C05 KIPPSCHALTUNGEN

C05 Kippschaltungen C05
1. LITERATUR
U. Tietze/Ch. Schenk; Halbleiterschaltungstechnik, Springer
2. EINLEITUNG
Kippschaltungen lassen sich mit Operationsverstärkern besonders übersichtlich aufbauen. Ein Operationsverstärker
ist ein integrierter Schaltkreis (IC) mit sehr hoher Verstärkung, großem Eingangswiderstand und zwei
getrennten Eingängen. Eine positive Spannung führt am invertierenden Eingang (-E) zu einer negativen
Ausgangsspannung u a = -v u e und am nichtinvertierenden Eingang +E zu einer positiven Spannung u a = v
u e , wenn der jeweils andere Eingang geerdet ist.
Wenn ein Verstärker zur Schwingungserzeugung verwendet werden soll, muß ein Teil seiner Ausgangsspannung
so an den Eingang zurückgeführt werden, daß die Eingangsspannung vergrößert wird. Beim Operationsverstärker
geschieht das durch Rückkopplung auf den Pluseingang (Mitkopplung). Wegen des großen
Verstärkungsfaktors läßt schon eine kleine positive Spannung zwischen den beiden Eingängen die Ausgangsspannung
auf einen Maximalwert u a max ansteigen, der etwas kleiner ist als die positive Betriebsspannung
+U b . Entsprechend stellt sich bei negativer Eingangsspannung ein unterer Grenzwert u a min ≈ -U b ein.
3. SCHMITT-TRIGGER MIT DIFFERENZVERSTÄRKER
Der Schmitt-Trigger ist eine bistabile Kippschaltung, die ihren Ausgangszustand ändert, wenn die Eingangsspannung
einen bestimmten, einstellbaren Spannungspegel erreicht.
Anwendungsbeispiele: Schwellwertschalter, Umwandlung beliebiger Wechselspannungen in Rechteckspannungen.
In der Schaltung Abb. 1 wird die Spannung
R1
up
=
R R u a auf den Pluseingang gekoppelt.
+
1
p
u D = u p - u e = 0
u a wechselt die Polarität, wenn
wird,
Abb. 1
d.h. wenn am Minuseingang eine gleich große Eingangsspannung
liegt wie am Pluseingang.
R
u a wird positiv bei u
+ 1
e =
R R u a min
+
u a wird negativ bei
u
− e
=
1
p
R1
R R u a
+
1
p
max .
Die Differenz der beiden Schaltspannungen heißt
− +
Schalthysterese: ∆u = u −u
e
e
e
Messungen
Aufbau der Schaltung nach Abb. 1 Messung der Schaltspannungen mit dem Zweistrahloszillographen und
Ermittlung der Schalthysterese mit den am Arbeitsplatz angegebenen Werten.
Die gemessenen Schalthysteresen sind mit den berechneten zu vergleichen.
1 Physikalisches Anfängerpraktikum
Universität Hannover

C05
C05
4. SCHMITT-TRIGGER MIT NICHT INVERTIERENDEM VERSTÄRKER
Bei Schaltung Abb. 2 liegt u e am Pluseingang und wird nicht invertiert, d.h. u e max , u a max und u P haben das
gleiche Vorzeichen.
u D = u P - u N = u P wird Null, wenn die Eingangsspannung die ebenfalls am Pluseingang liegende rückgekoppelte
Spannung Ru 1 a
gerade kompensiert, d.h.
R
P
R
u a wird positiv bei u
+ R u
e
=− 1 a min
,
R
u a wird negativ bei u
− R u
e
=− 1 a max
.
P
P
Abb. 2
Messungen
Aufbau der Schaltung gemäß Abb. 2 Messung der
Schaltspannungen und Ermittlung der
Schalthysterese mit den am Arbeitsplatz angegebenen
Werten.
5. MULTIVIBRATOR
Der Multivibrator in Abb. 3 ist ein Schmitt-Trigger vom Typ Abb. 1, dessen Eingangsspannung u e eine zeitabhängige
Kondensatorspannung ist. Der Kondensator C wird von der Ausgangsspannung u a max über den
Widerstand R aufgeladen.
Sobald die Kondensatorspannung
t
u = u max (1 − e − RC
)
C
die Höhe der Schaltspannung
u
−
e
a
R1
=
R + R
1
p
u
a max
erreicht, springt die Ausgangsspannung auf u a min .
Der Kondensator wird nun durch u a min umgeladen,
bis u C gleich
Abb. 3
u
+
e
R1
=
R + R
1
P
u
a min
wird und u a wieder die Polarität wechselt.
Die Schwingungsdauer ist gleich der Zeit, die
benötigt wird, um den Kondensator von auf
u e
+
−
e
und zurück auf u zu bringen.
u e
−
2 R1
T = 2 R C ln(1 + )
(1)
R
P
2

