NE555 als monostabile Kippstufe / Monoflop

Monostabile Kippstufe

Das Monoflop oder die monostabile Kippstufe ist eine der beliebtesten Anwendungen mit dem Timer-IC NE555. Mit wenigen externen Bauteilen kann man schon interessante Effekte erzielen.
Der Name kommt daher, weil diese Kippstufe nur einmal einen Impuls am Ausgang (A) abgibt, wenn ein kurzzeitiger Impuls von etwa 0 V am Eingang E (Pin 2) anliegt. Dieser Triggerimpuls muss kleiner als 1/3 von +VCC sein.

Hinweis: Allerdings muss dieser Impuls wieder vor der eingestellten Monoflop-Zeit abfallen, weil der Ausgang sonst im High-Zustand bleibt. Man muss sich also um die entsprechende Ansteuerung von Pin 2 kümmern.

Für die Funktionsweise dieser Schaltung sind der Widerstand R1 und der Kondensator C1 verantwortlich. Die Dauer des Ausgangsimpulses wird durch diese beiden Bauteile vorgegeben. Der Widerstand R2 ist ein Pullup-Widerstand, der den Eingang der Schaltung bei fehlender Ansteuerung auf einen festen Pegel (+VCC) legt.
Der Kondensator C1 sorgt im Kombination mit dem Widerstand R1 durch den Aufladevorgang für eine zeitliche Komponente bzw. Verzögerung.

Der Kondensator C2 sorgt dafür, dass die Schaltung nicht schwingt. Besonders der NE555 kann ohne diesen Kondensator leicht ins unkontrollierte Schwingen geraten. Beim Betrieb als stabiler Multivibrator ist es am schlimmsten. Der Grund ist, dass bei jeder Umschaltflanke am Ausgang von Pin 3 eine Stromtransiente auf der Leitung +VCC erzeugt wird. Die Lösung beim NE555 ist ein Elektrolytkondensator mit mindestens 10 µF und parallel dazu ein 100 nF Keramikkondensator zwischen +VCC und GND als Stützkondensator möglichst nahe am IC.
Schon sehr kleine Spannungsänderungen an +VCC übertragen sich auf das Widerstandsnetzwerk. Dadurch entstehen kurzzeitige Veränderungen der Referenzspannungen. Die Folge ist ein Störverhalten. Vor allem bei höheren Frequenzen. Mit dem Kondensator C2 wird der Betrieb stabiler.

Hinweis: In der dargestellten Schaltung wurde auf einen Stützkondensator für die Versorgungsspannung direkt am IC verzichtet. In einer aufgebauten Schaltung sollte er berücksichtigt werden. Ein einfacher Wickelkondensator mit 100 nF reicht aus.

Ansteuerung von Pin 2

Der Widerstand R2 kann durch folgende Beschaltung bzw. Ansteuerung von Pin 2 ausgetauscht werden.

Taster als Schließer

Die Ansteuerung des Schalteingangs E (Pin 2) wird gerne mit einem Taster oder Schalter realisiert. Das Problem dabei ist, dass es nicht ausreicht, den Eingang auf 0 Volt zu schalten. Dann kippt zwar der Ausgang, aber der Impuls dauert dann so lange, wie der Eingang auf 0 Volt liegt. Der Pin 2 des NE555 muss also dynamisch getriggert werden.

Differenzierglied

Eine Ansteuerung des Eingangs E mit einer dynamischen Triggerung kann im einfachsten Fall über ein externes Differenzierglied (Widerstand R3 + Kondensator C3) erfolgen. Das Differenzierglied macht aus dem Taster-Schaltvorgang einen Impuls.
Mit der Diode über den Widerstand R2 verhindert man, dass beim Abschalten des Schaltsignals eine Spannungsüberhöhung auf den Pin 2 entsteht.

Eine Ansteuerung kann aber auch mit ein paar CMOS-Gattern realisiert werden. In jedem Fall muss man dafür sorgen, dass die Trigger-Bedingung des NE555 mit der Ansteuerung erfüllt wird.

Funktionsbeschreibung

Spannungsverlauf
Im Ruhezustand der Schaltung (Trigger (Pin 2) > 2/3 von +VCC) ist der Kondensator C1 entladen. Der Discharge-Ausgang (Pin 7) schaltet ihn auf 0 V (GND). Man könnte auch sagen, "schließt ihn kurz". Erfolgt ein Impuls von 0 V am Steuereingang (Pin 2), dann wird das interne RS-Flip-Flop gesetzt. Der Discharge-Ausgang (Pin 7) wechselt in einen offenen Zustand (Open Collector). Die Spannung an Pin 7 (Kollektor) hat - im offenen Zustand des Transistors - immer gerade die Spannung die an C1 anliegt. Man kann auch sagen, dass in diesem Moment parallel zu C1 ein unendlich hoher Widerstand liegt. Über den Widerstand R1 wird der Kondensator C1 aufgeladen, bis er 2/3 von +VCC erreicht hat. Dann kippt die Schaltung in den Ursprungszustand zurück.

