Experimente: NE555 als astabile Kippstufe

Die astabile Kippstufe ist eine Grundschaltung des NE555 und vermutlich die häufigste Schaltungsvariante. Die äußere Beschaltung sorgt dafür, dass der Ausgang (Pin 3) periodisch zwischen HIGH und LOW hin- und herschaltet. Also ein typischer Anwendungsfall für Impulsgeneratoren oder Tongeneratoren. In der dargestellten Schaltung sind zwei LEDs am Ausgang geschaltet, damit man sehen kann, welchen Zustand der Ausgang hat. Die rote LED leuchtet beim Zustand LOW. Die grüne LED leuchtet beim Zustand HIGH.

Im wesentlichen sind die Bauteile R1, R2 und C1 für die Funktionsweise dieser Schaltung verantwortlich. Wenn du wissen willst, wie man Einfluss auf die Blink-Geschwindigkeit und das Blink-Verhältnis nimmt, dann mache ein paar Experimente mit unterschiedlichen Widerständen und Kondensatoren.

• Grundschaltung: NE555 als astabile Kippstufe

Liste

• IC1: Timer NE555
• C1: Elektrolyt-Kondensator, 100 µF
• R1: Metallfilm-Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
• R2: Metallfilm-Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
• R3: Metallfilm-Widerstand, 5,1 kOhm (Grün-Braun-Schwarz-Braun)
• R4: Metallfilm-Widerstand, 5,1 kOhm (Grün-Braun-Schwarz-Braun)
• LED1: Leuchtdiode, rot
• LED2: Leuchtdiode, grün

Für die Experimente zusätzlich:

• 1 x Elektrolyt-Kondensator, 10 µF
• 2 x Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• 2 x Metallfilm-Widerstand, 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange)

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• NE555 (IC)
• Widerstand
• Leuchtdiode (LED)
• Elektrolyt-Kondensator (Elko)
• Mini-Voltmeter
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Wenn man diese Schaltung aufgebaut hat und durch Anlegen der Spannungsquelle in Betrieb nimmt, dann werden die beiden Leuchtdioden abwechselnd leuchten bzw. blinken. Die Frage ist, wie muss die Schaltung verändert werden, wenn zum Beispiel die beiden Leuchtdioden schneller oder langsamer blinken sollen. Und wie muss die Schaltung verändert werden, wenn zum Beispiel die rote LED länger oder kürzer leuchten soll.

Die Dauer und die Geschwindigkeit des Blinkens lässt sich über die Widerstände R1 und R2, sowie den Kondensator C1 einstellen. Natürlich könnten wir hier die Bauteilwerte nennen, die für einen bestimmten Anwendungsfall verwendet werden können. Aber, das wäre ja langweilig.
Oder wir könnten auch die Formeln verraten, mit denen man das Zeitverhalten des NE555 als astabile Kippstufe ausrechnen kann. Aber, wie die Leuchtdioden blinken sollen, kann man auch mit wenigen Bauteilen ausprobieren.

In der folgenden Tabelle sind ein paar sinnvolle Werte für R1, R2 und C2 zum Experimentieren aufgeführt.

Mit einem Messgerät oder Mini-Voltmeter kann man den Lade- und Endladevorgang beobachten. Dabei misst man die Spannung am Kondensator C1. Der dargestellt Wert ist dabei weniger interessant, sondern in welche Richtung er sich bewegt. Ein steigender Wert bedeutet Laden und fallender Wert bedeutet Entladen des Kondensators.

• Ladevorgang: Der Discharge-Pin ist hochohmig bzw offen. Es kann hier kein Strom fließen. Während des Ladevorgangs des Kondensators fließt der Strom von VCC über die Widerstände R1 und R2, um den Kondensator aufzuladen.
• Entladevorgang: Wenn die Spannung am Kondensator den Schwellenwert erreicht (etwa 2/3 von +VCC), schaltet der Discharge-Pin auf GND. Dadurch entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R2 in Richtung Discharge-Pin.

Hinweis: Das messen mit einem Messgerät oder Mini-Voltmeter kann dazu führen, dass die Leuchtdioden nicht mehr abwechselnd blinken.

1. Die beiden LEDs blinken abwechselnd. Tendenziell leuchtet die rote LED kürzer.
2. Beide Leuchtdioden leuchten gleichzeitig. Die rote LED leuchtet weniger hell.
3. Das Blinken ist langsam.
4. Das Blinken ist schneller.
5. Das Blinken ist sehr langsam.
6. Das Blinken ist schneller.
7. Die rote Leuchtdiode blinkt bzw. blitzt nur kurz auf.
8. Die rote Leuchtdiode flackert. Die grüne Leuchtdiode verhält sich umgekehrt.
9. Das Blinken ist langsam.
10. Das Blinken ist schneller.
11. Das Blinken ist sehr langsam.
12. Das Blinken ist schneller. Tendenziell leuchtet die rote LED kürzer.
13. Die rote LED blitzt nur ab und zu kurz auf.
14. Die rote LED blitzt in kürzeren Zeitabständen kurz auf.
15. Die rote LED leuchtet mit großen Zeitabständen kurz auf.
16. Die rote LED blinkt mit kürzeren Zeitabständen kurz auf.
17. Das Blinken ist sehr langsam.
18. Das Blinken ist langsam.

• Beide Leuchtdioden leuchten oder blinken abwechselnd. Aber nicht immer. Beispielsweise beim Aufbau 2. Hier führt die Bauteil-Kombination aus R1 + R2 + C1 dazu, dass die Frequenz so hoch bzw. der Wechsel von High und Low so schnell ist, dass die LEDs das nicht darstellen können. Das heißt, die LEDs sind zu träge. Sie gehen nicht mehr aus.
• Generell wird das Blinken bei größerem C1 langsamer und bei kleinerem C1 schneller.
• Sind die Widerstände gleich groß, dann kann man unterschiedliche An- und Aus-Zeiten zwischen den LEDs feststellen. Das liegt daran, weil R1 + R2 für das Aufladen von C1 verantwortlich sind, während das Einladen nur über R2 erfolgt. Je weiter sich die Widerstandswerte voneinander entfernen, desto mehr ist der Unterschied bemerkbar.
• Mit dem Widerstand R1 beeinflusst man hauptsächlich die Ladedauer und damit die Leuchtdauer der grünen LED (Zustand HIGH).
• Mit dem Widerstand R2 beeinflusst man hauptsächlich die Entladedauer und damit die Leuchtdauer der roten LED (Zustand LOW).
• Höhere Widerstände führen generell dazu, dass die Frequenz kleiner (= Geschwindigkeit langsamer) wird. Es dauert länger, bis der Kondensator geladen oder entladen wird. Man kann das auch mit einem größeren Kondensator erreichen.
• Umgekehrt führen kleinere Widerstände dazu, dass die Frequenz höher (= Geschwindigkeit schneller) wird. Es dauert nicht so lange, bis der Kondensator geladen oder entladen wird. Man kann das auch mit einem kleineren Kondensator erreichen.