C05
C05
Messungen
Aufbau der Schaltung mit R 1 , R P , R und C (Werte am Arbeitsplatz).
1. u a (t) und u C (t) mit Oszillographen messen und graphisch darstellen.
2. Ermittlung von T und Vergleich mit (1).
3. R durch Potentiometer P ersetzen. Welche Frequenzänderungen können damit ungefähr erreicht werden,
ohne dass die Rechteckform zu stark verzerrt wird?
6. MULTIVIBRATOR MIT VERÄNDERLICHEM TASTVERHÄLTNIS
Zu Abb. 4:
Bei positiver Ausgangsspannung u a fließt der Ladestrom
für C über den variablen Widerstand P.
Wenn R ≠ P ist, werden die Umladungszeiten von
C bis zum Erreichen der Schaltspannungen unterschiedlich:
ungleiches Tastverhältnis.
Messungen
Aufbau der Schaltung (Werte am Arbeitsplatz)
Messung des Tastverhältnisses, wenn
1. P maximal,
2. P minimal (ohne zu große Verzerrung).
Abb. 4
7. DREIECK-RECHTECK-GENERATOR
Abb. 5
Der Dreieck-Rechteck-Generator in Abb. 5 besteht aus einem Schmitt-Trigger gemäß Abb. 2 und einem
Umkehrintegrator. Der Schmitt-Trigger liefert eine konstante Ausgangsspannung u a1 , die der Integrator integriert:
ua
1
t
ua
2
=− .
RC
3

C05
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−
P
Diese linear abfallende Spannung liegt über R 1 am Plus-Eingang des Schmitt-Triggers, dessen Schaltspannungen
R
u
− R u
e
=− 1 a1max und u R
+
R u
e
=− 1 a1min
sind. Sobald u a2 = u
e
wird, springt ua1 max nach u a1 min und u a2 steigt linear an, bis der Triggerpegel erreicht
ist. Die Schwingungsdauer ist um so größer, je langsamer ua2 ansteigt (je größer RC) und je größer die
Schaltspannung ist (∼ R R P 1 ):
P
u e
+
T
R C R 1
= 4
R P
(2)
Messungen
Aufbau der Schaltung nach Abb. 5 (Werte am Arbeitsplatz).
1. u a1 und u a2 mit Oszillographen messen und graphisch darstellen. Schwingungsdauer bestimmen und mit
Gl. (2) vergleichen.
2. R 1 verändern (Wert am Arbeitsplatz). Wie ändern sich die Schwingungsdauer und die Höhe der Ausgangsspannung
u a1 und u a2 ?
8. NAND-GATTER
NAND-Gatter sind integrierte Bauelemente, aus denen sich logische Schaltungen aufbauen lassen. Sie haben
zwei Eingänge x 1 und x 2 und einen Ausgang y, der nur die Schaltzustände 0 und 1 annehmen kann.
Schaltet man x 1 und x 2 zusammen, so erhält man logisch ein Negationsglied und schaltungstechnisch einen
spannungsgesteuerten Schalter. Die statische Kennlinie wird nach Abb. 6 gemessen.
Messungen
Aufbau der Schaltung nach Abb. 6 mit den Werten
am Arbeitsplatz.
Messung und graphische Darstellung u a = u a ( u e ).
Ermittlung der Schaltspannung.
Abb. 6
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C05
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9. MULTIVIBRATOR MIT NAND-GATTER
Aus zwei NAND-Gattern läßt sich nach Abb. 7 ein sehr einfacher Rechteckgenerator zusammenschalten, der
mit +15 V betrieben werden kann. Jedes Gatter invertiert die Spannung, so daß man durch Rückkopplung
des Ausgangs der 2. Stufe auf den Eingang der 1. Stufe über den Kondensator C eine Mitkopplung erhält, die
zur Selbsterregung führt. Die Schwingungszeit kann mit R und C verändert werden.
Für
1
uschalt
≈ umax
ist T = 2 R C ln3
(3)
2
Abb. 7
Messungen
Aufbau der Schaltung nach Abb. 7 (Werte am Arbeitsplatz).
1. Punkt A an Masse.
Messung von u a1 und u a2 mit Oszillograph.
2. Punkt A nicht an Masse.
Messung und graphische Darstellung von u a1 (t) und u a2 (t) und u e (t).
Messung der Schwingungsdauer und Vergleich mit Gl. (3).
Erklärung des Verlaufs von u e (t).
5