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Aufbau und Funktionsweise des NE555

Jetzt können wir einen einfachen Taktgenerator bauen, aber wie funktioniert der NE555 überhaupt? Schauen wir uns zuerst mal das Innenleben des NE555 an.

Ohne die zugehörigen Pinnummern bringt uns dieses Schaltbild aber herzlich wenig.

Soweit so gut, aber wie funktioniert das jetzt? Der Reihe nach:

+V: Sollte klar sein. Hier wird die Versorgungsspannung angeschlossen. Nachfolgend lassen wir das + weg.
Masse: Muss ich da was zu sagen?
Reset: Liegt an Reset ein Low-Pegel an, wird der NE555 resetet. Er ist erst einsatzbereit, wenn Reset an High liegt.
Ausgang: Hier liegt in der EIN-Phase High an und in der AUS-Phase Low.
Entladung: Während der AUS-Phase schaltet der Transistor durch. Entladung wird auf Masse geschaltet.

Das Wichtigste am NE555 sind aber die drei Widerstände, die beiden OpAmps und der FlipFlop. Die drei Widerstände fungieren als Spannungsteiler. Sie teilen die Versorgungsspannung im Verhältnis 2/3 zu 1/3. Die beiden OpAmps dienen hier als Komparatoren. Sie vergleichen die Spannungen, die an Schaltschwelle und Trigger anliegen, mit den durch die Widerstände geteilten.

• Sinkt die Spannung an Trigger unter 1/3V, so liegt am Set-Eingang des FlipFlops High an und der Ausgang schaltet auf High.
• Steigt die Spannung an Schaltschwelle über 2/3V, so liegt am Reset-Eingang des FlipFlop High an und der Ausgang schaltet auf Low. Außerdem schaltet der Transistor und Entladung wird auf Masse gezogen.

Mit der Kontrollspannung kann man die Schaltschwellen 2/3V und 1/3V beeinflussen. Man muss an Kontrollspannung nur eine andere Spannung anlegen als 2/3V und dann kann man sich die beiden Schwellen selbst ausrechnen. Will man die intern erzeugten 2/3V und 1/3V verwenden muss man Kontrollspannung mit einem kleinen Kondensator an Masse anschließen.

Soviel zum Innenleben das NE555. Aber wie fügt sich das ganze zu einem Taktgeber zusammen? Und wie kommt man auf die Formeln zur Berechnung von t_ein und t_aus?

Schauen wir uns noch mal die astabile Kippstufe an.

Schaltet man die Schaltung ein, lädt sich C1 über R1 und R2 auf. Die beiden Komparatoren sind direkt mit dem Kondensator verbunden. Steigt die Spannung an C1 über 2/3V wird der Ausgang auf Low gesetzt. Außerdem wird Pin7 (Entladung) mit Masse verbunden.

Nun entlädt sich C1 über R2 und den Pin7, bis die Spannung an C1 unter 1/3V sinkt. Dann schaltet der Ausgang auf High und der Transistor an Pin7 sperrt wieder. Jetzt beginnt das ganze von vorne.

Doch wie kommt man nun auf die Formeln zur Berechnung der Zeiten?

Dazu muss man wissen, wie sich ein Kondensator verhält, wenn er sich über einen Widerstand lädt bzw. entlädt. Wenn man die Bauteilbeschreibung des Elektrolytkondensators gelesen hat, weiß man, dass ein Kondensator sich in 5 * R * C Sekunden auf- bzw. entlädt.

Aber was soll diese 0,69 in der Formel?

Nun, es ist so, dass sich ein Kondensator in 0,69 * R * C Sekunden zur Hälfte auf- / entlädt. Und der Kondensator muss sich eben, um von 2/3V auf 1/3V zu kommen, um die Hälfte entladen. Andersrum muss sich der Kondensator, um von 1/3V auf 2/3V zu kommen, um die Hälfte der Spannungsdifferenz aufladen.

Zum besseren Verständnis des Verhaltens von Kondensatoren rate ich, sich die entsprechenden Seiten im Elektronik-Kompendium durchzulesen. Ich hoffe das war einigermaßen verständlich und ihr wisst jetzt was ihr tut, wenn ihr den NE555 benutzt.

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