Während man bei einem NF-Vestärker durch Gegenkopplung zu einem stabilen Arbeitspunkt kommt, basieren Flip-Flop-Schaltungen im Gegenteil auf einer Rückkopplung eines phasengleichen, verstärkten Signals. Man kann von einem zweistufigen Verstärker ausgehen. Da jede Stufe die Signale verstärkt und invertiert, sind die Eingangs- und Ausgangssignale der Gesamtschaltung phasengleich. Durch die Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang wird erreicht, dass z.B. eine ansteigende Ausgangsspannung sich selbst verstärkt.
Prinzip des rückgekoppelten Verstärkers
Führt man die Rückkoplung mit einer Gleichstromkopplung durch, dann ergeben sich statische Zustände, die sich selbst erhalten. Als Verstärker kommt z.B. eine zweistufige, direkt gekoppelte Transistorschaltung in Frage. Jede Stufe verwendet die Emitterschaltung und invertiert ihr Eingangssignal. Die Rückkopplung kann durch einen Widerstand erfolgen. Die einfache Schaltung bildet nun ein bistabiles Flip-Flop. Das bedeutet: Die Ausgangsspannung kann entweder tief (fast 0 V) oder hoch (fast gleich der Betriebsspannung) sein, und sie verharrt ständig im gegebenen Zustand. Eine Änderung kann nur durch einen äußeren Eingriff in die Schaltung erreicht werden.
Bistabiles Flip-Flop mit zwei Transistoren
Ist die Ausgangsspannung
gerade tief, dann erhält T1 keinen Basisstrom, d.h. er ist gesperrt.
Damit erhält T2 den vollen Basisstrom und steuert voll durch. Der
Ausgang bleibt also tief.
Ist die Ausgangsspannung gerade hoch, dann erhält T1 einen Basisstrom und steuert durch. Damit wird T2 der Basisstrom entzogen und T2 sperrt. Die Ausgangsspannung bleibt also hoch.
Welcher Zustand sich beim Einschalten zuerst einstellt, kann nicht vorhergesagt werden. Es ist aber möglich, den Zustand der Schaltung gezielt zu ändern. Dazu genügt es, mit zwei Tastschaltern den jeweils gewünschten Basisstrom kurzzuschließen. Die Schaltung bezeichnet man dann auch als RS-Flip-Flop (R = Reset, Ausschalten, S = Set, Einschalten).
RS-Flip-Flop mit Lampe.
Geht man vom Strom durch die Lampe aus und nicht von der Kollektorspannung am Ausgang, dann ist S der AN-Schalter und R der AUS-Schalter.
Eine bistabile Schaltung lässt sich auch mit komplementären Transistoren aufbauen. Der Kollektorstrom des einen Transistors liefert jeweils den Basisstrom des anderen. Beide sind entweder gesperrt oder gemeinsam durchgesteuert. Der Aufbau entspricht dem inneren Aufbau eine Thyristors. Damit ist auch das Einschalten („Zünden“) und das Ausschalten („Löschen“) in gleicher Weise möglich.
RS-Flip-Flop mit Komplementärtransistoren und Thyristor