Elektronische Schaltungen zum Nachbauen

Einfache elektronische Schaltungen zum Nachbauen erleichtern den Einstieg in die Elektronik enorm. Genau darum geht es in diesem Beitrag.

Sie verwenden einige Widerstände, ein paar Transistoren, Kondensatoren oder Elkos und Leuchtdioden können daraus eine elektronische Schaltung bauen, die sofort das Ergebnis zeigt und Ihnen Zusammenhänge der Funktionen einzelner Bauteile im praktischen Aufbau verdeutlicht.

Es gibt fast unendlich viele Möglichkeiten, einfache elektronische Schaltungen zum Nachbauen zu finden. Das Internet ist voll davon. Bücher mit Schaltungen gibt es ebenfalls genug. Aber hier in diesem Beitrag geht es um die Praxis. Es geht um Ergebnisse und besseres Verständnis für das Zusammenspiel der Bauelemente.

Also, wenn Sie sich für einfache und leicht nachzubauende elektronische Schaltungen interessieren, lesen Sie weiter.

Die Bauteile, die Sie für die elektronischen Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren benötigen, sind leicht erhältlich und preisgünstig. Die Bauteilelisten finden Sie unter den jeweiligen Schaltungen.

Sie finden einige elektronische Schaltungen zum Nachbauen, die an sich zwar keine neuen Entwicklungen darstellen, aber zum Experimentieren anregen und neugierig auf die Elektronik und auf die Praxis machen sollen.

Ich werde die Schaltungen vorstellen, erklären, wie sie funktionieren und, falls sinnvoll und interessant, Hinweise zu Schaltungsvarianten geben.

Gefährlich sind die Schaltungen auch nicht. Als Spannungsquelle für die meisten der Schaltungen dient eine 9-Volt-Blockbatterie, ein Netzteil mit 9 Volt Gleichspannung dürfte auch funktionieren. Nur ein paar der elektronischen Schaltungen zum Ausprobieren und Experimentieren benötigen höhere Spannungen von 12 Volt oder ein paar Volt mehr. Aber mehr als 20 Volt sind es nicht, die als Spannungsquelle zur Verfügung stehen müssen.

Nun aber zum Thema: elektronische Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren.

Einfache elektronische Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren

Die meisten der Schaltungen nutzen Leuchtdioden, um Schaltvorgänge und die Funktion der jeweiligen Schaltung anzuzeigen. Sie arbeiten zum größten Teil mit Transistoren, teilweise auch mit integrierten Schaltungen, etwa dem bekannten Timerchip NE555.

Die Schaltungen sind nicht weiter sortiert. Es wurde aber Wert darauf gelegt, dass sie einfach nachzubauen sind und mit wenig Aufwand erste Erfolgserlebnisse bringen.

Als Einstieg gibt es ein paar Schaltungen, die mit Widerständen, Transistoren und LEDs auskommen und die sehr leicht nachgebaut werden können. Um zu experimentieren, verwenden Sie am besten ein Steckboard, auf dem sich die einzelnen Bauteile einfach einstecken und so bei Bedarf schnell und einfach Änderungen vornehmen lassen.

Die Schaltungen wurden vor dem Vorstellen auf dieser Seite ausprobiert. Sie benötigen nicht viele Bauteile, und auch sind die Schaltungen ganz bewusst einfach gehalten, um mit einfachen Mitteln Ergebnisse zu zeigen.

Darlington-Schaltung mit Transistoren und Leuchtdiode

Eine Darlington-Schaltung ist eine spezielle Kombination aus zwei Transistoren (Bipolartransistoren, hier NPN-Transistoren), die so zusammengeschaltet sind, dass der Stromverstärkungsfaktor (h-FE) deutlich erhöht wird.

Der Emitter des ersten Transistors ist mit der Basis des zweiten Transistors verbunden, wodurch der Eingangsstrom durch beide Transistoren verstärkt wird. Diese Konfiguration ermöglicht es, mit einem sehr kleinen Steuerstrom am Eingang einen vergleichsweise großen Strom am Ausgang zu schalten.

