Was ist eine astabile Kippstufe?
Eine unstabile Schaltung, die nur dann und wann funktioniert?
Ganz bestimmt nicht. Es geht hier um eine elektronische Schaltung, die auch als Blinkerschaltung eingesetzt werden kann.
Und genau um diese astabile Kippschaltung geht es in diesem Beitrag.
Sie erfahren, was diese Schaltung ist, wie sie funktioniert, was man dafür braucht und wie auch der Timer 555 oder NE555 als astabile Kippstufe eingesetzt werden kann.
Doch zunächst ein paar Worte zum Zweck der Schaltung.
Wozu braucht man die astabile Kippstufe und was macht sie?
Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie eine Warnblinkanlage im Auto funktioniert? Oder warum manche Spielzeuge, Ampeln oder Leuchtschilder in regelmäßigen Abständen blinken?
Dahinter steckt eine einfache, aber geniale Schaltung:
die astabile Kippstufe, auch Multivibrator genannt.
Diese Schaltung sorgt dafür, dass Lichter automatisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, und das, ohne dass jemand ständig einen Schalter betätigen muss. Sie kommt überall dort zum Einsatz, wo ein regelmäßiger Wechsel zwischen zwei Zuständen erforderlich ist.
Die folgende Simulation zeigt eine Wechselblinkerschaltung, die Sie mit ein paar Bauteilen nachbauen können:
Astabile Kippstufe als Wechselblinker
Astabile Kippschaltung: Funktionsweise und Einsatz
Die astabile Kippstufe ist eine elektronische Schaltung, die keinen stabilen Zustand besitzt. Stattdessen schaltet sie kontinuierlich zwischen zwei Zuständen hin und her und erzeugt so ein periodisches Ausgangssignal. Aufgrund dieser Eigenschaft wird sie häufig zur Takterzeugung oder in Blinkschaltungen verwendet.
Damit eine astabile Kippstufe funktioniert, sind aktive Bauelemente wie Transistoren oder ein NE555 Timer erforderlich. Aber auch mit Operationsverstärkern lässt sich die astabile Kippschaltung realisieren, die durch eine Rückkopplung mit passiven Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren gesteuert werden. Diese Rückkopplung sorgt für den ständigen Wechsel der Schaltzustände und bestimmt die Frequenz des erzeugten Signals.
Astabile Kippschaltung – Prinzip und Eigenschaften
Die Schaltung basiert auf einer Wechselwirkung zwischen Verstärkerelementen und einer zeitbestimmenden Rückkopplung, bestehend aus Widerständen und Kondensatoren
Diese Komponenten beeinflussen die Dauer jedes Schaltzustands und bestimmen somit die Frequenz des Ausgangssignals.
NE555 Astabile Kippstufe – Anwendung mit Timer-IC
Eine der bekanntesten Realisierungen einer astabilen Kippstufe ist die Verwendung des NE555-Timer-ICs. In dieser Konfiguration arbeitet der NE555 als einfacher Taktgenerator, der ein rechteckförmiges Signal erzeugt.
Die Ausgangsfrequenz der NE555 astabilen Kippstufe wird durch zwei Widerstände und einen Kondensator bestimmt. Diese Bauteile legen die Lade- und Entladezeiten des internen Kondensators fest, wodurch die Zeitdauer der beiden Zustände definiert wird.
Der Vorteil dieser Schaltung liegt in ihrer einfachen Berechenbarkeit und Anpassbarkeit, wodurch sie in zahlreichen Anwendungen wie PWM-Steuerungen, LED-Blinkschaltungen oder als Zeitgeber in digitalen Schaltungen verwendet wird.
Mehr zur astabilen Kippstufe mit dem NE555 finden Sie im verlinkten Beitrag.
