Eine solche Schaltung ist eine von mehreren Grundschaltungen auf denen viele anderen digitale Schaltungen
mehr oder weniger aufbauen.
Deswegen ist es besonders wichtig diese Schaltung zu kennen und besser noch, sie zu verstehen.
Astabile Kippstufe deshalb, weil sie zwei nicht stabile Zustände annehmen kann und im folgenden Beispiel hoffentlich
auch annimmt.
Fangen wir erst einmal klein an und folgen der Plus Leitung einmal ,so erkennen wir das die positive
Betriebsspannung einmal direkt auf die Leuchtdiode Led 1 geht.
Dann durch den Widerstand R1 und schließlich auf den Kollektor von Transistor T2, dort wäre dann erst einmal
Schluss.
Heißt der Strom kann nicht weiter und die Led würde somit nicht leuchten, wenn nicht der Widerstand R2 wäre.
Der ermöglicht nämlich in diesen Fall das der Transistor durchgeschaltet wird und damit die Led doch leuchtet.
was heiß das nun schon wieder ?
Die Leuchtdiode ist ein sogenannter Halbleiter, und Halbleiter haben keinen festen Widerstand sondern der
Widerstand ist abhängig von der Höhe der angelegten Spannung, vom verwendeten Material der Leuchtdiode ,
und von der Umgebungstemperatur und einiges mehr.
Weil sich der Widerstand aber mit der Temperatur ändert, und Halbleiter die Eigenschaft haben mit zunehmender
Temperatur ihren Widerstand zu verringern, hat dies zu folge das wenn sich der Widerstand verringert dadurch
auch der Strom ansteigt.
Wenn aber der Strom steigt wird sich die Led noch weiter erwärmen, infolge der Strom weiter steigt und so weiter....
Die Led würde sich also selber umbringen , ein klassischer Selbstmord.
Um das zu verhindern können verschieden Maßnahmen getroffen werden, eine und auch die einfachste wäre es
vor der Diode einen Widerstand zu platzieren der den maximalen Strom begrenzt, und zwar auf den Strom den die
Leuchtdiode noch vertragen kann.
Das sind in der Regel bei Standard Leuchtdioden 0,020 Ampere also 20 mA, die Neusten benötigen nur ca. 1-2 mA
Woher weiß ich das es 20 mA sind ?
Diese Werte weiß man entweder aus der Erfahrung oder sonst nur durch das dazugehörige Datenblatt.
Heute ist es relativ einfach an Datenblätter zu kommen.
Datenblätter für nahezu aller Standard Bauteile sind heute im Netz zu bekommen , dagegen war es vor
ca. 20 Jahren fast unmöglich an Datenblätter heran zu kommen, so musste man sich teure Bücher aneignen und war
froh wenn darin die wichtigsten Datenblätter abgebildet waren.
Oft konnte man nur Experimentieren und musste meist einen hohen Blutzoll zahlen,weil auch die Halbleiter zu
dieser Zeit noch sehr teuer waren.
Um also den Widerstand zu berechnen bedient man sich folgender Formel:
U = R * I
( U=Spannung , R= Widerstand, I= Strom)
oder nach R (Widerstand) umgestellt sieht es dann folgendermaßen aus:
R= U/I
Anhand der Formel sehe ich schon das wenn ich R ausrechnen möchte ich die folgende Werte benötige
nämlich die Spannung und den Strom.
Der Strom wie oben schon erwähnt ist 20 mA, fehlt also noch die Spannung.
Angenommen wir haben eine Betriebsspannung (Batteriespannung) von 9 Volt ,und wenn wir ein Datenblatt zur Leuchtdiode
hätten würden wir nachlesen können das bei einer roten Leuchtdiode ca 2,2 Volt benötigt werden.
Ziehen wir also von den 9 Volt Betriebsspannung die Spannung 2,2 Volt ab so verbleiben 6,8 Volt.
Wenn wir weiter davon ausgehen das über den Transistor wenn er dann geschlossen ist keine Spannung verloren
geht , das stimmt zwar nicht ganz, einiges geht auch da verloren, aber das ist vernachlässigbar so bleiben für den
Widerstand R2 , noch 6,8 Volt übrig.