Namensgeber der Schaltung ist der Erfinder Sydney Darlington, der diese Schaltung erstmals 1952 aufbaute.

Darlington-Schaltungen werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Verstärkung oder die Ansteuerung großer Lasten erforderlich ist, wie in Motorsteuerungen oder Lichtdimmern.

Ebenso lassen sich mit einer Darlington-Schaltung äußerst schwache Ströme soweit verstärken, dass sich andere Bauteile steuern lassen. So reicht in unserer Beispielschaltung bereits der Strom zur Ansteuerung der Schaltung aus, der durch die Haut fließt, wenn mit dem Finger zwei elektrische Kontakte berührt werden. Der Strom ist aufgrund der sehr geringen Batteriespannung so gering, dass er nicht spürbar, geschweige denn gefährlich ist. Aber er reicht dennoch aus, um mithilfe dieser Schaltung die LED leuchten zu lassen.

Je nach Verstärkungsfaktor der verwendeten Transistoren reicht bereits die Berührung mit dem Basisanschluss des ersten Transistors aus, um die LED leuchten zu lassen. Die hier verwendeten Transistoren haben einen sehr hohen Verstärkungsfaktor von ca. 420 bis 800 für einen Transistor. Dank der Darlington-Schaltung können die Verstärkungsfaktoren beider Transistoren multipliziert werden.

Die Kennzeichnungen A, B und C bei Transistoren wie dem BC548 beziehen sich auf den Verstärkungsfaktor (h_FE) des Transistors, der angibt, wie stark der Transistor den Strom verstärkt. Die Unterscheidung ist wie folgt:

• BC548A: Niedriger Verstärkungsfaktor (h_FE): ca. 110–220.
• BC548B: Mittlerer Verstärkungsfaktor (h_FE): ca. 200–450.
• BC548C: Hoher Verstärkungsfaktor (h_FE): ca. 420–800.

Diese Unterschiede bestimmen, wie empfindlich der Transistor auf Steuerströme reagiert und wie stark er sie verstärken kann. Je höher der h_FE, desto stärker die Verstärkung bei gleichem Steuerstrom.

Bauteileliste Darlington-Schaltung als Berührungssensor

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 1 × Leuchtdiode (rote LED)
• 3 × Widerstände (1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ)
• 2 × Jumper-Kabel

LED als Lichtsensor in der Darlington-Schaltung

Die folgende Schaltung ist eine Variante der eben gezeigten. Sie verwendet statt des Berührungssensors eine zweite LED, die sich hier als lichtempfindliches Bauteil zweckentfremdet einsetzen lässt. Dazu schaltet man sie in Sperrrichtung über einen Widerstand zwischen Spannungsversorgung und Basis des ersten Transistors.

Fällt Licht auf die Leuchtdiode, leuchtet auch die zweite LED auf. Probieren Sie einmal LEDs mit verschiedenen Leuchtfarben aus.

Die weiße LED (die hier als Lichtsensor eingesetzt wird) ist in Sperrrichtung geschaltet, wodurch sie normalerweise keinen Strom leitet. Durch Lichteinfall sinkt jedoch der Widerstand des Halbleitermaterials. Das ist übrigens bei so gut wie jedem Halbleitermaterial der Fall.

Dadurch fließt auch in Sperrrichtung ein kleiner Strom, der aber noch nicht ausreicht, um eine weitere LED leuchten zu lassen. Erst durch die Verstärkung mittels der Darlington-Schaltung aus zwei Transistoren wird der Effekt soweit verstärkt, dass er sichtbar ist.

Normalerweise baut man Halbleiterbauteile in lichtundurchlässige Gehäuse ein – außer, wenn die Lichtempfindlichkeit genutzt werden soll, wie bei Fotodioden, Fototransistoren oder Fotowiderständen.

