Informations- und Kommunikationstechnik

Monostabile Kippstufe

Monoflop im stabilen Zustand

Eine monostabile Kippschaltung, auch Monoflop genannt, ist in nicht integrierter Schaltung mit zwei Transistoren aufgebaut, die als elektronische Schalter arbeiten. Beim Anlegen der Betriebsspannung versuchen beide Transistoren in den leitenden Zustand zu kommen. Durch Bauteiltoleranzen bedingt wird einer der Transistoren schneller durchschalten. Im Schaltungsbeispiel soll das der Transistor K1 sein. Seine Kollektor-Emitterspannung nimmt schnell ab und hält den Transistor K2 gesperrt. Die Schaltung erreicht einen stabilen Zustand und am Ausgang A ist die Betriebsspannung messbar.

Beim gesperrten Transistor K2 hat sich der Kondensator auf die eingezeichnete Spannung aufgeladen. Liegt am Eingang E ein positiver Schaltimpuls ausreichender Amplitude, so werden die Transistoren für eine bestimmte Zeit umgeschaltet. Die neuen Verhältnisse sind im folgenden Bild dargestellt.

Mit einem ausreichend großen positiven Triggerimpuls erhält die Basis von K2 ein positives Potenzial und schaltet diesen Transistor in den leitenden Zustand. Sein Kollektorpotenzial fällt auf rund 0,2 Volt. Da im Umschaltmoment der Spannungswert über dem Kondensator mit rund 9 V gleich bleibt, erhält das Basispotenzial von K1 diesen Wert als −9 Volt. Das geänderte Potenzial sperrt den Transistor K1 und sein Kollektorpotenzial wechselt auf den Wert der Betriebsspannung. Dadurch bleibt über den Basisvorwiderstand RB2 die Basis von K2 auch ohne Triggersignal positiv und lässt den Transistor leiten. Die Schaltung befindet sich im nicht stabilen Zustand.

Monoflop nach dem Umschalten im nicht stabilen Zustand

Der Kondensators wird von der Betriebsspannung über RB1 und die niederohmige Kollektor-Emitterstrecke von K2 durch den Strom I umgeladen. Anders beschrieben lädt sich die an der Basis von K1 angeschlossene Kondensatorelektrode von der Betriebsspannung über RB1 nach einer e-Funktion wieder positiv auf. Erreicht das Basispotenzial von K1 wieder +0,7 V, so leitet dieser Transistor wieder. Sein Kollektorpotenzial fällt auf 0,2 V und versetzt den Transistor K2 erneut in den anfänglichen Sperrzustand. Mit der rechten Elektrode liegt der Kondensator über R2 wieder an der Betriebsspannung. Der Monoflop befindet sich wieder im stabilen Zustand und kann erst jetzt von einem neuen positiven Triggerimpuls umgeschaltet werden.

Verweilzeit

Die Dauer des nicht stabilen Zustands, wo der Kondensator nach dem Triggerimpuls entladen wird, gilt als Verweilzeit. Die Entladung erfolgt über RB1 und den niederohmig leitenden Transistor K2. Der Bahnwiderstand RCE2 kann vernachlässigt werden. Die Entladezeitkonstante errechnet sich dann zu:

τe = (RB1 + RCE2) · C ≈ RB1 · C    für die Verweilzeit gilt:    t1 = 0,69 · RB1 · C

Hat die Schaltung am Kollektor von K1 einen zweiten Ausgang, so ist dort ein rechteckförmiges Schaltsignal mit dieser Verweilzeit nutzbar.

