitschaltungen besser geeignet. Da lassen sich die Ergebnisse auch besser kopieren.

 

Formeln und Formular für NE555–Multivibrator

Die Einheiten für die folgenden Formeln und das Formular: (das Zeichen für Ohm), Farad (µF im Formular), Sekunden, Hz.

  • Frequenz in Hertz (Hz): f = 1 ÷ (0,694 × C × (R1 + (2 × R2))).
  • Ein–Zeit: th = 0,694 × (R1 + R2) × C.
  • Aus–Zeit: tl = 0,694 × R2 × C.

Tipps: Um etwa gleich lange Ein– und Aus–Zeiten zu erreichen, sollte der Wert von R1 klein sein, zum Beispiel 100 . Mit dem Wert von R2 und C können Sie dann die Dauer einstellen.
  Beispiel 1 berechnen.

Je größer der Wert von R1 im Verhältnis zu R2 wird, desto länger werden die Ein–Zeiten im Vergleich zu den Aus–Zeiten sein.

Sehr kurze Signale mit langen Pausen erreichen Sie (nur), wenn sie am Ausgang (Pin 3) die Zustände invertieren (an = aus und aus = an). Der dritte Schaltplan dieses Abschnitts zeigt eine mögliche Lösung dafür, wenn Sie am Ausgang massekompatible Signale brauchen.
  Beispiel 2 berechnen.

Werte für den astabilen Multivibrator
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Die Ergebnisse werden in die folgenden Felder eingetragen.

Ergebnisse
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Monostabile Kippstufe (Monoflop)

Monostabile Kippstufen sind wichtiger als Multivibratoren. Sie geben beim Eintreffen eines Impulses am Starteingang T eine Flanke von definierter Länge ab. Sie müssen auch auslaufen, wenn der Eingang geschlossen bleibt. Sie sollten so beschaltet sein, dass sie erst wieder für einen neuen Start bereit sind, wenn der vorherige Zyklus abgelaufen ist.

Im Bild ist die grundsätzliche Beschaltung eines Monoflops zu sehen. Die Dauer des Impulses bestimmt die Kombination aus R1 und dem Elko C.

Zunächst ist der Elko C entladen, das IC im Ruhezustand. Discharge (7) ist intern mit GND (Masse) verbunden. Wird nun eine negative Flanke an den Steuereingang (2) gegeben (über den 100 nF–Kondensator gepuffert), wird das interne Flipflop gesetzt und Discharge von GND getrennt. Jetzt kann sich der Elko über R1 aufladen. Sobald 2/3 Uv erreicht sind, kippt die Schaltung in den Ursprungzustand zurück, der Ausgang wird wieder abgeschaltet. Der Elko entlädt sich über (7) und GND.

Die Formel zu Berechnung der Impulsdauer in Sekunden ist:
t = 1,1 × R × C.

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Monoflop: Impulsdauer berechnen

Werte für die monostabile Kippstufe
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Ergebnis
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Unterdrückung des Start–Zyklus

Mit NE555 aufgebaute Monoflops haben zwei unangenehme Eigenschaften: Wenn die Versorgungsspannung angelegt wird, starten sie einen ersten Zyklus. Das ist jedoch - besonders bei komplexeren Automatisierungs–Aufgaben - sehr unerwünscht. Außerdem zeigen sie bei größeren Leitungsentfernungen und / oder schlechter Signal–Qualität am Trigger–Eingang eine gewisse „Nervösität”.

Im Schaltplan dieses Abschnitts wird gezeigt, wie der Eingang an Pin 2 beschaltet wird. Durch die Kombination der zwei 100 k–Widerstände mit dem 100 nF–Kondensator werden Störungen auf der Eingangsleitung einigermaßen wirksam vermieden. Außerdem wird dadurch die Schaltung erst für einen neuen Impuls empfänglich, wenn der Eingang zwischenzeitlich wieder offen war.

Durch den Ladezustand des 100 nF–Kondensators an Pin 6 und den 10 k–Widerstand zwischen Pin 7 und Pin 6 wird der Startzyklus bei Anlegen der Versorgungsspannung Uv wirksam unterdrückt - der Kondensator muss sich erst aufladen, bevor die Schaltung „empfänglich” wird.