Bei LEDs kann Licht auf das Halbleitermaterial fallen, weil ja Licht austreten können soll. Eine LED in Sperrrichtung geschaltet verhält sich somit ähnlich wie eine Fotodiode. Allerdings ist die LED viel weniger empfindlich als eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand. Trotzdem ist es ein interessantes Experiment.

Bauteileliste Darlington-Schaltung mit LED als Lichtsensor

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 2 × Leuchtdioden (rote LED und weiße LED als Lichtsensor)
• 3 × Widerstände (1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ)
• 2 × Jumper-Kabel

LED-Dimmer mit Tasten

Die folgende Schaltung nutzt ebenfalls den Effekt der hohen Verstärkung sehr geringer Ströme, die durch die Darlington-Schaltung möglich ist. Mithilfe zweier Taster lässt sich die Helligkeit einer Leuchtdiode einstellen. Dabei dient ein Elektrolytkondensator dazu, den jeweils aktuellen Spannungspegel am Eingang der Schaltung zu halten.

Der obere Taster dient dazu, die Helligkeit der LED zu erhöhen, der Taster unten (S2) zum Verringern der LED-Helligkeit.

Diese Schaltung macht sich die Tatsache zunutze, dass ein nur sehr geringer Basisstrom ausreicht, um die Ansteuerung der Darlington-Schaltung auf dem jeweils aktuellen Pegel zu halten, was der Elektrolytkondensator übernimmt. Außerdem ist der Elektrolytkondensator nicht zwischen Emitter und Basis geschaltet, sondern zwischen Kollektor und Basis. Weil die Spannung am Kollektor sich bei schwächer werdender Ansteuerung ebenfalls ändert (die Kollektorspannung wird in diesem Fall ansteigen), wirkt das der Entladung des Elkos entgegen, was wiederum dafür sorgt, dass die Ansteuerung von T1 und damit auch T2 für eine sehr lange Zeit auf nahezu einem Level bleibt.

In einem Versuchsaufbau blieb die LED-Spannung für etliche Minuten ohne Tastenbetätigung konstant. Es hängt natürlich vom Kapazitätswert des Elkos ab, wie lange die LED-Spannung ohne Tastenbetätigung konstant bleibt und damit auch die Helligkeit. Eine höhere Kapazität bewirkt außerdem eine wesentlich langsamere Änderung der Helligkeit, wenn Sie eine der beiden Tasten drücken. Probieren Sie es doch einmal aus, indem Sie Elektrolytkondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten verwenden.

Man nennt eine solche Art der Basisbeschaltung mit einem Kondensator oder Elektrolytkondensator auch Integrator. Dieser Integrator ist eine spezielle elektronische Schaltung, die dazu dient, ein Eingangssignal in ein kontinuierlich ansteigendes oder abfallendes Signal umzuwandeln. Man kann sich die Schaltung wie eine Art elektrische „Rampe“ vorstellen, die ein Signal langsam und gleichmäßig verändert. Dies erreicht man, indem man einen Kondensator (hier C1) über einen Widerstand auflädt (über R1 und R3) oder entlädt (R3), was den gleichmäßigen Verlauf des Ausgangssignals bewirkt.

Bauteileliste LED-Dimmer mit Tastern

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 1 × Elektrolytkondensator (10 µF)
• 1 × Leuchtdiode (rote LED)
• 2 × Taster
• 3 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ, 47 kΩ)
• 4 × Jumper-Kabel

LED-Umschalter mit Transistor

Jetzt kommt eine Schaltung, die einen Transistor als Schalter verwendet. Der Schaltstrom, der zum Aktivieren einer Leuchtdiode eingesetzt wird, dient gleichzeitig als Steuerstrom für einen Transistor, der eine weitere LED ansteuert.

