NAND-Oszillator, einfache Version
Alle Oszillatorschaltungen in diesem Kapitel erzeugen Rechteck-Signale. Sinus-Oszillatoren sind etwas komplizierter. Ein Beispiel eines Sinus-Oszillators ist der RC-Oszillator, auch Wien-Robinson-Brücken-Oszillator genannt. Er ist in dem vorherigen Kapitel 4. RC-Oszillator zu finden.
Die astabile Kippstufe, auch astabile Multivibrator genannt, ist der Klassiker in Sachen Oszillatorschaltungen. Sie ist einfach aufzubauen und funktioniert so gut wie immer. Außerdem sind die Komponenten einfach zu beschaffen und deren Anzahl ist überschaubar. Der Name leitet davon ab, dass die Schaltung selbstständig schwingt, d.h. einmal ist der erste Transistor leitend und der zweite sperrt, das nächste Mal leitet der zweite Transistor und der Erste sperrt.
Die Schaltung besteht aus insgesamt zehn Bauteilen: zwei Transistoren, zwei Leuchtdioden, vier Widerstände und zwei Kondensatoren. Die Schaltung wird mit 12V betrieben, sie kann allerdings auch mit 9V, 6V oder 5V betrieben werden.Zur Sache: Wie funktioniert die Schaltung?
Die Schaltung kann wie folgt dimensioniert werden. R1 und R4 sind die Vorwiderstände der LEDs. Bei einer Schwellspannung von 1,6V und einer Betriebsspannung von 12V ergibt sich ein Widerstand von ca. 1kOhm. Soll über die LED ein Strom von 10mA fliesen, können R1 und R4 berechnet werden.Die Formel hierzu lautet:
R1 und R4 = (12V - 1,6V)/1040 Ohm
Die Bastelkiste gibt einen 1kOhm-Widerstand her. Dieser entspricht auch allen gängigen Widerstandsreihen. Der Strom kann in einem Bereich von ca. 5mA bis ca.30mA variiert werden. Bei 5mA leuchtet die LED etwas dunkler, jedoch ergibt sich bei 20mA bis 30mA keine wesentliche Helligkeitserhöhung. Die Betriebsspannung kann an die vorhandene Spannungsquelle angepasst werden. Für die Betriebsspannungen von 12V, 6V und 5V können die Widerstände mit derselben Formel errechnet werden. Es ergeben sich die Werte:
Die Impulszeit (ti) eines Transistors, also die Zeit, in der ein Transistor leitend ist, kann mit folgender Formel errechnet werden:
ti = 0.69 * C *Rt
Umgesetzt auf die oben zu sehende Schaltung lautet die Formel wie folgt:
ti = 0.69 * 47µF * 15kOhm = 0,486 sek ~ 0,5sek
Die Impulszeit des einen Transistors ist die Pausezeit des zweiten Transistors. Wird der zweite Transistor ebenso dimensioniert wie der Erste, ergibt sich eine Frequenz von
f = 1/(t1+t2) = 1/(0,5sek + 0,5sek) = 1Hz
Durch verändern der Widerstände R2 und R3 sowie der beiden Kondensatoren C1 und C2 kann sowohl die Impuls-Pause-Zeit als auch die Frequenz verändert werden. Werden die Werte vergrößert, schwingt die Schaltung langsamer, werden sie verringert, schwingt sie schneller.
Noch ein kleiner Tipp für den Nachbau: Wird die Schaltung mit Hilfe einer Simulation getestet, kann es sein, dass sie wieder Erwarten nicht funktioniert. Das liegt dann an der Simulation. In der Realität haben alle Bauteile gewisse Toleranzen, die sie voneinander unterscheiden. Einer der Transistoren ist dann z.B. etwas schneller als der Andere. Er kippt in eine Vorzugslage und die Schaltung beginnt zu schwingen. In einer Simulation ist dies nicht der Fall. Da hier in der Regel die Bauteile identisch sind, kann sich kein Ungleichgewicht einstellen, die Schaltung schwingt also nicht. Hier muss das Ungleichgewicht sozusagen künstlich hergestellt werden. Er reicht aus, wenn einer der beiden zeitbestimmenden Widerstände um ein paar Ohm verändert wird.