Die astabile Kippschaltung als Blinker: ideal für Elektronik-Einsteiger
Die astabile Kippstufe ist eine der einfachsten elektronischen Schaltungen, mit denen sich dynamische Effekte realisieren lassen. Sie ist ideal für Einsteiger geeignet, da sie leicht verständlich ist und mit wenigen Bauteilen nachgebaut werden kann. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie diese Schaltung funktioniert, wie Sie selbst einen einfachen Wechselblinker aufbauen können und welche Möglichkeiten es gibt, die Blinkfrequenz nach Ihren Wünschen zu verändern.
Experimentieren Sie ruhig etwas mit der astabilen Kippstufe. Das ist ein spannender und lehrreicher Einstieg in die Welt der Schaltungstechnik.
Die Bauteile für eine astabile Kippstufe mit Transistoren
Damit Sie die Funktionsweise der astabilen Kippstufe besser verstehen, schauen wir uns die wichtigsten Bauteile dieser Schaltung an. Jedes dieser Bauteile hat eine spezielle Aufgabe und trägt dazu bei, dass die Blinklichter im Wechsel aufleuchten.
Der Transistor als elektronischer Schalter
Ein Transistor ist eines der wichtigsten Bauteile in der Elektronik. Er funktioniert wie ein Schalter, der durch ein kleines elektrisches Signal gesteuert wird. Wenn der Transistor „an“ ist, kann Strom fließen; wenn er „aus“ ist, wird der Strom unterbrochen. In der astabilen Kippstufe sorgen zwei Transistoren dafür, dass sich die Lampen oder LEDs abwechselnd ein- und ausschalten.
Widerstände als Bremse für den Stromfluss
Ein Widerstand begrenzt den elektrischen Strom. Ohne ihn würden die Bauteile zu viel Strom abbekommen und beschädigt werden. In der astabilen Kippschaltung steuern die Widerstände, wie schnell sich die Kondensatoren aufladen, und beeinflussen damit die Blinkgeschwindigkeit.
Der Kondensator als Stromspeicher
Ein Kondensator kann elektrische Ladung speichern und nach einer bestimmten Zeit wieder abgeben. In der astabilen Kippstufe wechseln sich zwei Kondensatoren beim Auf- und Entladen ab, wodurch die Transistoren im Wechsel ein- und ausgeschaltet werden. Das ist der Mechanismus, der das Blinken erzeugt.
Wie funktioniert die astabile Kippstufe?
Der Begriff „astabil“ bedeutet, dass die Schaltung ständig zwischen zwei Zuständen hin und her wechselt. Und genau das macht sie so nützlich für Blinkschaltungen und Signalgeneratoren.
Diese Funktion wird durch eine Rückkopplung erreicht. Das bedeutet, dass das Ausgangssignal der Schaltung immer wieder auf den Eingang zurückgeführt wird, sodass sich die Schaltung kontinuierlich selbst umschaltet. In der astabilen Kippstufe passiert dies durch eine Kombination aus Widerständen und Kondensatoren, die den Wechsel zwischen den beiden Zuständen zeitlich steuern.
Wie schnell diese Wechsel stattfinden, also wie schnell die Lampen oder LEDs blinken, hängt von den Werten der Widerstände und Kondensatoren ab. Diese Bauteile bestimmen die Frequenz, also die Anzahl der Blinkvorgänge pro Sekunde. Größere Kondensatoren oder höhere Widerstandswerte führen zu einem langsameren Blinken, während kleinere Werte die Blinkfrequenz erhöhen.
Eine einfache Metapher: Die Wippe auf dem Spielplatz
Um sich das Verhalten der Schaltung besser vorzustellen, hilft ein einfaches Bild:
Stellen Sie sich zwei Kinder auf einer Wippe vor. Wenn ein Kind nach unten geht, steigt das andere nach oben. Nach kurzer Zeit wechselt das Gleichgewicht, und das Kind, das oben war, kommt nach unten, und das Spiel geht immer weiter.