Die Schaltung funktioniert ganz einfach:

Solange der Schalter S1 nicht geschlossen ist, leuchtet LED2. Die LED 1 kann nicht leuchten, da der entsprechende Stromkreis (bestehend aus der Batterie, R3 und LED1) nicht geschlossen ist. Der Strom fließt sozusagen über den äußeren Stromkreis, bestehend aus der Spannungsquelle, R1 und LED1.

Bei geschlossenem Schalter S1 fließt der Strom aus der Batterie über LED1 und R3. Gleichzeitig wird die Basis vom Transistor T1 angesteuert. Der Strom fließt nun statt über LED2 über den Kollektor und den Emitter des Transistors auf Masse. LED2 ist damit überbrückt und erlischt demzufolge.

Statt mit einem NPN-Transistor wie dem BC548 lässt sich eine solche Schaltung auch mit einem PNP-Transistor aufbauen. Das zeigt das folgende Schaltbild. Die Schaltung darin erfüllt die gleiche Funktion wie die oben gezeigte. Achten Sie auf die Unterschiede und wie der PNP-Transistor, hier ein BC557, in diese Schaltung eingesetzt wurde.

Ein paar Worte zu den Unterschieden zwischen NPN- und PNP-Transistoren:

Der Unterschied zwischen NPN- und PNP-Transistoren liegt in der Art und Weise, wie der Strom durch sie fließt und wie sie angesteuert werden. Bei einem NPN-Transistor fließt der Laststrom von der Kollektorseite zur Emitterseite, wenn ein kleiner Steuerstrom an die Basis angelegt wird.

Dieser Steuerstrom muss positiv sein. Das bedeutet, die Basis liegt gegenüber dem Emitter auf einer positiven Spannung. NPN-Transistoren schalten also, wenn sie einen positiven Steuerstrom erhalten, der von der Basis zum Emitter fließt. Über den Emitter (bei der Schaltung mit dem BC548 auf Masse geschaltet) fließen also Steuerstrom und Laststrom)

Beim PNP-Transistor funktioniert es anders:

Der Laststrom fließt von der Emitterseite zur Kollektorseite, wenn die Basis gegenüber dem Emitter negativ angesteuert wird. Das bedeutet, die Basis muss mit einer niedrigeren Spannung als der am Emitter anliegenden angesteuert werden, damit der Transistor leitend wird. Deshalb liegt hier auch der Kollektor auf Masse, der Emitter auf einer gegenüber der Masse positiven Spannung, die der Transistor über den Widerstand R2 erhält.

Er tut aber das Gleiche wie der NPN-Transistor in der ersten Schaltung. Schaltet er durch, überbrückt er LED2.

PNP-Transistoren eignen sich deshalb gut für Schaltungen, die mit negativen Spannungen arbeiten oder bei denen eine Last auf der positiven Seite der Schaltung geschaltet werden soll.

In der Praxis werden NPN-Transistoren häufiger verwendet, weil sie einfacher mit den üblichen positiven Spannungen in den meisten elektronischen Schaltungen angesteuert werden können.

Bauteileliste LED-Umschalter mit Transistor

Variante 1 (mit NPN-Transistor):

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 1 × NPN-Transistor (z. B. BC548)
• 2 × Leuchtdioden (rote LED und grüne LED)
• 1 × Schalter (z. B. SPST)
• 2 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ)
• 3 × Jumper-Kabel

Variante 2 (mit PNP-Transistor):

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 1 × PNP-Transistor (z. B. BC557)
• 2 × Leuchtdioden (rote LED und grüne LED)
• 1 × Schalter (z. B. SPST)
• 3 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ, 47 kΩ)
• 3 × Jumper-Kabel

LED-Blitzer mit zwei Transistoren

Einfache Schaltungen, mit denen LEDs kurz aufblitzen, sind sehr praktisch. Sie können eine Alarmanlage simulieren oder auf etwas hinweisen. Und durch die sehr kurze Leuchtdauer der LED und die dadurch erreichte Stromersparnis eignen sie sich sehr gut für den Batteriebetrieb.