Jetzt wissen wir aber noch , das wenn wir zwei Werte haben den dritten Wert ausrechnen können , wir haben also
Spannung 6,8 Volt, und Strom 20 mA weil ja der Strom der durch die
Leuchtdiode fließt genauso durch den Widerstand muss.
R= U/I
Widerstand = Spannung / Strom
6,8 Volt / 0,020 A = 340 Ohm , ergo der Widerstand sollte mindestens 340 Ohm groß sein damit die
Leuchtdiode nicht ins Nirwana geht.
Da aber Widerstände genormt sind gibt es die nicht in allen Größen , daher nehmen wir die nächst mögliche größere
Größe die in der Normreihe verfügbar ist,und das wären 470 Ohm.
Damit bekommt die Leuchtdiode zwar etwas weniger Strom als sie maximal vertragen kann,
dafür hält sie aber auch länger und die Batterie ist auch nicht so schnell leer.
billigsten Standard Typen die fast überall eingesetzt werden können.
Auch für den Transistor gilt wieder, ohne Datenblatt kann man sich nur auf Erfahrungen berufen .
Deshalb zuerst einmal das Datenblatt dazu
Ein wichtiges Detail ist die Anschlussbelegung, diese Belegung haben viele Transistoren gemeinsam ,
aber Achtung viele , nicht alle.
Beim markierten Bereich ist der Strom angegeben der maximal in der Kollektor-Emiter Strecke fließen darf, demnach
dürfen 100 mA fließen.
In unserem Beispiel fließen aber maximal 20 mA, somit befinden wir uns im unteren Bereich des möglichen,
hinzu muss noch der Strom addiert werden der von der Basis
zum Emitter fließt, aber der ist so klein das wir ihn einfach vernachlässigen können.
In der Markierten Zeile des Datenblattauszug Bild2 sehen wir den Verstärkungsfaktor des Transistor BC 547 ,
meist haben diese Transistoren hinter den Typen Ziffern noch einen Buchstaben A,B oder C, diese Buchstaben
geben den Verstärkungsfaktor des Transistor an .
In einer Spalte sehen wir den Minimal-Wert von 125 ,
das ist die minimale Verstärkung , der Bindestrich dahinter gibt normalerweise einen etwas höheren Wert an, der
die Typische Verstärkung angibt warum es in diesen Datenblatt nur mit einem Bindestrich versehen ist entzieht
sich meiner Kenntnis, und letztendlich in der dritten Spalte den Wert 900 , der wiederum den Maximal-Wert angibt.
Der Verstärkungsfaktor gibt an um ein wie viel höherer Strom in der Kollektor Emitter Strecke fließen kann wenn ich
einen bestimmten Strom an der Basis Emitter Strecke fließen lasse.
Gehen wir in unserem Fall einfach mal vom Maximal Wert aus , also 900, so ist der Transistor im Stande den an der
Basis angelegten Strom um das 900 fache zu verstärken ,
es kann also in der Kollektor Emitter Strecke ein 900 fach höherer Strom fließen, da wir aber wissen das wir für die
Leuchtdiode einen Strom von 20 mA benötigen sollte der
Strom der Basis Emitter Strecke maximal den 900 Teil betragen also 25mA / 900 = 0,027 mA oder 0,000 027 Ampere.
Ein geschlossener Transistor hat in seiner Basis Emitter Strecke immer einen Spannungsabfall der je nach fließenden
Strom ca, 0,7 Volt beträgt.
Nehmen wir jetzt die Betriebsspannung zu Grunde von 9 Volt und ziehen die 0,7 ab so verbleiben 8,3 Volt.
Jetzt haben wir wieder zwei Werte und können den Dritten ausrechen nämlich den Widerstand.
R=U / I also Widerstand ist Spannung durch Strom ,8,3 Volt geteilt durch 0,000027 =30740 Ohm ( 30,7 kOhm)
Bild 2
natürlich auch einfacher haben nämlich ohne Transistor.