Im weiteren Betrieb wird der Discharge-Ausgang (Pin 7), wegen des nicht vorhandenen Kollektorwiderstands (siehe Innenschaltung NE555), extrem hochohmig. Über den Widerstand R1 wird der Kondensator C1 aufgeladen, bis er 2/3 von +VCC erreicht hat. Dann schaltet der Discharge-Ausgang (Pin 7) wieder auf 0 V (GND). Der Kondensator C1 wird aufgrund eines fehlenden strombegrenzenden Widerstandes kurzgeschlossen und entlädt sich daher schlagartig. Es gibt also keine typische exponentielle Entladekurve. Sie ist sehr steil und in bestimmten Bereichen linear. Vereinfacht gesagt, die Schaltung kippt in den Ursprungszustand zurück.
Um die Wirkung dieser Schaltung zu verstehen, muss man nur im Diagramm die Signale von E (oben) und A (unten) miteinander vergleichen.

Hinweis: Wenn der 0-Volt-Impuls an Pin 2 länger dauert als die Zeit, die der Kondensator C_1 zum Aufladen benötigt, dann sind beide Eingänge am RS-Flip-Flop "high" und der Ausgang bleibt "high" bis an Pin 2 wieder "high" anliegt.

Beispiel für eine Bauteilliste

Zeichen Bauteil Wert / Typ
R1 Widerstand 68 kOhm
R1 (Alternative) Potentiometer 50/100 kOhm
R2 Widerstand 10 kOhm
C1 Kondensator 10 µF
C2 Kondensator 10 nF

Berechnung der Impulsdauer

Formel zur Berechnung der Impulsdauer
Die Dauer des Ausgangsimpulses ti wird durch die Bauteile R1 und C1 vorgegeben. Im Diagramm oben wird deutlich, an welchen Stellen in der Schaltung und welche Zustände innerhalb des NE555 auf die Ladezeit des Kondensators einen Einfluss haben.
Möchte man die Impulsdauer ti einstellen, dann setzt man für den Widerstand R1 ein Potentiometer ein. Bei den hier angegebenen Beispielswerten eignet sich ein Poti von 50 kOhm oder 100 kOhm am besten.

Berechnung

R1 (Ohm)
C1 (µF)

Ergebnis

Impulsdauer (s)

Welche Bedeutung hat die Konstante 1,1 in der Formel für die Berechnung der Impulsdauer?

Der Ladevorgang von C1 beginnt mit dem GND-Pegel (0 V) und endet mit der oberen Triggerschwelle (Threshold voltage). Diese relative Spannung hat einen Wert von 2/3 von +VCC bzw. 67% von VCC (0,67 * +VCC).
Die Triggerspannung (67% von +VCC) ist größer als die Spannung aus der RT/CT-Zeitkontante (RT * CT) von 63% (0,63 * +VCC). Deshalb muss die RT/CT-Zeitkonstante mit einem Faktor von 1,1 multipliziert werden. Doch wegen der Ungenauigkeit der oberen Triggerspannung (durch die Toleranzen der IC-internen Widerstände) gibt es eine Timing-Ungenauigkeit von ±10 Prozent. Das bedeutet, dass der reale Faktor nicht 1,1 ist. Er kann wegen Exemplarstreuung zwischen 1,0 und 1,2 variieren.
Weil der Faktor zwischen 1,0 und 1,2 liegen kann, nimmt man den Mittelwert von 1,1 und ignoriert die Toleranz bei den weiteren Berechnungen.
Detailliertere Informationen sind unter Zeitkonstante, Impulsdauer und Kalibrieren (Timer 555) zu finden.

Anwendung der monostabilen Kippstufe

Die monostabile Kippstufe eignet sich, um einen kurzen Impuls zu verlängern und auf eine Impulsdauer festzulegen. Aus einem variablen Eingangsimpuls am Eingang wird ein definierter Impuls am Ausgang.

Problem: Lange Leitung

Wenn der Eingang (E) mit einer langen Leitung beschaltet ist, dann kommt es vor, dass die monostabile Kippstufe immer wieder auslöst, obwohl kein Impuls anliegt. Das Problem ist die lange Leitung. Dabei werden Schaltflanken von Bauelementen in der Nähe der Leitung immer wieder eingekoppelt. Ein weiterer Kondensator mit 100 nF zwischen Eingang und GND wirkt als Tiefpass und beseitigt das Problem.

Retriggerbares Monoflop

Bei einer normalen Monostabilen Kippstufe wird in jedem Fall ein Ausgangsimpuls erzeugt, wenn ein Signal (Triggersignal) am Steuereingang (Triggereingang) anliegt. Doch manchmal möchte man, dass am Ausgang das Signal noch eine Zeit lang anliegt. Das bedeutet, dass erst dann der letzte Zyklus am Ausgang gestartet werden soll, wenn der Eingangsimpuls nicht mehr vorhanden ist. Rein technisch gesehen wäre das eine Nachlaufsteuerung.
Dazu wird zwischen Pin 6 bzw. 7 und Pin 2 eine Standard-Diode eingebaut (Kathode an Pin 2). Sie zieht Pin 6 und 7 auf GND, solange ein Signal am Eingang anliegt.
Im Gegensatz zum normalen Monoflop wird bei einem retriggerbaren Monoflop mit jedem Triggerimpuls innerhalb der Impulsdauer die Ausgangsimpulsdauer (nicht der Ausgangsimpuls) erneut gestartet und so der Ausgangsimpuls verlängert.

Schaltungen mit dem Timer 555

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