Experimente: Entladung (Discharge) vom NE555

Diese Schaltung ist eine einfache Grundschaltung des NE555 als astabile Kippstufe. Sie dient zum Experimentieren und nicht als dauerhaft funktionierende Anwendung.

Während Trigger, Reset und Threshold Eingänge sind und entsprechend beschaltet werden, handelt es sich beim Discharge (Pin 7) um einen Ausgang, der aber irgendwie wie ein Eingang funktioniert. Denn der Discharge-Pin wird auf die Eingangsbeschaltung zurückgeführt, um zum Beispiel einen Kondensator zu entladen. Das heißt, der Strom fließt hier in den Timer hinein.
Der Discharge ist deshalb wichtig, weil er auf das Zeitverhalten des NE555 Einfluss hat. So wird der Discharge dazu verwendet, um einen Kondensator zu entladen, um dadurch das Zeitintervall erneut starten zu können.
Die spezifische Funktion des Discharge-Pins variiert je nach Betriebsart. In allen Betriebsarten hat der Discharge-Pin die Funktion, die Timing-Intervalle des NE555 zu steuern. Das erfolgt über einen internen Transistor, der den Discharge-Pin auf GND zieht.

• Grundschaltung: NE555 als astabile Kippstufe

In den folgenden Experimenten wollen wir herausfinden, wie der Discharge Einfluss auf das Zeitverhalten einer Schaltung hat. Es geht auch um die Frage, welche Wirkung der Discharge-Pin hat.

Liste

• IC1: Timer NE555
• C1: Elektrolyt-Kondensator, 100 µF
• R1: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• R2: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• 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
• Mini-Voltmeter oder Messgerät

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

Wir wollen zwei Experimente durchführen, um die Funktionen des Discharge-Pins zu untersuchen und zu verstehen.

1. Beim ersten Experiment geht es darum zu verstehen, dass der Discharge-Pin Einfluss auf den Entladevorgang des Kondensators hat.
2. Beim zweiten Experiment geht es darum herauszufinden, warum es den Discharge-Pin braucht und warum man nicht einfach den normalen Ausgang an Pin 3 nehmen kann.

Baue dazu die Schaltung auf und nehmen sie in Betrieb. Sofern der Aufbau korrekt ist, blinken die rote und grüne LED wechselweise.

Wenn Du die Messleitung des Mini-Voltmeters mit dem Messpunkt (MP) verbindest, dann kannst Du den Lade- und Entladevorgang des Kondensators beobachten.

Hinweis: Wenn ein Oszilloskop verfügbar ist, kann man das Laden und Entladen des Kondensators auf dem Oszilloskop-Bildschirm beobachten.

Beobachtung des Aufbaus

• Nach dem Einschalten ist der Kondensator normalerweise leer und muss erst aufgeladen werden. Die rote LED ist aus, die grüne LED ist an.
• Bei angeschlossenem Messgerät steigt die dort angezeigte Spannung am Kondensators langsam an (Ladespannung).
• Bei etwa 2/3 von +VCC geht die grüne LED aus und die rote LED leuchtet.
• Während die rote LED leuchtet, kann man beobachten, dass sich die Spannung am Kondensator verringert (Entladespannung).
• Bei etwa 1/3 von +VCC geht die rote LED aus und die grüne LED leuchtet.

Beim ersten Experiment geht es nur darum zu erkennen, dass der Discharge-Pin Einfluss auf den Entladevorgang des Kondensators hat. Dazu nehmen wir eine kleine Änderung an der Schaltung vor. Entferne die Verbindung von R1 + R2 zum Discharge-Pin und nehme die Schaltung erneut in Betrieb.

Beobachtungen, Erkenntnisse und Erklärungen

Die fehlende Verbindung zum Discharge-Pin hat den Effekt, dass der Kondensator zwar aufgeladen wird, dann das interne RS-Flip-Flop zurückgesetzt wird und der Ausgang in den Zustand LOW wechselt. Und auch der Discharge schaltet nach GND. Aber weil die Verbindung fehlt, kann sich der Kondensator nicht über den Discharge-Pin entladen.
Wenn man die Verbindung zum Discharge-Pin wieder herstellt, ermöglicht man dem Kondensator das Entladen und erneute Starten des Zyklus, weshalb beide LEDs wieder wechselweise blinken.

Hinweis: Die hier zu beobachtende Fehlfunktion ist nur im Sinne einer astabilen Kippstufe ein Fehler. Vom Grundsatz her entspricht die hier provozierte Fehlfunktion einer Einschaltverzögerung.

Beim zweiten Experiment geht es darum herauszufinden, warum es den Discharge-Pin braucht und warum man nicht einfach den normalen Ausgang an Pin 3 nehmen kann.

Nehme die Schaltung in Betrieb und beobachte die abwechselnd blinkenden LEDs.
Nehme dann folgende Änderung vor: Verbinde den Verbindungspunkt von R1 + R2 von Pin 7 nach Pin 3.

Beobachtungen, Erkenntnisse und Erklärungen

• Wenn der Widerstand R1 zwischen Pin 2/6 und dem Discharge-Pin (7) geschaltet ist, dann leuchten die beiden LEDs ungefähr gleich lange. Es existiert nur ein kleiner Unterschied zwischen der Lade- (durch R1 + R2) und der Entladezeit (nur durch R2).
• Führt man den Ausgang (Pin 3) direkt auf die Eingänge (Pin 2 und 6) zurück, dann leuchten beide LEDs deutlich unterschiedlich lange.

Der zu beobachtende Effekt scheint nicht besonders groß zu sein. Für den praktischen Betrieb sind allerdings stabile Voraussetzungen notwendig. Insbesondere, wenn man das Impuls-Pausen-Verhältnis ausgerechnet hat und sich auf diese Zeiten verlassen muss. Da kann man es sich nicht leisten, wenn es Abweichungen gibt.

Welchen Einfluss hat der Ausgang?

Die Rückführung des Ausgangs (Pin 3) zum Laden und Entladen des Kondensators nimmt Einfluss auf das Zeitverhalten der Schaltung. Je nach Anwendung kann das ein Problem sein. Der Einfluss entsteht durch die Belastung des Ausgangs (Pin 3). Um das zu vermeiden empfiehlt sich das Entladen des Kondensators über den dafür vorgesehenen Discharge-Pin (7). Alternativ besteht die Möglichkeit den CMOS-Typ des Timers zu verwenden, der das Problem nicht hat, und der im astabilen Betrieb mit wenigen Bauteilen auskommt.