Genau das ist auch bei der folgenden Schaltung für einen LED-Blitzer der Fall.

Der LED-Blitzer erzeugt kurze und kräftige Lichtblitze, wenn Sie eine superhelle LED in der gewünschten Leuchtfarbe einsetzen. Sie verwendet zwei Transistoren, einen NPN-Transistor (BC548) und einen PNP-Transistor (BC557). Es lassen sich auch viele andere Transistortypen mit ähnlichen technischen Daten verwenden. Sie sollten nur auf die Anschlussbelegung achten. Außerdem müssen Sie auf die Anschlüsse des PNP-Transistors im Schaltbild achten.

Nun zur Funktion dieses LED-Blitzers:

Wenn an der Spannungsquelle eine Spannung anliegt, lädt sich der Kondensator C1 über die Widerstände R1 und R2 auf. R2 dient hier nur als Vorwiderstand für die gesamte Schaltung, um den Stromfluss durch die Diode D1, den Transistor T2 und LED1 zu begrenzen.

Der Strom durch R1 (und R2) nimmt ab, sobald C1 fast voll aufgeladen ist. Während dieser Aufladephase bleibt die LED noch aus, und es dauert ein paar Sekunden, bis die LED in der Schaltung mit dem Blinken beginnt.

Die Diode D1 und der Widerstand R3 bilden einen Spannungsteiler, der die Basis des Transistors T1 ansteuert.

Sobald die Spannung an R3 kleiner wird als die Spannung am Emitter von T1, schaltet T1 durch. Das passiert dann, wenn der Kondensator C1 fast voll aufgeladen ist, kein Ladestrom mehr fließt und die Spannung hinter der Diode D1 durch deren Spannungsabfall in Höhe von ca. 0,7 Volt an der Basis von T1 geringer ist als an dessen Emitter.

Jetzt schaltet auch der zweite Transistor T2 durch, da dieser über den Kollektor von T1 angesteuert wird. Dadurch entsteht ein Stromfluss, der die LED zum Leuchten bringt.

Gleichzeitig beginnt der Kondensator C1, sich zu entladen. Das kommt daher, dass der Strom nun über R1 über die Emitter-Kollektor-Strecke von T1 zur Basis von T2 fließt und diesen Transistor ansteuert. Der Basisstrom von T2 entlädt also den Kondensator C1. Sobald die Spannung am Kondensator zu niedrig wird, sperren beide Transistoren wieder.

Der Kondensator wird erneut aufgeladen, und der gesamte Ablauf wiederholt sich.

Die Schaltung kann auch mit einer Spannung von 3 bis 4 Volt betrieben werden, etwa mit einem Lithium-Ionen-Akku. Dann einfach den Widerstand R2 durch einen mit 47 Ohm ersetzen.

Bauteileliste LED-Blitzer mit zwei Transistoren

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 1 × NPN-Transistor (z. B. BC548)
• 1 × PNP-Transistor (z. B. BC557)
• 1 × Leuchtdiode (superhelle LED, z. B. rot)
• 1 × Diode (z. B. 1N4148)
• 1 × Elektrolytkondensator (10 µF)
• 3 × Widerstände (220 Ω, 1 kΩ, 47 kΩ)
• 3 × Jumper-Kabel

Mit Blink- oder Flacker-LED andere LEDs ansteuern

Kann eine LED eine andere LED ansteuern und wozu sollte das überhaupt gut sein?

Vielleicht kennen Sie LEDs, die einen kleinen Chip enthalten und diese ohne zusätzliche Beschaltung flackern wie Kerzenlicht oder blinken lassen. Außerdem gibt es Multicolor-LEDs, die automatisch ihre Farbe wechseln und so interessante Lichteffekte ermöglichen.

