Untersuchung einer Blinkschaltung
Elektronik-Labor Mikrocontroller PicoBasic TestLab
Diese kleine Blinker-Platine
wurde für die Jugendarbeit im Amateurfunk-Club entwickelt. Sie soll
hier mit dem TestLab genauer untersucht werden. Es handelt sich um
einen einfachen Multivibrator mit zwei Transistoren. Er wurde hier
mit 5 V von der TesLab-Platine versorgt. Für eine Untersuchung wurde AD1
an die Basis des ersten Transistors und AD0 an den Kollektor deszweiten
Transistors gelegt. Eine Zweikanalmessung gibt nun Hinweise auf die
Funktion.
Immer wenn die LED gerade angeschaltet ist, ist die Ausgangsspannung
(rot) nahe null. Der Transistor schaltet also gut durch und erreicht
eine CE-Spannung von ca. 0,1 V. In dieser Phase wird der erste
Transistor abgeschaltet, indem die Basisspannung zuerst sogar unter 0 V
fällt. Die Messung (schwarz) schneidet den negativen Bereich ab, weil
erst ab 0 V gemessen werden kann. Die Spannung steigt dann langsam an,
bis der Transistor bei ca. 0,5 V zu leiten beginnt, und die Schaltung
umkippt.
Hier soll dir Schaltung Stück für Stück nachentwickelt werden, um sie
im Detail zu untersuchen. Es beginnt mit einem Stromspiegel aus zwei
Transistoren. Beide bekommen exakt die gleiche Basisspannung. Deshalb
sollten auch die Kollektorströme gleich sein, sofern die Transistoren
gleiche Daten und gleiche Temperatur haben.
Der Strom wird hier durch den 10k-Widerstand festgelegt und sollte
sich im rechten Transistor spiegeln. Für die Messung habe ich im
Interesse der Messgenauigkeit eine externe Spannungsquelle mit 5,0 V
zusätzlich angeschlossen. Ein Skalenteil steht damit für 0,5 V.
Die Messung zeigt eine Basisspannung von 0,6 V. Am 10k-Wiederstand
liegen also 4,4 V, und es fließt ein Strom von 0,44 mA. Der
Spannungsabfall am 1k-Widerstand kann mit dem Abstand zum oberen Rand
des Schirms abgelesen werden. Er beträgt 0,4 V, der gespiegelte Strom
ist also etwa 0,4 mA. Der Stromspiegel funktioniert also wie
gewünscht.
Als nächstes wird ein Widerstand mit 10 k in die Verbindung
Basis-Kollektor gelegt. Weil der Basisstrom ca. 200-fach kleiner ist
als der Kollektorstrom, beträgt der Spannungsabfall an diesem
Widerstand nur etwa 20 mV. Damit steigt die Kollektorspannung um 20 mV
an. Genau wie an eienr Diode führt das zu einer Verdopplung des Stroms
durch den zweiten Transistor. Das ganze ist also ein modifizierter
Stromspiegel mit einem vergrößerten Ausgangsstrom. Alles nur geschätzt
und über den Daumen gepeilt, die Messung soll zeigen was dabei
herauskommt.
Am 1k-Widersatnd liegen nun 0,75 V, rund doppelt so
viel vor vorher mit 0,4 V. Die Eigenschaften der Schaltung sind
weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur, weil beide
Transistoren die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen. Wenn man
aber für unterschiedliche Temperaturen sorgt, gibt es eine deutliche
Reaktion.
Hier wurden in einem Zeitraum von 100 s zuerst der linke Transistor
und dann der rechte Transistor mit dem Finger berührt und damit leicht
erwärmt. Man sieht deutlich einen Anstieg und einen Abfall der
Ausgangsspannung sowie eine Erholungsphase gegen Ende.
Durch den zusätzlich
eingebauten Basiswiderstand ist die Schaltung zugleich ein
Verstärker mit zwei direkt gekoppelten Emitterschaltungen. Hier wurde
an den Eingang ein Kabel angeschlossen, und nur dessen Isolierung mit
dem Finger berührt. Man sieht kleine Schwankungen am Eingang und
deutlich verstärkte Schwingungen am Ausgang. Vielleicht hätte man eher
ein deutliches 50-Hz-Signal erwartet. Aber hier koppelt man mit einer
sehr kleinen Kapazität in einen Eingang mit relativ niedrigem
Innenwiderstand. Damit hat man ein Hochpassfilter, sodass die
Sinusschwingung mit 50 Hz stark geschwächt wird, während alle
Oberwellen und sonstige Störspannungen mit größerer Frequenz stärker
einkoppeln. Was auch noch sichtbar wird, ist eine deutliche Verzerrung
der Signale mit größeren Ausschlägen nach unten, die auf die
exponentiellen Eingangskennlinien der Transistoren zurückzuführen sind.
Die Schaltung kann daher sogar als HF-Demodulator eingesetzt werden.
Der Verstärker dreht die Phasenlage der Signale
insgesamt um 360 Grad. Da fehlt nur noch eine Rückkopplung, und schon
hat man einen Oszillator. Hier wurden ein Elko mit 22 µF und ein
weiterer Widerstand mit 10 k verwendet.
Die Messung lässt erkennen, wie der Elko allmählich aufgeladen wird
und dabei die Ausgangsspannung am Anfang stärker herunterzieht und
gleichzeitig die Basisspannung am Eingang hochzieht. Sobald die
Basisspannung knapp 0,6 V erreicht, leitet der Transistor ausreichend,
um dem zweiten Transistor die Basisspannung zu reduzieren. Damit steigt
die Ausgangsspannung an, was den Vorgang verstärkt, sodass der Zustand
der Schaltung umkippt. Am Ende der inaktiven Phase ist der Elko so weit
aufgeladen, dass nur noch ein kleiner Ladestrom fließt. Dann leitet der
erste Transistor weniger, und die der Ausgangstransistor kippt in den
leitenden Zustand. Die Rückkopplung sorgt jeweils für die extremen
Schaltzustände, während der modifizierte Stromspiegel immer wieder
einen mittleren Arbeitspunkt anstrebt. Ohne diesen mittleren
Kollektorstrom könnte der Oszillator nicht stabil schwingen.
Am Ende wurde auch noch
eine LED eingebaut, fertig ist der Blinker. Diesmal wurde auch noch der
dritte Kanal, AD2 mit angeschlossen, um die Spannung an der zweiten
Basis zu beobachten.
Die Spannung am Ausgang
steigt nicht mehr so hoch an. Das liegt an der Kennlinie der roten LED,
die zu einem Spannungsabfall von mindestens 1,5 V führt. Die
Basisspannung des Ausgangstransistors wird in grün dargestellt. Sie
verläuft gegenphasig zur Ausgangsspannung. Auch hier sieht man jeweils
einen weichen Übergang ganz kurz vor dem nächsten Umschalten. Der
Blinker auf der Platine ganz oben verwendet übrigens dreimal 100 k
statt dreimal 10 k. Dafür kann ein kleinerer Kondensator eingesetzt
werden. Der LED-Vorwiderstand mit 1 k ist gleich.
Elektronik-Labor Mikrocontroller PicoBasic TestLab