Erholzeit

Nach der Kondensatorentladung und dem Sperren des Transistors K2 wird der Kondensator über R2 und die niederohmige Basis-Emitterstrecke des leitenden Transistors K1 erneut geladen. Die Erholzeit soll rund 5 Aufladezeitkonstanten betragen. Die Zeiten berechnen sich damit zu:

τa = (R2 + RBE1) · C ≈ R2 · C    für die Erholzeit gilt:    t2 ≈ 5 · R2 · C

Mit den in der Schaltung verwendeten Bauteilwerten für C = 100 nF, RB1 = 22 kΩ und R2 = 1 kΩ lassen sich diese Zeiten berechnen. Sie stimmen mit den aus den Diagrammen abgelesenen Werten gut überein. Die Verweilzeit beträgt t1 = 1,6 ms und die Erholzeit t2 = 0,5 ms.

Ansteuerungsarten

Die monostabile Kippstufe kann durch jeden der beiden Transistoren geschaltet werden. Der stabile Zustand kippt beim Steuern des gesperrten Transistors durch einen ausreichend großen positiven Steuerimpuls. Ebenso kann mit einem negativen Impuls der leitende Transistor gesperrt und die nicht stabile Phase eingeleitet werden. In beiden Fällen handelt es sich um eine statische Ansteuerung. Das Triggersignal muss ausreichend lang und kürzer als die Kippzeit sein.

Bei der dynamischen Ansteuerung wird das Triggersignal von einem RC-Hochpass differenziert. Der Steuerimpuls mit der geeigneten Polarität wird durch eine entsprechend geschaltete Diode an die anzusteuernde Basis gegeben.

Ein zu negatives Basispotenzial kann bei der Basis-Emitterdiode des Transistors einen Zenereffekt auslösen. Die Basis-Emitterstrecke wird dadurch leitend und beeinflusst die berechnete Verweilzeit. Eine Schutzdiode in der Leitung vom Kondensator zur Basis hält das negative Potenzial fern. Die folgende Schaltung zeigt ein Monoflop mit dynamischer Ansteuerung. Die Schaltung verlängert Eingangsimpulse mit einer Dauer von 5 ms auf 15 ms.

Monoflop mit dynamischer Ansteuerung

Das Diagramm zeigt die per Schaltungssimulation aufgenommenen Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit. Mit dem Poti RB1 ist die Impulsdauer des Ausgangssignals UA2 einstellbar. Das Monoflop kann erst wieder getriggert werden, wenn der Kondensator C so weit geladen ist, dass mit positiver Spannung an der Basis von K2 dieser Transistor in seinen leitenden Ausgangszustand zurück geschaltet wird. Jeder Triggerimpuls innerhalb der Verweilzeit bleibt wirkungslos. Mit dem eingestellten Wert von RB1 = 2,4 kΩ ist t1 = 1,66 ms. Die Erholzeit mit 5 ms ist gerade lang genug, dass der dritte Eingangsimpuls als neuer Triggerimpuls wirksam werden kann.

Neben der Impulsverlängerung werden monostabile Kippstufen als Verzögerungsschaltungen und zur Impulsregeneration eingesetzt. Rechtecksignale werden bei der Übertragung durch die Tiefpasseigenschaften langer Leitungen verschliffen und in der Amplitude gedämpft. Diese Signale können von einem Monoflop mit dynamischem Eingang regeneriert und auf die Sollamplitude verstärkt werden.

Genormte Schaltzeichen

Normschaltzeichen für Monoflops

Nach DIN 40700 werden Monoflops durch Blockschaltzeichen dargestellt. Bild A entspricht dem Monoflop in allgemeiner Darstellung. Bild B zeigt eine monostabile Kippstufe mit einem statischen Eingang und zwei Ausgängen. Bild C ist ein Monoflop mit einem dynamischen Eingang und einem Ausgang.

In modernen Schaltungen sind separat aufgebaute Monoflops nur noch in Spezialfällen zu finden, wo aufgrund besonderer Spannungsverhältnisse der Einsatz integrierter Schaltungen problematisch ist. Eine auch für Monoflops geeignete universelle integrierte Schaltung ist das Timer-IC 555. Mit ihm lassen sich Schaltzeiten von 10 µs bis 15 min verwirklichen.