Astabile Kippstufe

Der Begriff „astabil" wird in der Elektronik verwendet, um eine Schaltung oder ein Bauteil zu beschreiben, das keinen stabilen Zustand oder stabile Ruhelage besitzt und stattdessen kontinuierlich zwischen verschiedenen Zuständen hin und her wechselt. Eine astabile Schaltung erzeugt also ein wechselndes, oszillierendes oder pulsierendes und sich wiederholendes Ausgangssignal.

Im Allgemeinen bezieht sich die Eigenschaft „astabil“ auf eine Schaltung, die keine interne Rückkopplung und kein Verzögerungselement enthält, um einen stabilen Zustand zu erreichen oder zu halten. In der Regel wird eine Rückkopplung in Form einer Kombination mit Widerständen und Kondensatoren realisiert, um den zeitlichen Wechsel zwischen den Zuständen zu steuern.

Die astabile Kippstufe besteht typischerweise aus zwei aktiven Bauelementen, wie Transistoren oder Operationsverstärkern, und einer Rückkopplung. Die Rückkopplung enthält passive Bauelemente, wie Widerstände und Kondensatoren.
Die eigentliche Funktion der astabilen Kippstufe wird durch die Rückkopplung erreicht, bei der das Ausgangssignal den Eingang beeinflusst und somit den Wechsel zwischen den Zuständen auslöst. Dieser Wechsel zwischen den Zuständen wiederholt sich kontinuierlich und erzeugt das sich wiederholende Ausgangssignal.

Die Häufigkeit der Wiederholung wird als Frequenz bezeichnet, was den mathematischen Kehrwert der Dauer einer Wiederholung entspricht. Die Frequenz des erzeugten Signals lässt sich durch die Werte der passiven Bauelemente in der Rückkopplung bestimmen. Durch die Berechnung und Wahl der Kombination aus Widerstand und Kondensator (Kapazität) kann die Ausgangsfrequenz der astabilen Kippstufe definiert werden.

Anwendungen der astabilen Kippstufe

Astabile Kippstufen finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung, wie zum Beispiel in Uhren, Timern, Signalgeneratoren und vielen anderen Schaltungen, bei denen periodische Signale benötigt werden.

Blinkschaltungen

Astabile Kippstufe mit Transistoren

Eine einfache astabile Kippstufe lässt sich mit zwei Transistoren, Kondensatoren und ein paar Widerständen realisieren. Die Kombination aus Kondensator und Widerstand ermöglicht Einfluss auf die Dauer zwischen dem Wechsel. Mit einer oder zwei LEDs lässt sich der Zustand sichtbar machen. Das ist dann ein Wechselblinker.

LED-Wechselblinker

Astabile Kippstufe mit NE555

Mit noch weniger Bauteilen lässt sich eine astabile Kippstufe mit einem Timer 555 bzw. IC NE555 realisieren. Die Schaltung eignet sich dann auch als Taktgenerator für digitale Schaltungen.

NE555 als astabile Kippstufe

Astabile Kippstufe mit CMOS-IC 4094

Das CMOS-IC 4093 ist eigentlich ein 4-fach-NAND mit Schmitt-Trigger-Eingängen. Allerdings kann man damit einige interessante digitale und auch analoge Schaltungen bauen. Zum Beispiel astabile Kippstufen.

Monostabile Kippstufe

Es ist wichtig zu wissen, dass astabil im Gegensatz zu monostabil steht. Während astabile Kippstufen kontinuierlich zwischen Zuständen wechseln, haben monostabile Kippstufen einen stabilen Zustand, der jedoch vorübergehend in einen anderen Zustand wechseln kann und dann automatisch zum ursprünglichen Zustand zurückkehrt.

Monostabile Kippstufe

Bistabile Kippstufe

Es ist wichtig zu wissen, dass astabil im Gegensatz zu bistabil steht. Während astabile Kippstufen kontinuierlich zwischen Zuständen wechseln, haben bistabile Kippstufen zwei stabile Zustände.