Mit Hilfe eines NAND-Gatters kann ein einfacher Oszillator aufgebaut werden. In der Folge werden drei verschiedene Versionen vorgestellt, die alle funktionieren, jedoch vom Schaltungsaufwand her unterschiedlich sind.
Die einfache Version benötigt nur ein NAND des Typs 7400, einen Widerstand und einen Kondensator. Wird die Schaltung an eine Spannung angeschlossen, kippt das NAND in eine Vorzugslage. Liegt der Ausgang des NAND auf High, wird der Kondensator über das Potentiometer aufgeladen. Die Ladegeschwindigkeit hängt von der momentanen Einstellung des Potentiometers ab. Ist die obere Schaltschwelle des Eingangs erreicht, also der Punkt, an dem das NAND schaltet, springt der Ausgang auf Low und der Kondensator wird entladen. Ist die untere Schaltschwelle des Eingangs erreicht, springt der Ausgang wieder auf High. Der Vorgang wiederholt sich periodisch und die Schaltung schwingt. Da bei dieser Version der so genannte verboten Zustand als Ein- und Ausschalt-Schwelle verwendet wird, ist funktioniert der Oszillator zwar, dies aber relativ unsicher. Die Schaltung kann wesentlich verbessert werden, indem statt dem NAND 7400 ein NAND-Schmitt-Trigger 74132 verwendet wird. Die Schaltschwelle des 74132 liegt ungefähr 0,8V über dem Low-Pegel bzw. 0,8V unter dem High-Pegel. Also Low bei 0V - 0,8V und High bei 4,2V - 5V.
NAND-Oszillator, einfache Version
Die verbesserte Version funktioniert nach demselben Prinzip wie die Version mit nur einem NAND-Gatter. Die ganze Schaltung wird mit +5V betrieben. Der Kondensator C1 wird über R1 geladen und entladen. IC 1a und 1b dienen dazu, das Rechteck so zu formen, das eindeutige High- und Low-Pegel entstehen, so dass IC1c sauber schalten kann. IC 1d entkoppelt das Rechtecksignal. An Ausgang OUT steht ein sauberes Rechteck-Signal. Wenn anstelle des Widerstandes ein Potentiometer mit einem Wert von z.B. 10kOhm eingebaut wird, lässt sich die Frequenz einstellen.
Verbesserte Version
Diese Version ist über einen Schalter zwischen zwei Frequenzen umschaltbar. Sie funktioniert genauso wie Version 1. Allerdings wird hier das Ausgangssignal von Gatter IC1a auf die Basis des Transistors T1 BC574B geführt. An die Basis sind zwei Kondensatoren parallel geschaltet, wobei der größere der beiden Kondensatoren über einen Schalter dazu oder weg geschaltet werden kann. Werden zwei Kondensatoren parallel geschaltet addieren sich die beiden Kapazitäten. Die Kondensatoren werden über die beiden in Reihe geschalteten Widerstände R2 und R3 geladen bzw. entladen. Steigt beim Laden die Spannung an der Basis von T1 über 0,7V, schaltet der Transistor durch und es fließt ein Strom über R1. R1 begrenzt den Strom auf 15maA und ist so dimensioniert, dass bei diesem Strom ein Spannungsabfall von 5V entsteht. Diese 5V schalten Gatter IC1a und der Ausgang geht auf Low. Ist der Ausgang auf Low, werden die Kondenstoren entladen, T1 sperrt und an den Pins 1 und 2 von IC1a steht Low. Der Vorgang wiederholt sich permanent und die Schaltung schwingt. Gatter IC1b formt das Ausgangssignal von Gatter IC1a zu einem sauberen Rechteck. Über das Potentiometer R3 lässt sich die Frequenz einstellen. Mit dem Schalter S1 kann die Frequenz um den Faktor 100 umgeschaltet werden. Wichtig ist hierbei, dass der Schalter in Reihe des größeren der beiden Kondensatoren eingebaut wird. So schwingt der Oszillator erst mit einer hohen Frequenz, beim Umschalten auf der niedrigen Frequenz.
