555 Rampengenerator

TEILE UND MATERIALIEN

• Zwei 6-Volt-Batterien
• Ein Kondensator, 470 µF Elektrolyt, 35 WVDC (Radio Shack Katalog # 272-1030 oder gleichwertig)
• Ein Kondensator, 0,1 µF, nicht polarisiert (Radio Shack Katalog Nr. 272-135)
• Ein 555 Timer-IC (Radio Shack Katalog # 276-1723)
• Zwei PNP-Transistoren – Modelle 2N2907 oder 2N3906 empfohlen (Radio Shack Katalog Nr. 276-1604 ist ein Paket von fünfzehn PNP-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei Leuchtdioden (Radio Shack Katalog Nr. 276-026 oder gleichwertig)
• Ein 100-kΩ-Widerstand
• Ein 47-kΩ-Widerstand
• Zwei 510--Widerstände
• Audiodetektor mit Kopfhörer

Die Nennspannung des 470-µF-Kondensators ist nicht kritisch, solange sie die maximale Versorgungsspannung großzügig überschreitet. In dieser speziellen Schaltung beträgt diese maximale Spannung 12 Volt. Stellen Sie sicher, dass Sie diesen Kondensator richtig im Stromkreis anschließen und die Polarität beachten!

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 13:„Kondensatoren“

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 10:„Multivibratoren“

LERNZIELE

• Um zu veranschaulichen, wie der 555-Timer als astabiler Multivibrator verwendet wird
• Um eine praktische Anwendung für eine Stromspiegelschaltung zu zeigen
• Um beim Verständnis der Beziehung zwischen Kondensatorstrom und Kondensatorspannungsänderungsrate zu helfen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Auch hier verwenden wir einen 555-Timer-IC als astabilen Multivibrator oder Oszillator. Dieses Mal werden wir jedoch seinen Betrieb in zwei verschiedenen Kondensatorlademodi vergleichen:traditioneller RC und Konstantstrom.

Verbinden von Testpunkt Nr. 1 (TP1) mit Testpunkt Nr. 3 (TP3) mithilfe eines Überbrückungskabels. Dadurch kann sich der Kondensator über einen 47 kΩ Widerstand aufladen. Wenn der Kondensator 2/3 der Versorgungsspannung erreicht hat, schaltet der Timer 555 auf „Entladen ”-Modus und entlädt den Kondensator fast sofort auf ein Niveau von 1/3 der Versorgungsspannung. An dieser Stelle beginnt der Ladezyklus erneut.

Messen Sie die Spannung direkt am Kondensator mit einem Voltmeter (ein digitales Voltmeter wird bevorzugt) und notieren Sie die Ladegeschwindigkeit des Kondensators im Laufe der Zeit. Sie sollte zunächst schnell ansteigen und dann beim Aufbau auf 2/3 der Versorgungsspannung auslaufen, wie Sie es von einer RC-Ladeschaltung erwarten würden.

Entfernen Sie das Überbrückungskabel von TP3 und schließen Sie es wieder an TP2 an. Dadurch kann der Kondensator über den gesteuerten Stromzweig einer Stromspiegelschaltung geladen werden, die von den beiden PNP-Transistoren gebildet wird. Messen Sie die Spannung direkt am Kondensator erneut und notieren Sie den Unterschied der Laderate im Laufe der Zeit im Vergleich zur letzten Schaltungskonfiguration.

Durch die Verbindung von TP1 mit TP2 erhält der Kondensator einen nahezu konstanten Ladestrom. Ein konstanter Kondensatorladestrom führt zu einer linearen Spannungskurve, die durch die Gleichung i =C(de/dt) . beschrieben wird . Wenn der Kondensatorstrom konstant ist, wird auch seine Spannungsänderungsrate über die Zeit konstant sein. Das Ergebnis ist eine „Rampe ” Wellenform anstelle eines „Sägezahns ” Wellenform:

Der Ladestrom des Kondensators kann direkt gemessen werden, indem ein Amperemeter anstelle des Überbrückungskabels verwendet wird. Das Amperemeter muss so eingestellt werden, dass es einen Strom im Bereich von Hunderten von Mikroampere (Zehntel Milliampere) misst. Angeschlossen zwischen TP1 und TP3 sollten Sie einen Strom sehen, der zu Beginn des Ladezyklus bei einem relativ hohen Wert beginnt und gegen Ende abnimmt. Verbunden zwischen TP1 und TP2 ist der Strom jedoch viel stabiler.

Es ist an dieser Stelle ein interessantes Experiment, die Temperatur eines der Stromspiegeltransistoren durch Berühren mit dem Finger zu ändern. Wenn sich der Transistor erwärmt, leitet er bei gleicher Basis-Emitter-Spannung mehr Kollektorstrom. Wenn die Kontrolle Transistor (der mit dem 100-kΩ-Widerstand verbunden ist) berührt wird, sinkt der Strom.

Wenn die kontrollierten Transistor berührt, erhöht sich der Strom. Für den stabilsten Stromspiegelbetrieb sollten die beiden Transistoren zusammengeklebt werden, damit sich ihre Temperaturen nie wesentlich unterscheiden.

Diese Schaltung funktioniert bei hohen Frequenzen genauso gut wie bei niedrigen Frequenzen. Ersetzen Sie den 470-µF-Kondensator durch einen 0,1-µF-Kondensator und verwenden Sie einen Audiodetektor, um die Spannungswellenform am Ausgangsanschluss des 555 zu erfassen. Der Detektor sollte einen leicht hörbaren Ton erzeugen. Die Spannung des Kondensators ändert sich jetzt viel zu schnell, um mit einem Voltmeter im DC-Modus angezeigt zu werden, aber wir können den Kondensatorstrom immer noch mit einem Amperemeter messen.

Wenn das Amperemeter zwischen TP1 und TP3 (RC-Modus) angeschlossen ist, messen Sie sowohl DC-Mikroampere als auch AC-Mikroampere. Notieren Sie diese aktuellen Zahlen auf Papier. Verbinden Sie nun das Amperemeter zwischen TP1 und TP2 (Konstantstrommodus).

Messen Sie sowohl DC-Mikroampere als auch AC-Mikroampere und notieren Sie alle Unterschiede in den Strommesswerten zwischen dieser Schaltungskonfiguration und der letzten. Die Messung des Wechselstroms zusätzlich zum Gleichstrom ist eine einfache Methode, um zu bestimmen, welche Schaltungskonfiguration den stabilsten Ladestrom liefert.

Wenn die Stromspiegelschaltung perfekt wäre – der Ladestrom des Kondensators absolut konstant – würde das Messgerät keinen Wechselstrom messen.