Blink-LEDs gibt es in verschiedenen Farben, oft in Rot oder Grün. Sie können aber so gut wie jede LED blinken lassen. Die Schaltung oben ermöglicht dies. Aber Sie können auch LEDs mit Leuchtfarben wie Grün, Blau oder Warmweiß oder Kaltweiß flackern lassen. Die sonst üblichen LED-Kerzen oder LED-Teelichter flackern in der Regel in Gelb, Orange oder Warmweiß.

Die Schaltung ist so aufgebaut, dass die Blink- oder Flacker-LED einen Transistor ansteuert, der wiederum steuert eine weitere LED an oder mehrere, wenn Sie zum Beispiel mehrere LEDs in Reihe schalten und an einer höheren Spannung als in der Beispielschaltung oben betreiben wollen.

Eine ähnliche Schaltung wie diese habe ich schon in einem weiteren Beitrag vorgestellt. Dort kann man mithilfe einer Blink-LED eine Glühlampe blinken lassen. Mit dieser Schaltung hier können Sie eine oder mehrere LEDs mit einer Blink-LED blinken oder mit einer Flacker-LED, wie diese oft in LED-Teelichtern eingesetzt werden, auch LEDs mit anderen Leuchtfarben flackern lassen.

Bauteileliste Blink- oder Flacker-LED

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 1 × Blink-LED (rot oder gelb)
• 1 × zusätzlicher Transistor (z. B. BC548)
• 1 × Leuchtdiode (rote LED)
• 2 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ)
• 2 × Jumper-Kabel

RS-Flip-Flop mit Transistoren

Die folgenden zwei Schaltungen sind Beispiele für Schaltaufgaben, die Transistoren üblicherweise übernehmen. In unseren Beispielschaltungen lassen sich per Tastendruck Schaltzustände von LEDs ändern. Die erste der beiden LED-Schaltungen ist ein sogenanntes RS-Flip-Flop. Es handelt sich um ein bistabiles Schaltelement, das auch in der Digitaltechnik zum Einsatz kommt.

Das RS steht für „Reset“ und „Set“, also das umschalten zwischen zwei stabilen Schaltzuständen. Stabil deshalb, weil beide Schaltzustände nach dem Auslösen (hier durch einen Tastendruck) solange erhalten bleiben, bis ein neuer Schaltimpuls erfolgt. Mann bezeichnet diese Schaltung daher auch als bistabile Kippstufe.

Wie funktioniert die RS-Flip-Flop-Schaltung?

Zunächst zum Ausgangszustand der Schaltung nach dem Einschalten der Betriebsspannung:

In einer symmetrischen Schaltung wie dieser hier arbeiten zwei Transistoren wie elektronische Schalter. Wenn sie sich gegenseitig beeinflussen, entsteht eine sogenannte Kippstufe. Symmetrisch nennt man diese Schaltung deshalb, weil sie auf beiden Seiten (Transistoren) die gleichen Bauteile enthält.

Sind nun beide Schaltungsteile gleich aufgebaut, versuchen beide Transistoren beim Einschalten der Spannung gleichzeitig zu schalten.

Aber:

In der Realität haben die Transistoren (sowie die anderen Bauteile) kleine Unterschiede (Toleranzen). Einer der Transistoren schaltet deshalb schneller und leitet besser. Das bedeutet, dass die Schaltung einen der beiden möglichen Schaltzustände annehmen, also einer der beiden Transistoren durchschalten und die entsprechende LED leuchten wird.

Ab diesem Moment bleibt die Schaltung in einem von zwei stabilen Schaltzuständen.

Nehmen wir an, die LED1 leuchtet zu Beginn. Der Stromfluss nimmt in diesem Moment zwei Wege:

Er fließt über R1, LED1 und die Kollektor-Emitter-Strecke von T1 wieder zurück auf Masse. Außerdem fließt ein wesentlich schwächerer Strom über R2, LED2, aber nicht über T2, sondern über R3 und die Basis von T1 an Masse. T1 erhält dadurch seine Ansteuerung. Dieser Steuerstrom ist aber viel zu gering, um LED2 leuchten zu lassen.