So ähnlich funktioniert auch die astabile Kippstufe:
- Ein Transistor schaltet durch → das erste Licht leuchtet auf
- Der Kondensator lädt sich auf → nach einer Weile wird der zweite Transistor aktiviert
- Der erste Transistor schaltet ab → das zweite Licht leuchtet auf
- Dieser Wechsel wiederholt sich immer wieder – genau wie bei der Wippe.
So sorgt die Schaltung dafür, dass die Lichter im Wechsel blinken, ohne dass jemand von außen eingreifen muss.
Fast jeder Hobbyelektroniker wird früher oder später einmal auf die sogenannte astabile Kippstufe oder auch den Multivibrator stoßen. Diese Schaltung gehört nicht nur zum Standardreportoire elektronischer Schaltungen; sie ist auch sehr vielseitig einsetzbar. Von der einfachen Blinkerschaltung bis hin zum Tongenerator oder zur elektronischen Orgel sind fast unzählig viele Projekte realisierbar. Die Schaltung im Bild zeigt einen einfachen Wechselblinker mit kleinen Glühlampen und soll hier ein Beispiel bzw. eine Grundlage für eigene Experimente darstellen.
Astabile Kippstufe: das Schaltbild genauer beschrieben
Das folgende Schaltbild zeigt eine astabile Kippstufe, die zwei kleine Glühlampen (La1 und La2) abwechselnd blinken lässt. Wir gehen die Schaltung nun Schritt für Schritt durch und erklären, welche Bauteile enthalten sind und wie sie zusammenarbeiten.
Die Bauteile und ihre Funktion
- La1, La2 (6V / 65mA) sind die Glühlampen, die abwechselnd blinken.
- R1, R2 (3,9 kΩ) begrenzen den Stromfluss und bestimmen die Schaltgeschwindigkeit.
- C1, C2 (470 µF) speichern und entladen elektrische Ladung, um den Wechsel der Zustände zu steuern.
- T1, T2 (BC548) sind die beiden Transistoren, die in der astabilen Kippschaltung als Schalter fungieren.
- Die Betriebsspannung (+6V) versorgt die Schaltung mit Energie.
- GND (Masse, 0V) ist der Bezugspunkt für die gesamte Schaltung.
Wie sind die Bauteile miteinander verbunden?
Die Schaltung wird mit 6 Volt Gleichspannung versorgt, die an die beiden Lampen La1 und La2 und die Basiswiderstände R1 und R2 angeschlossen sind.
Der Minuspol der Spannungsquelle ist mit GND (Masse) verbunden.
Die Transistoren BC548 steuern das Ein- und Ausschalten der Lampen.
Jeder Transistor hat drei Anschlüsse: Basis (Steuereingang), Kollektor (Eingang für den Hauptstrom) und Emitter (Ausgang für den Hauptstrom zur Masse).
Die Widerstände (R1 und R2) begrenzen den Stromfluss zu den Transistor-Basisanschlüssen und beeinflussen damit, wie schnell die Transistoren schalten.
Die Kondensatoren (C1 und C2) sind über Kreuz mit den Transistoren verbunden. C1 verbindet die Basis von T2 mit dem Kollektor von T1 und C2 verbindet die Basis von T1 mit dem Kollektor von T2.
Diese Anordnung sorgt für den Wechselbetrieb der Schaltung:
Sobald ein Kondensator geladen ist, gibt er sein Signal weiter, und der andere Transistor übernimmt.
Was passiert in der astabilen Kippschaltung?
Nach dem Einschalten der Schaltung geschieht folgendes:
Einer der beiden Transistoren (zum Beispiel T1) schaltet zuerst durch. Dadurch fließt Strom durch La1 – sie beginnt zu leuchten.
Gleichzeitig lädt sich C1 langsam auf.
Dann folgt der Wechsel des Schaltzustands:
Sobald C1 genug Spannung aufgebaut hat, schaltet er den zweiten Transistor (T2) durch.
Dadurch wird La1 ausgeschaltet, und stattdessen beginnt La2 zu leuchten.
Gleichzeitig wird C2 entladen und bereitet sich darauf vor, den nächsten Wechsel auszulösen.
