Grundschaltung: NE555 als monostabile Kippstufe

Das Monoflop oder die monostabile Kippstufe ist eine Grundschaltung und eine Anwendung mit dem NE555. Diese Grundschaltung kommt mit wenigen externen Bauteilen aus. Nur in der praktischen Anwendung ist der Trigger-Eingang oft umfangreicher beschaltet.

Oft ist es so, dass der NE555 als monostabile Kippstufe als erste Grundschaltung behandelt wird. Dabei ist das aus didaktischer Sicht wenig sinnvoll. Die Funktionsweise des Timers als monostabile Kippstufe ist wenig effektvoll und man muss schon ein wenig verstanden haben, wie die Eingänge Trigger und Threshold beim NE555 wirken.

Eine monostabile Kippstufe gibt einen Impuls (High) am Ausgang ab, wenn ein kurzzeitiger Impuls am Trigger-Eingang anliegt. Dabei hängt die Impulsdauer am Ausgang von der Ladedauer eines Kondensators ab. Um diesen Effekt der Impulsdauer am Ausgang nachvollziehen zu können, kann man die Grundschaltung aufbauen und einfach mal den Taster S1 betätigen und sehen, wie die LEDs am Ausgang darauf reagieren.

Liste

• IC1: Timer NE555
• R1: Metallfilm-Widerstand, 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange)
• 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)
• C1: Elektrolyt-Kondensator, 100 µF
• S1: Taster
• LED1: Leuchtdiode, rot
• LED2: Leuchtdiode, grün

Hinweis: Bei der praktischen Anwendung dieser Schaltung, empfiehlt es sich an Pin 5 (Steuerspannung / Control Voltage) einen Kondensator mit etwa 10 nF gegen GND zu schalten, weil sonst die Schaltung schwingen könnte. Unsere monostabile Kippstufe wäre dann eine nichtstabile Kippstufe.

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

Damit der NE555 als Monoflop funktioniert müssen zwei Bedingungen vorliegen:

1. Ein Trigger-Impuls muss unterhalb von 1/3 von +VCC am Trigger-Eingang (Pin 2) anliegen. In der Regel verwendet man eine fallende Flanke (von +VCC nach GND).
2. Der Trigger-Impuls muss beendet sein, bevor der Kondensator 2/3 von +VCC erreicht hat, weil der Ausgang sonst den Zustand HIGH behält.

Damit beide Bedingungen erfüllt werden, muss man sich um eine entsprechende Ansteuerung und Beschaltung von Pin 2 (Trigger-Eingang) kümmern. Aus diesem Grund ist eine Timer-Schaltung als monostabile Kippstufe für viele Anfänger nicht so ganz einfach zu dimensionieren.

1. Zum Ausprobieren der Schaltung verwenden wir zum Erfüllen von Bedingung 1 einen Taster, der den Trigger-Eingang nach GND schaltet. Dadurch wird sicher 1/3 von +VCC anliegen.
2. Damit die Bedingung 2 erfüllt wird, darf der Taster nur kurz (!) gedrückt werden. Nur dann kann man den Umschaltvorgang von Low-High-Low nach dem Tasterdruck beobachten.

Im Grundzustand der monostabilen Kippstufe ist der Kondensator C1 entladen und der Ausgang der Schaltung führt den Zustand LOW. Das heißt, die rote LED leuchtet. Wenn man den Taster kurzzeitig (!) betätigt, schaltet der Ausgang den Zustand auf HIGH und die grüne LED leuchtet. Sie leuchtet aber nur solange, bis der Kondensator 2/3 von +VCC erreicht. In dem Moment wird das interne RS-Flip-Flop umgeschaltet, der Ausgang schaltet nach HIGH und der Kondensator wird schlagartig entladen.
Im Prinzip passiert genau das auch bei der astabilen Kippstufe. Im Gegensatz zu einer astabilen Kippstufe wird der erneute Zyklus nicht automatisch gestartet, sondern nur durch eine Zustandsänderung am Eingang ausgelöst. Zum Beispiel in dem man den Taster erneut drückt.

Wenn man den Taster drückt und gedrückt hält, dann widerspricht das der Bedingung 2. Dann würde das interne RS-Flip-Flop erst dann umschalten, wenn man den Taster losgelassen hat. Durch die Betätigung des Tasters über das Laden des Kondensators hinaus wird der High-Zustand am Ausgang verlängert.

Mit mehreren Experimenten wollen wir herausfinden, wie sich die Zeitfunktion der Schaltung ändert, wenn wir andere Bauteilwerte für den Kondensator C1 und den Widerstand R2 verwenden. Es geht also darum, den Ausgangsimpuls zu verlängern und zu verkürzen.

• Experimente: NE555 als monostabile Kippstufe

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

• LINKS