NE555 als astabile Kippstufe / astabiler Multivibrator

Beschreibung der Schaltung

Die astabile Kippstufe oder der astabile Multivibrator ist eine selbsttätige Schaltung, die sofort nach dem Einschalten der Versorgungsspannung arbeitet. Diese Schaltung erzeugt in Abhängigkeit der Widerstände R₁ und R₂, sowie dem Kondensator C₁ ein fortlaufendes Rechtecksignal. Die astabile Kippstufe ist die häufigste Anwendung des Timer NE555. Meist geht es darum eine LED zum Blinken zu bringen oder eine taktabhängige digitale Schaltung mit einem Taktsignal zu versorgen.
Im wesentlichen sind die Bauteile R_1, R₂ und C₁ für die Funktionsweise dieser Schaltung verantwortlich. Der Kondensator C₂ sorgt dafür, dass die Schaltung nicht schwingt. Die Halbleiterdiode D ist optional und sorgt dafür, dass ein Impuls-Pausen-Verhältnis von 1:1 einstellbar ist.
In der dargestellten Schaltung wurde auf einen Stützkondensator für die Versorgungsspannung direkt am Timer verzichtet. In einer aufgebauten Schaltung sollte er berücksichtigt werden. 100 nF sollten es schon sein. Ein einfacher Wickelkondensator reicht aus.

Funktionsbeschreibung

Im Einschaltmoment ist der Kondensator C₁ entladen. Dadurch liegt der Trigger-Eingang des NE555 (Pin 2) auf GND. Der erste Taktimpuls wird gestartet. Der Kondensator C₁ beginnt sich über die Widerstände R₁ und R₂ aufzuladen. Sobald am Kondensator C₁ 2/3 von +V_CC anliegt, wird das interne RS-Flip-Flop zurückgesetzt. Die Schaltschwelle des internen Komparators am Rücksetzeingang des internen Flip-Flops ist durch den dreiteiligen Spannungsteiler so festgelegt, dass der Komparator nach 0,69 τ (tau) umschaltet. Der Taktimpuls am Ausgang (Pin 3) fällt ab. Der Discharge-Ausgang (Pin 7) wechselt auf GND. Der Kondensator C₁ entlädt sich über den Widerstand R₂ und den Discharge-Ausgang (Pin 7). Wenn am Kondensator C₁ eine Spannung von 1/3 +V_CC anliegt, dann beginnt der Taktzyklus von vorne.

Impulsdauer und Impulspause im Verhältnis 1:1 (50%:50%)

Da der Widerstand R₂ sowohl auf die Impulsdauer und die Impulspause und der Widerstand R₁ nur auf die Impulsdauer Einfluss hat, ist es nicht möglich ein Impuls-Pausenverhältnis von 1:1 bzw. 50%:50% einzustellen. Mit einer zusätzlichen Halbleiterdiode D parallel zum Widerstand R₂ lässt sich dieses Tastverhältnis einstellen, wenn R₁ = R₂ ist.
Die Diode sorgt dafür, dass im Ladezustand des Kondensators C₁ der Strom über die Diode fließt. Sie überbrückt den Widerstand R₂. Beim Entladen des Kondensators C₁ ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet. Über sie kann kein Strom fließen. Der Entladestrom muss über den Widerstand R₂ zum Discharge-Ausgang (Pin 7) abfließen.

Beispiel für eine Bauteilliste

Zeichen	Bauteil	Wert / Typ
R1	Widerstand	100 kOhm
R2	Widerstand	68 Ohm
C1	Kondensator	4,7 µF
C2	Kondensator	10 nF
D	Halbleiterdiode	1N4148

Der Widerstand R₁ sollte nicht kleiner als 10 kOhm sein, sonst fällt am Discharge (Pin 7) zuviel Spannung ab, was zu einem temperaturabhängigen Fehler führt.

Dimensionierung

Um die Impulsdauer und die Impulspause einstellen zu können, werden gerne Potis verwendet. Damit man an den Timer-Eingängen keinen Kurzschluss verursacht, sollte man immer einen 1 kOhm Widerstand in Reihe zum Poti schalten.
Vorsicht, bei einem zu hochohmigen Widerstand. Wird der Ladestrom des Kondensators C₁ kleiner als sein Leckstrom, dann funktioniert die Schaltung nicht mehr. Elektrolytkondensatoren haben Leckströme, die temperaturabhängig und güteabhängig sind. Außerdem lassen sie sich auch von der Einlötdauer beeinflussen.

Berechnung der Impulsdauer t_i und Pausendauer t_p

Die Impulsdauer t_i entspricht der Ladezeit des Kondensators C₁ über die Widerstände R₁ und R₂. Die Impulspause t_p entspricht der Entladezeit des Kondensators C₁ über den Widerstand R₂.
Aus den Formeln für Impuls- und Pausendauer geht hervor, dass der Impuls immer länger als die Pause ist.
Indem man R₁ aber wesentlich kleiner macht als R₂, bekommt man fast symmetrische Verhältnisse hin.
Möchte man einen kurzen Impuls und eine lange Pause, dann schaltet man zum Beispiel eine LED (mit Vorwiderstand) nicht von Q nach GND, sondern von +V_CC nach Q. Dabei muss man auf die richtige Polung der LED achten.

Berechnung der Periodendauer T

Die Periodendauer T ist ein Taktzyklus, der mit dem Anstieg des Taktimpulses beginnt und bis zum Anstieg des nächsten Taktimpulses andauert. Die Periodendauer T kann dadurch berechnet werden, indem man die Formeln für Impulsdauer und Impulspause zusammenfasst.

Berechnung der Impulsdauer t_i und Pausendauer t_p mit Diode

Berechnung der Periodendauer T mit Diode

Berechnung der Frequenz f

Berechnung (ohne Diode)

R1 (Ohm)	R2 (Ohm)	C1 (µF)

Ergebnisse

An-Zeit (s)	Aus-Zeit (s)	Frequenz (Hz)
Zyklus-Zeit (s)

Anwendungen

• Taktgeber / Taktgenerator / Rechteckgenerator
• Ansteuerung von Blinklichtern
• Takterzeugung für eine Impulsbreiten-Modulation
• Blinklichtschaltung