Kontinuierliches Umschalten:
Dieser Wechselprozess setzt sich kontinuierlich fort.
Die Blinkgeschwindigkeit hängt von den Werten der Kondensatoren und Widerstände ab.
Wie kann man die Blinkgeschwindigkeit verändern?
- Größere Kondensatoren (z. B. 1000 µF statt 470 µF) → längere Blinkdauer.
- Kleinere Widerstände (z. B. 2 kΩ statt 3,9 kΩ) → schnelleres Blinken.
Die Werte der Elektrolytkondensatoren und Widerstände der Schaltung können in gewissen Grenzen also verändert werden. Sie beeinflussen das Timing der Schaltung und damit die Blinkfrequenz der Glühlampen.
Statt dieser können Sie natürlich auch Leuchtdioden mit vorgeschalteten Widerständen einsetzen. Die Dimensionierung dieser Widerstände hängt von der Betriebsspannung der Schaltung sowie von den verwendeten LEDs ab.
Beispiel:
Bei der Verwendung roter LEDs an einer Betriebsspannung von 6 Volt (wie hier) können Sie 220-Ohm-Widerstände verwenden, die in Reihe mit den LEDs geschaltet werden.
Ein anderes Beispiel der Schaltung als LED-Wechselblinker finden Sie auf dieser Seite ebenfalls. Hier wurde die Wechselblinkerschaltung für den Betrieb an einer Spannung von 9 Volt ausgelegt. Durch die Verwendung von Elektrolytkondensatoren mit unterschiedlichen Werten blinken die Lampen bzw. LEDs nicht mehr gleichmäßig. Eine Erhöhung der Kapazität bewirkt übrigens eine Verlängerung der jeweiligen Schaltzustände.
Astabile Kippstufe als Wechselblinker
Dieser einfache Wechselblinker funktioniert nach dem Arbeitsprinzip der sogenannten astabilen Kippstufe, auch als Multivibrator bezeichnet. Trotz des relativ einfachen Aufbaus der Schaltung ist die genaue Arbeitsweise gar nicht so leicht zu verstehen, wie man zunächst annimmt. Dennoch möchte ich Ihnen die Funktionsweise so einfach wie möglich erklären.
Zur Funktionsweise dieser Schaltung:
- Schaltet der Transistor T1 als erstes nach dem Einschalten der Betriebsspannung durch, kann sich der Elektrolytkondensator C1 über den Widerstand R1 aufladen. Der Transistor T2 ist zu diesen Zeitpunkt noch gesperrt, schaltet also noch nicht durch. Da T1 durchgeschaltet ist, leuchtet die Lampe La1 auf.
- Nach einer gewissen Zeit ist nun C1 soweit aufgeladen, dass er genügend Spannung hat, um den Transistor T2 durchzuschalten. Die Schaltung kippt nun sozusagen in den zweiten Betriebszustand um. La2 leuchtet auf, da T2 die Kollektor-Emitter-Strecke durchschaltet.
- Gleichzeitig wird der Kondensator C1 über die Basis-Emitter-Strecke von T2 entladen. Der zu diesem Zeitpunkt entladene Kondensator C2 bewirkt durch seinen geringen Innenwiderstand, dass die Basis von T1 quasi an Masse gelegt wird, wodurch dieser seine Kollektor-Emitter-Strecke sperrt. La1 erlischt dadurch.
- Anschließend wird C2 über R2 aufgeladen. Dies geschieht solange, bis der Transistor T1 genügend Basisspannung erhält, um durchzuschalten.
- Ist dies der Fall, hat die Schaltung ihren Zustand ganz am Anfang erreicht und das ganze Spiel beginnt von vorn.
Keine Sorge. Es macht nichts, wenn Sie die genaue Funktion der Schaltung nicht ganz verstehen. Das hier gezeigte Beispiel soll Ihnen nur den Aufbau zeigen und zum Experimentieren anregen. Die Multivibratorschaltung ist übrigens sehr vielseitig einsetzbar. Nicht nur Blinker oder Wechselblinker lassen sich damit aufbauen. Auch Tongeneratoren lassen sich ohne Probleme realisieren.
