Experimente: Trigger und Threshold vom NE555

Wenn man der Funktionsweise einer beliebigen Timer-Schaltung mit einem NE555 genauer auf den Grund geht, dann findet man folgende Beschreibungen:

• Wenn der Kondensator beim Aufladen eine Spannung von 2/3 von +VCC erreicht hat, dann wird das interne RS-Flip-Flop zurückgesetzt, der Ausgang wechselt in den Zustand LOW.
• Wenn der Kondensator beim Entladen eine Spannung von 1/3 von +VCC erreicht hat, wechselt der Ausgang in den Zustand HIGH.

Mit diesen beiden Schaltschwellen, die mit 1/3 von +VCC und 2/3 von +VCC angegeben sind, wollen wir uns hier genauer beschäftigen. Sie haben mit den Anschlüssen Trigger (Auslöser, Pin 2) und Threshold (Schaltschwelle, Pin 6) zu tun. Denn hinter diesen beiden Eingängen liegen die beiden Komparatoren, deren Eingänge über einen Spannungsteiler von drei gleichen Widerständen geschaltet sind, wodurch es zu den Schaltschwellen von 1/3 +VCC und 2/3 +VCC kommt.
In vielen NE555-Schaltungen sind die beiden Eingänge Trigger und Threshold zusammengeschaltet. Das hat den Vorteil, dass man nur einen Eingang hat und die dahinterliegende Schaltung zwei Schaltschwellen auswerten kann. Wie bei einem Schmitt-Trigger bzw. Komparator mit Hysterese.

Für dieses Experiment verwenden wir einen Kondensator, den wir mit einem Widerstand aufladen können. Mit Hilfe eines Messgeräts oder Mini-Voltmeters messen wir die Spannung an Pin 2 und 6 und können dabei das Eingangssignal beobachten und nachvollziehen, was passiert, wenn 1/3 von +VCC bzw. 2/3 von +VCC erreicht wird. Mit einem Taster können wir den Zyklus eines steigenden bzw. wieder fallenden Signals manuell auslösen. Das erleichtert das Beobachten der Spannung an Pin 2 und 6, sowie das Nachvollziehen der Funktionsweise der Schaltung.

Liste

• IC1: Timer NE555
• R1: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• R2: Metallfilm-Widerstand, 5,1 kOhm (Grün-Braun-Schwarz-Braun)
• R3: Metallfilm-Widerstand, 5,1 kOhm (Grün-Braun-Schwarz-Braun)
• C1: Elektrolyt-Kondensator, 100 µF
• S1: Taster
• LED1: Leuchtdiode, rot
• LED2: Leuchtdiode, grün
• Mini-Voltmeter oder Messgerät

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

Hinweis: Die folgenden Experimente sind nur dann sinnvoll durchzuführen, wenn ein Messgerät in die Schaltung eingebaut ist. Optimalerweise ein Mini-Voltmeter oder ein möglichst einfaches Multimeter. Ein hochwertiges Messgerät ist hier untauglich.

Baue die dargestellte Schaltung auf und nehme sie in Betrieb. Normalerweise sollte die grüne LED leuchten (Zustand HIGH). Das Messgerät misst die Spannung am Kondensator. Es zeigt 0 Volt an, weil der Kondensator nicht geladen ist. Um den Kondensator zu laden und zu entladen, verwenden wir den Taster als manuelle Steuerung. Schauen dabei auf das Messgerät.

1. Drücke den Taster ganz kurz.
2. Drücke den Taster und halte ihn gedrückt, bis der Wert am Messgerät nicht mehr weiter steigt.
3. Halte den Taster noch einmal gedrückt, lasse dann los und beobachte was passiert.

Wiederhole die Schritte 2 und 3, bis du die Beobachtungen und Erklärungen nachvollziehen kannst.

Beobachtungen und Erklärungen

1. Für die Dauer der Betätigung des Tasters wird der Kondensator kurz geladen. Dabei verändert sich am Ausgang nichts. Die grüne LED leuchtet weiterhin. Am Messgerät kann man beobachten, dass die Spannung kurz ansteigt und nach dem Loslassen des Tasters langsam bis 0 Volt sinkt.
2. Während der Taster gehalten wird, wird der Kondensator aufgeladen. Das erkennt man daran, weil der Spannungswert am Messgerät steigt. Wenn der Kondensator C1 beim Aufladen eine Spannung von 2/3 von +VCC erreicht hat, dann wird das interne RS-Flip-Flop zurückgesetzt, der Ausgang wechselt in den Zustand LOW. Dabei geht die grüne LED aus und die rote LED an.
3. Nachdem der Taster losgelassen wurde, sinkt die Spannung am Kondensator. Er entlädt sich. Wenn der Kondensator C1 beim Entladen eine Spannung von 1/3 von +VCC erreicht hat, dann wird das interne RS-Flip-Flop gesetzt, der Ausgang wechselt in den Zustand HIGH. Die rote LED geht aus und die grüne LED an.

Warum funktionieren diese Experimente nur mit einem Messgerät in der Schaltung?

Diese Schaltung sieht vor, dass man den Kondensator durch Drücken des Tasters aufladen und damit das Überschreiten der oberen Schaltschwelle möglich wird. Beim Loslassen des Tasters würde man erwarten, dass der Kondensator sich entlädt. Doch worüber soll er sich entladen. Der Kondensator beleibt geladen. Das heißt, die untere Schaltschwelle wird erst dann erreicht, bis der Kondensator sich selber entladen hat. Bei einem Kondensator mit einer Kapazität von 100 µF kann das eine Weile dauern. Weil wir nicht solange warten wollen, brauchen wir einen Entladewiderstand. Den könnten wir mit einem zweiten Taster dazuschalten, was aber nicht notwendig ist. Es geht einfacher mit einem Messgerät parallel zum Kondensator. Das hat zwei Vorteile. Erstens, wirkt das Messgerät wie ein Widerstand, über den sich der Kondensator langsam entladen kann. Abhängig vom Innenwiderstand des Messgeräts natürlich. Der Innenwiderstand des Messgeräts begrenzt den Entladestrom. Weil ein Spannungsmessgerät normalerweise sehr hochohmig ist, ist ein hochwertiges Messgerät an dieser Stelle untauglich. Das Entladen des Kondensators würde zu lange dauern. Es empfiehlt sich mit einem Mini-Voltmeter die Spannung am Kondensator zu messen. Oder mit dem billigsten und einfachsten Messgerät, dass verfügbar ist. Dessen Innenwiderstand ist dann nicht so hoch, worüber sich der Kondensator schneller entlädt. Gleichzeitig, und das ist der zweite Vorteil, kann man über das Messgerät dem Kondensator beim Laden und Entladen „zusehen“. Außerdem kann man „sehen“, wo genau die Schaltschellen liegen.
Wenn kein einfaches Messgerät verfügbar ist, dann kann man es mit einem kleineren Kondensator versuchen. Dann kann man dem Kondensator aber nur beim Entladen zusehen.