Die Edelversion mit Transistor
Das CMOS-Bauteil 4060 sowie das baugleiche, jedoch in der Spannung auf +5V begrenzte IC 744060 sind 14-stufige Zähler mit integriertem Oszillator. Dieser Oszillator ist sehr einfach aufzubauen und hat den Vorteil, dass er in einem weiten Bereich sowohl dimensionierbar als auch 11 verschieden abgestufte Frequenzen abgreifbar sind. Außerdem lässt sich mit Hilfe eines Quarzes ein frequenzstabiler Oszillator aufbauen. Mit Hilfe der Formel
f osz = 1/(2,3 * Rt * Ct)
ist die Grundfrequenz errechenbar, wobei der Kondensator C1 und das Widerstand R1 frequenzbestimmenden Bauteile Ct und Rt sind. Zu beachten ist allerdings, dass an Ausgang Q6 die sechfach heruntergeteilte Frequenz steht. Die Ausgänge Q1 bis Q3 werden nicht aus dem IC herausgeführt. Ebenso wird der Ausgang Q11 übersprungen. Bei einer Grundfrequenz von 1,6384MHz, die ich natürlich ausgerechnet habe, beträgt die an Q4 messbare Frequenz 102,4 kHz, an Q14 ist sie nur noch 100Hz groß. Mit 2,2nF und 4,7kOhm beträgt die Grundfrequenz ca 27,6KHz und an Q6 ca 471 Hz. Ich habe die Schaltung mit Kohleschichtwiderständen aufgebaut, deren Toleranz 5% beträgt, ebenso hat der Kondensator Bauartbedingt ca. 10% Toleranz. Daher entspricht die Grundfrequenz nicht genau der errechneten Frequenz. Wird der Oszillator mit einem Uhrenquarz ergänzt, ergibt sich eine erstklassige 1Hz-Zeitbasis. Diese wird vor diesem Kapitel (1Hz-Zeitbasis) vorgestellt. Der CMOS-Oszillator-Zähler 4060 kann mit einer Spannung im Bereich von 3V bis 15V ohne Probleme betrieben werden. Bei der TTL-Version, die zur CMOS-Version pinkompatibel ist sind die Grenzen der Betriebsspannung allerdings eng festgelegt. Sie liegt bei 4,5V bis 5,5V, wobei die Spannung normalerweise +5V beträgt. Diese Oszillatorschaltung ist die von mir bevorzugte Schaltung und wurde von mir schon mehrere Mal aufgebaut. Sie hat sich bewährt.
Vorne weg: Der NE555 ist ein Monoflop und hat seine Tücken. Er neigt dazu, die weniger routinierten Anwender, die eine Schaltung damit aufbauen wollen, in die Verzweiflung zu treiben. Ich werde hier auch nicht weiter auf seine Anwendung als Monoflop eingehen; es gibt einfachere Monoflop, die narrensicherer funktionieren wie der NE555. Allerdings sind diese auch nicht so flexibel einsetzbar. Hier ist der NE555 als Oszillator geschaltet. Die zeitbestimmenden Bauteile sind das Poti R1, R2 und der Kondensator C1. Mit R2 kann die Frequenz eingestellt werden. Die Betriebsspannung wird an Pin 1 und Pin 8 angelegt und ist im Bereich von 4,5V bis 16V variierbar. An Pin5 kann eine Spannung generiert werden, mit der die Schalthysterese einzustellen ist. In der Schaltung unten dient C1 dazu, die Betriebsspannung in einem gewissen Grad zu puffern und zu entstören. Der Kondensator C2 wird über R1 und R2 sowohl geladen als auch über R2 wieder entladen. Die Entladung findet über Pin 7 statt. An Pin6 ist eine Lade/Entladekurve abgreifbar, die entfernt einem Dreieck gleicht. Pin6 ist mit dem Triggereingang Pin2 verbunden, so dass die Lade/Entladekurfe das Monoflop permanent triggert. An Pin 3 kann ein Rechtecksignal abgegriffen werden. Das Innenleben des NE555 ist in folgender Grafik zu sehen. Diese habe ich dem Datenblatt von Fairchild entnommen.
Blockschaltbild und Pinbelegung des NE555
Schaltbild des NE555-Oszillators