Hier noch ein Video der aufgebauten astabilen Kippstufe im Betrieb:
Praktische Tipps für eigene Experimente mit der astabilen Kippstufe
Die astabile Kippstufe ist die ideale Schaltung, um mit Elektronik zu experimentieren. Mit ein paar kleinen Änderungen lassen sich interessante Effekte erzielen. Hier sind einige Ideen, die Sie ausprobieren können:
Bauteilwerte ändern und die Auswirkungen beobachten
- Kondensatoren vergrößern (z. B. 1000 µF statt 470 µF): Die Blinkfrequenz wird langsamer, weil sich die Kondensatoren langsamer aufladen.
- Kleinere Kondensatoren verwenden (z. B. 220 µF): Die Blinkfrequenz steigt, da sich die Kondensatoren schneller entladen.
- Widerstände verändern: Niedrigere Widerstandswerte (z. B. 2 kΩ statt 3,9 kΩ) lassen die Schaltung schneller blinken. Höhere Werte verlangsamen den Wechsel.
- Probieren Sie es auch gerne mit zwei unterschiedlichen Widerstands- und Kapazitätswerten für C1 und C2 bzw. R1 und R2 aus und beobachten Sie, wie sich das auf die Funktion der Wechselblinkerschaltung auswirkt.
Sicherheitshinweise für ein sicheres Experimentieren
Beim Experimentieren mit elektronischen Schaltungen ist es wichtig, einige Sicherheitsregeln zu beachten:
Verwenden Sie nur die empfohlene Betriebsspannung von 6V, um Schäden an den Bauteilen zu vermeiden. Höhere Spannungen könnten die Transistoren und Lampen zerstören.
Außerdem sollten Sie die Polung der Elektrolytkondensatoren beachten. Elektrolytkondensatoren haben eine Plus- und eine Minusseite. Eine falsche Polung kann zu Schäden führen.
Beim Ändern der Widerstände oder Kondensatoren die Schaltung immer kurz vom Strom trennen, um unerwartete Effekte zu vermeiden.
Erweiterungen für kreative Elektronikprojekte
Sie können die Grundschaltung erweitern und damit neue Effekte erzeugen:
Astabile Kippstufe als Tonerzeuger: Statt der Lampen einen kleinen Lautsprecher (mit einem Vorwiderstand) anschließen – die Kippstufe erzeugt dann einen rhythmischen Ton.
LED-Wechselblinker: Glühlampen durch LEDs mit passenden Vorwiderständen ersetzen – das spart Strom und macht die Schaltung effizienter.
Mehrere Kippstufen einsetzen: Durch Verwendung mehrerer Kippstufen lassen sich komplexere oder zufällig wirkende Blinkmuster erzeugen.
Warum sich das Experimentieren lohnt
Die astabile Kippstufe ist eine der wichtigsten Grundlagen in der Elektronik. Sie zeigt, wie einfache Bauteile zusammenarbeiten, um eine periodische Signaländerung zu erzeugen – ein Prinzip, das in vielen Bereichen der Technik verwendet wird.
Warum ist dieses Wissen nützlich?
- Viele elektronische Geräte, wie Blinklichter, Signalgeneratoren oder einfache Timer, basieren auf diesem Prinzip.
- Wer später eigene Schaltungen entwickeln möchte, kann dieses Wissen nutzen, um Steuerungen oder Taktgeber zu realisieren.
Probieren Sie es aus: Kleine Herausforderung für Tüftler!
Viel Spaß beim Experimentieren.
Haben Sie Interesse an weiteren Schaltungen für Elektronikeinsteiger? Dann schaen Sie sich den Beitrag über einfache elektronische Schaltungen zum Nachbauen an, der hier verlinkt ist.