Achtung: Nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung muss sich der Kondensator erst entladen, damit der nächste Startzyklus wieder unterdrückt wird. Daher ist es in solchen Fällen immer eine gute Idee, eine Weile zu warten, bis die Spannung wieder angelegt wird.

Bei diesem Monoflop können Sie mit einem Potentiometer an Stelle von R1 die Impulsdauer in sehr weiten Bereichen einstellen, bei 100 k und 47 µF zum Beispiel zwischen etwa 0,005 und 50 Sekunden.

 

Retriggerbares Monoflop

Es gibt Situationen, bei denen es erwünscht ist, dass ein Monoflop keinesfalls abfällt, solange ein Signal am Steuereingang anliegt. Bei den oben vorgestellten Typen ist das jedoch der Fall. Auch wenn Sie den Eingangstaster gedrückt halten, wird der Zyklus ablaufen. Die Situation kann zum Beispiel eintreten, wenn Sie möchten, dass eine Schaltung mindestens noch t Sekunden nach dem Abfallen eines Signals weiterläuft. Beispiel: Eine Schranke am Bahnübergang soll sich erst öffnen, wenn der letzte Wagen eines Zugs schon längere Zeit vorbei gefahren ist.

Der Schaltplan zeigt, wie diese Aufgabe gelöst wird. Der Witz ist die zusätzliche Standard–Diode 1N4148, die Pin 6 und 7 des NE555 gegen GND zieht, solange der Taster gedrückt wird - aber eben auch, wenn er erneut gedrückt wird, während ein Zyklus läuft. Das heißt: Solange innerhalb der Zykluszeit Impulse oder Dauersignale eintreffen, bleibt der Ausgang des NE555 „high”, und erst, wenn Impuls oder Signal abgelaufen sind, startet die letzte Zykluszeit.

So eine Schaltung könnte auch als Nachläufer oder Ausschalt–Verzögerung bezeichnet werden (Beispiel: Der Ventilator auf der Toilette bleibt noch fünf Minuten an, nachdem das Licht ausgeschaltet wurde).

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Fortschalte–Automatik

Bei manchen Sicherungs– und Automatisierungsaufgaben ist es oft nötig oder erwünscht, dass bestimmte Schritte in einer geordneten Reihenfolge nacheinander ablaufen. Das oben vorgestellte Monoflop ist für diese Zwecke sehr gut geeignet. Um so ein Monoflop zu triggern, also zu starten, wird nämlich eine negative Flanke benötigt. Diese Flanke kann von Ausgang eines anderen Monoflops bereit gestellt werden. Solange dieses läuft, ist sein Ausgang positiv. Fällt dieser ab, entsteht die gewünschte Flanke, und damit kann ein weiteres Monoflop gestartet werden.

Auf dem Bild dieses Abschnitts ist, arg gedrängt, die Verbindung der einzelnen Monoflops zu sehen. Alle „normalen” Kondensatoren haben einen Wert von 100 nF. Ein negativer Impuls am Steuereingang T startet das erste Monoflop. Wenn es ausläuft, wird das zweite gestartet, und so weiter. Wenn Sie möchten, dass das letzte Monoflop das erste neu startet, müssen Sie nur die beiden Punkte A miteinander verbinden. Die Schaltung wäre dann zum Beispiel geeignet, um eine typische Lichtreklame zu gestalten, bei der einzelne Flächen nacheinander aufleuchten.

In der hier gezeigten Form ist sie auch sinnvoll, um mehrere Weichen nacheinander in eine definierte Lage zu bringen, ohne dass alle Antriebe gleichzeitig schalten. Eine weitere typische Anwendung wären eine mit einer definierten Impulsdauer kombinierte Einschaltverzögerung, (dann mit einem NE556), obwohl sich diese Aufgabe auch gut einem CMOSIC des Typs 4538 (doppeltes, retriggerbares und zurücksetzbares Monoflop) erledigen lässt.

 
 
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