Wird der Taster S1 gedrückt, sperrt der Transistor T1, da seine Basis auf Masse gelegt ist und dadurch seine positive Ansteuerung wegfällt.

Jetzt erhält der Transistor T2 einen Basisstrom. Es ist so wie bei der vorigen Ansteuerung von T1, nur dass jetzt der Basisstrom für T2 über R1, LED 1 und R4 zur Basis von T2 und über dessen Basis-Emitter-Strecke nach Masse fließt. Demzufolge schaltet T2 durch, LED2 leuchtet.

Die Schaltzustände bleiben auch dann erhalten, wenn kein Taster gedrückt wird. Es handelt sich schließlich um eine bistabile Schaltung, die beide Schaltzustände beibehält, bis ein erneuter Impuls (hier ein Tastendruck) erfolgt.

Bauteileliste RS-Flip-Flop mit Transistoren

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 2 × Leuchtdioden (rote und grüne LED)
• 2 × Taster
• 4 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ)
• 4 × Jumper-Kabel

T-Flip-Flop mit Transistoren

Bestimmt kennen Sie Geräte wie Lampen oder Unterhaltungselektronik, die sich auf Tastendruck ein- und wieder ausschalten lassen. Und das mit nur einer einzigen Taste (On/Off, An/Aus). Die folgende Schaltung, ein T-Flip-Flop, ermöglicht genau das.

Auch diese Schaltung arbeitet mit zwei Transistoren, aber mit nur einem Verbraucher (hier eine LED), der mit einer Taste aktiviert und deaktiviert werden soll. Das Ganze nennt man T-Flip-Flop oder auch Toggle-Flip-Flop.

Zunächst zum Begriff Toggle ein paar Worte:

Toggle bedeutet einfach umschalten zwischen zwei Zuständen, und ein Toggle-Flip-Flop ist eine Schaltung, die genau das tut: Sie schaltet hin und her – wie ein Lichtschalter.

Auch diese Schaltung wird aufgrund von Bauteiletoleranzen beim Anlegen einer Betriebsspannung einen der beiden Schaltzustände annehmen. Gehen wir vom Ruhezustand aus, also den Schaltzustand LED aus:

In dem Moment fließt ein Strom über R2, LED1, R4 und über die Basis-Emitter-Strecke nach Masse. T1 erhält so seine Ansteuerung. Solange dies der Fall ist, fällt die Ansteuerung von T2 weg, weil seine Basis über T1 auf Masse geschaltet ist.

Jetzt zum Kondensator:

Ist dieser aufgeladen oder nicht? Antwort: nein. Der Strom würde über R3 und die Kollektor-Emitter-Strecke von T1 auf Masse fließen. Der Kondensator ist also ohne Spannung. Das ist wichtig, um zu verstehen, was passiert, wenn jetzt der Taster S1 geschlossen wird.

An der Basis von T1 liegt eine geringe Spannung an. Diese lädt jetzt C1 auf, wodurch sie zusammenbricht. Demzufolge sperrt T1. Die Basis von T2 erhält jetzt über R1 eine Ansteuerung, T2 schaltet durch.

Jetzt herrscht der zweite Schaltzustand:

LED1 leuchtet, T2 schaltet durch, T1 nicht. In diesem Schaltzustand fließt ebenfalls ein Strom über R2 und LED1, diesmal aber nicht weiter über R4, sondern über die Kollektor-Emitter-Strecke von T2 an Masse. T1 sperrt, es fließt zunächst ein schwacher Strom über R1 und R3 an C1. Dieser Kondensator lädt sich dadurch auf. Ist er aufgeladen, fließt kein Strom mehr, aber am Punkt zwischen R3 und C1, der auch mit einem Anschluss des Tasters verbunden ist, liegt ein Spannungspotential an, das fast auf dem Niveau der Versorgungsspannung liegt.

