Interessante Messungen/ Monostabile Kippstufe

Übersicht

Der Eingang ist der Impulsgenerator VG1 (Voltage Generator 1). VS1 (Voltage Source 1) ist die Spannungsversorgung. Das Voltmeter UCE2 (Kollektor-Emitterspannung von Tranistor 2) ist der Ausgang der Schaltung.

Blackbox Analyse

Zuerst machen wir eine Blackbox Analyse der Schaltung. Das bedeutet konkret, dass wir die Schaltung simulieren. Dazu verwenden wir drei verschieden Lange Eingangsimpulse.
  • Eingangsimpuls kürzer als ton
  • Eingangsimpuls etwa gleich wie ton
  • Eingangsimpuls länger als ton
Wir sehen: Die Länge des Ausgangspulses ist unabhängig von der Länge des Eingangspulses.

White-Box Analyse

Einschalten

Schritt Beschreibung Schema
1 Wir gehen von diesem Schema aus:
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2 Als erstes zeichnen wir die Spannungen der beiden Quellen ein:
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Am Anfang liefert die Spannungsquelle VS1 5V und der Signalgenerator VG1 0V.


3 Die Spannung des Signalgenerators VG1 erscheint direkt an UBE1:
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Folglich wissen wir, dass der Transistor T1 gesperrt sein muss.


4 Nun kommen wir zum Kondensator C2: Da wir die Schaltung gerade erst eingeschaltet haben, muss er leer sein, also 0V haben.
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5 Der Kondensator beginnt nun, sich über R1 und die Basis-Emiter Strecke von T2 zu laden:
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6 Durch den Strom IR1 schaltet der Transistor T2 ein:
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7 Da IR1 relativ groß ist,[1] können wir davon ausgehen, dass der Transistor in Sättigung geht:
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8 Folglich fließt ein Strom IR4:
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9 Im Moment dominiert zwar IR1 den Basisstrom, aber wir dürfen IR2 nicht vernachlässigen:
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10 Nun beobachten wir, was passiert während sich C2 lädt:
Als Zeitabstand zwischen zwei Betrachtungen wählen wir jeweils ein Tau.
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14 Nach 5 Tau (R1 * C2) ist der Kondensator voll. Der Basisstrom für T2 kommt nun hauptsächlich von R2.
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15 Sobald der Kondensator ganz voll ist (tau mal Unendlich) fließt kein IR1 mehr, der Basisstrom von T2 ist nur noch IR2. Praktisch können wir das schon nach 5 Tau sagen.
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Schritt Beschreibung Schema

Triggern

Schritt Beschreibung Schema
1 Wir beginnen mit der Funktionsbereiten Schaltung:
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2 Als Trigger Signal gibt VG1 ein 5V Signal:
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R3 wirkt nun als Vorwiderstand für Die Basis-Emiter Strecke von T1. UBE wird also 0.7V:


3 R3 wirkt nun als Vorwiderstand für die Basis-Emiter Strecke von T1. UBE wird also 0.7V:
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4 Da UBE nun 0.7V ist, geht der Transistor in Sättigung:
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5 Jetzt drehen wir erstmal den Spannungspfeil von C2 um und passen das Vorzeichen entsprechend an:
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Damit ist jetzt noch nichts passiert, aber das Vorzeichen ist für die nächsten Schritte günstiger.


6 Nun betrachten wir die Masche : UBE1 ist nun folglich -3.9V:
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7 Folglich schaltet der Transistor aus:
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8 IR4 fliesst nun nicht mehr durch die Kollektor Emitter Strecke von T2 sondern durch R5:
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9 Transistor 1 wird nun also durch R4+R5 mit einem Basis Strom versorgt. Folglich spielt es keine Rolle mehr, ob VG1 weiterhin 5V ist oder 0V:
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Auf den ersten Blick mag dies nun verwirrend und/oder unwichtig erscheinen, aber dies ist eine wesentliche Schaltungseigenschaft: Das Signal von VG1 wurde mitgekoppelt und T1 befindet sich nun in einer Art Selbsthaltung.


10 Nun zum Kondensator zurück: C2 lädt sich nun über R2:
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15 Sobald der Kondensator auf +0.2V geladen ist, sieht der Transistor +0.6V[2] und schaltet ein.
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16 Da wir nun 0.6V am Transistor T2 haben, schaltet er ein:
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17 IR4 fliesst nun durch T2:
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Nun kommt es darauf an, ob VG1 noch an ist oder nicht.


18 Annahme: VG1 ist an
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19 IR2 fliesst durch die Basis-Emiter Strecke von T2. T2 bleibt somit eingeschaltet. IR1 fliesst durch die Kollektor-Emiter Strecke von T1. UC2 ergibt sich durch den Maschensatz UBE2=UCE1+UC2
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Die Schaltung befindet sich in einem Stabilen Zustand, bis VG1 ausgeschaltet wird.


20 Annahme: VG1 ist aus
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21 Die Basis Emitter Strecke von T1 wird nun weder von VG1 durch R3 noch durch R4+R5 versorgt. Der Transistor schaltet also aus:
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22 IR1 und IR2 fliessen nun wieder durch die Basis Emiter Strecke von T2:
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23 Da IR1 fliesst, beginnt C2 sich zu laden. Da es wieder zweckmässiger ist, drehen wir den Spannungspfeil wieder um:
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24 C2 lädt sich nun wieder bis 4.3V. Wir sind wieder in der Ausgangsposition:
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Schritt Beschreibung Schema

Einschränkungen

  • Die Schaltung braucht Zeit zum erholen
  • die Schaltung ist nicht retriggerbar
  • Der Kondensator sieht eine negative Spannung (etwa UBE)
  • Die Basis-Emiter Strecke sieht eine negative Spannung (etwa U0)

Anmerkungen

  1. ↑ bezogen auf den Last Strom IR4 verursacht durch R4
  2. ↑ Normalerweise wird in diesem Buch 0.7V als Schaltspannung verwendet. Da die e-Funktion an dieser Stelle aber sehr steil ist, soll 0.6V an dieser Stelle zweckmässig sein
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