Aber unsere Schaltung ist ja noch nicht fertig, also bauen wird das ganze nach Bild 3 noch einmal Spiegelverkehrt auf,
auch dann macht die Schaltung nicht besonders viel außer das jetzt zwei Leuchtdioden leuchten sollten.
Bild 3
Damit haben wir die Schaltung komplett und beide Leuchtdioden sollten abwechselnd blinken.
Die Geschwindigkeit mit der das blinken stattfindet ist in der Hauptsache von zwei Faktoren abhängig von
Widerstand R2 und Kondensator C2 für Led 2, und Widerstand R4 und Kondensator C1 für Led 1.
Wichtig bei dieser Schaltung sind die Widerstand R2 und R4 , die jeweils um den Faktor 10 größer sein müssen
als die Widerstand in den jeweiligen Kollektor Pfade.
Nehmen wir an das wir die Schaltung an Spannung legen dann würden eigentlich beide Transistoren durchschalten
und dadurch beide Led's leuchten.
Bedingt durch Bauteiledifferenzen würde real gesehen aber ein Transistor etwas früher durchschalten als der
andere.
Der nun dazugehörige Kondensator verhindert nun aber für einen kurzen Moment ein durchschalten des anderen Transistors.
Welcher Transistor als erstes durchschaltet kann man nicht vorhersehen und hängt von den Toleranzen und vom
Zufall ab.
Nehmen wir folgendes an, nach dem Einschalten der Betriebsspannung würde als erstes Transistor T2 durchschalten,
dann würde der Kollektor von T2 auf nahezu Masse liegen, wenn man die Funktion eines Kondensator kennt , weiß man
das sich ein solcher im ersten Moment erst einmal auflädt und dann der Stromfluss zum erliegen kommt.
Genauso ist es beim Entladen, wenn also eine vorhandene Spannung am Kondensator abgeschaltet wird,
entlädt sich dieser Kondensator noch bevor der Stromfluss verebbt.
Wenn also Transistor T2 durchschaltet ist , liegt der Kollektor von T2 auf Masse ebenso die linke Seite des
Kondensator C1 und für einen kurzen Moment auch die rechte Seite des Kondensators C1 dieser wird dann aber über
den Widerstand R4 aufgeladen bis an der Basis von T3 eine genügend hohe Spannung anliegt um
Transistor T3 durch zu schalten.
Ist dieser dann durchgeschaltet dann leuchtet Led 2 und der Kollektor von T3 liegt dann auf Masse und damit
ebenso die rechte Seite vom Kondensator C2 und auch da für einen Moment die linke Seite von C2.
C2 entlädt sich praktisch und bildet für sehr kurze Zeit einen Kurzschluss somit ist auch die linke Seite von C2
für eine kurze Seit auf Masse und damit auch die Basis von Transistor T2 der dann sperrt . bis sich der Kondensator C2
über den Widerstand R2 langsam wieder auflädt und T3 durchschaltet. Uns so geht es dann immer weiter.
Die Zeit zum Ein und Ausschalten hängt also fast nur von den Widerständen R2 und R4 und der beiden Kondensatoren
C1 und C2 ab.
Rhythmus geschieht und durch einen Trimmer (Trimmer ist ein kleiner veränderlicher Widerstand) die Frequenz des
Blinken im gewissen Bereich Variabel ist.
Die Widerstände R2 und R4 müssen dadurch natürlich angepasst werden
Die Frequenz ist auch abhängig von der Höhe der angelegten Betriebsspannung.
Mit zunehmender Betriebsspannung erhöht sich auch etwas die Frequenz.
Die Frequenz lässt sich in etwa folgendermaßen berechen:
Frequenz = 1/(R2 *C2 +R3*C1)
Frequenz = 1 / ( 47000* 0,00001 + 47000*0,00001)
Wichtig ist das die Widerstände R2 und R3 jeweils um ca. das 10fache größer sein müssen als die Kollektor Widerstande
sonst kann es passieren das die Schaltung nicht funktioniert.
Die Schaltung wurde mit einer Betriebsspannung zwischen 7 und 12 Volt getestet.