Drückt man nun erneut den Taster S1, erfolgt eine kurzzeitige Ansteuerung von T1. Dadurch fällt die Basisspannung von T2 aus, da ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke von T1 fließt und die Spannung am Kollektor von T1 (und damit auch an der Basis von T2) zusammenbricht. T2 sperrt, die LED erlischt.

Jetzt haben wir wieder den Ausgangszustand.

Sollte die Schaltung nicht auf Anhieb wie gewünscht funktionieren:

Den Kondensator C1 gegebenenfalls ersetzen durch einen Elko mit 1 µF. Zwischen dem Ein- und Ausschalten dann kurze Zeit vergehen lassen.

Bauteileliste T-Flip-Flop mit Transistoren

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 1 × Leuchtdiode (rote LED)
• 1 × Taster
• 1 × Kondensator (1 µF)
• 3 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ, 47 kΩ)
• 3 × Jumper-Kabel

Elektronische Schaltungen zum Nachbauen: Tongenerator mit Transistor

Einfache Tongeneratoren lassen sich mit Transistoren sehr einfach aufbauen. Das folgende Schaltbild zeigt eine solche Schaltung, die sich gut zum Nachbauen und Experimentieren eignet. Sie verwendet gängige Transistoren und einen kleinen Schallwandler als akustischen Signalgeber, der aus einem alten Kopfhörer stammt.

Diese Schaltung wurde bewusst so einfach wie möglich gehalten und kann gerne als Grundlage zum Ausprobieren und Experimentieren dienen (wie die meisten der hier vorgestellten elektronischen Schaltungen zum Nachbauen).

Die Schaltung ist als astabile Kippstufe aufgebaut. Das heißt, sie hat zwei sich ständig abwechselnde Zustände. Es gibt keinen stabilen Zustand, wodurch sie ein Signal mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, hier im hörbaren Frequenzbereich.

Der Kondensator lädt sich durch einen Widerstand auf und entlädt sich dann über einen der Transistoren. Während der Kondensator sich auflädt, ist ein Transistor gesperrt, während der andere leitend ist. Sobald der Kondensator voll aufgeladen ist, kippt die Schaltung in den anderen Zustand, und der Vorgang wiederholt sich.

Die Geschwindigkeit der Schaltvorgänge (und damit die Frequenz des erzeugten Tons) hängt von der Kapazität des Kondensators und den Widerstandswerten ab.

Ein kleiner Kondensator und ein hoher Widerstand erzeugen eine höhere Frequenz (hoher Ton), ein größerer Kondensator und ein kleinerer Widerstand eine tiefere Frequenz (tiefer Ton).

Die Schaltzustände der Transistoren erzeugen an ihrem Ausgang eine wechselnde Spannung, die auf den Schallwandler übertragen wird. Der Schallwandler setzt diese Spannung dann in hörbare Töne um.

Solche Tongeneratoren werden oft in Experimenten genutzt, um die Funktionsweise elektronischer Bauteile zu demonstrieren. Sie können auch als einfache Alarmsignale, Signalgeber oder Pieptöne verwendet werden.

Bauteileliste Tongenerator mit Transistor

• 1 × Steckboard
• 1 × 9V-Blockbatterie
• 2 × NPN-Transistoren (z. B. BC548)
• 1 × Schallwandler (z. B. aus alten Kopfhörern)
• 1 × Kondensator (10 nF)
• 3 × Widerstände (220 Ω, 10 kΩ, 47 kΩ)
• 3 × Jumper-Kabel

Weitere Schaltungen folgen noch.

Transistor-Anschlussbelegungen

Hier sind die Anschlussbelegungen von Transistoren, die in den Schaltungen verwendet wurden. Beachten Sie die Unterschiede zwischen den einzelnen Transistortypen.

Haben die Schaltungen Ihr Interesse geweckt? Oder interessieren Sie sich für das Thema Elektronik-Reparaturen? Dann sehen Sie sich das gleichnamige Buch oder E-Book an. Das E-Book finden Sie unter dem Link.

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