Linearer Rampengenerator mit dem 555-Timer – Praktischer Laborleitfaden

Benötigte Bauteile und Materialien

• Zwei 6-V-Batterien (oder eine 12-V-Versorgung)
• 470 µF Elektrolytkondensator, 35 V Nennspannung (Radio Shack #272‑1030 oder gleichwertig)
• 0,1 µF unpolarisierter Kondensator (Radio Shack #272‑135)
• 555-Timer-IC (Radio Shack #276‑1723)
• Zwei PNP-Transistoren (2N2907 oder 2N3906 empfohlen; Radio Shack #276‑1604 ist ein 15er-Pack, das gut funktioniert)
• Zwei LEDs (Radio Shack #276‑026 oder gleichwertig)
• 100 kΩ Widerstand
• 47 kΩ Widerstand
• Zwei 510 Ω Widerstände
• Audiodetektor mit Kopfhörern

Die Spannungsfestigkeit des 470-µF-Kondensators muss nur die Versorgungsspannung komfortabel übersteigen – in diesem Beispiel 12 V. Achten Sie auf die Polartität beim Einbau.

Querverweise

• Lessons In Electric Circuits, Bd. 1, Kap. 13: „Kondensatoren“
• Lessons In Electric Circuits, Bd. 4, Kap. 10: „Multivibratoren“

Lernziele

• 555-Timer als astabilen Multivibrator demonstrieren.
• Praktische Anwendung eines Stromspiegel-Schaltkreises zeigen.
• Beziehung zwischen Kondensatorstrom und Spannungsänderungsrate veranschaulichen.

Schaltplan

Aufbauillustration

Versuchsablauf

Wir nutzen den 555-Timer im astabilen Modus, um einen Oszillator zu erzeugen, der einen Kondensator antreibt. Das Experiment vergleicht zwei Ladepfade: ein klassisches RC-Netzwerk und eine Konstantstromquelle, realisiert mit einem Stromspiegel aus zwei PNP-Transistoren.

Verbinden Sie Testpunkt TP1 mit TP3 über einen Jumper. Der 470-µF-Kondensator lädt nun über den 47-kΩ-Widerstand. Wenn seine Spannung zwei Drittel der Versorgungsspannung erreicht, schaltet der 555 auf Entladung um und zieht die Spannung fast augenblicklich auf ein Drittel der Versorgungsspannung herunter. Dieser Zyklus wiederholt sich und erzeugt eine Sägezahnwellenform.

Messen Sie die Kondensatorspannung mit einem Digitalmultimeter. Die Kurve steigt zunächst steil an und flacht dann ab, während sie sich 2/3 V_cc nähert – charakteristisch für eine RC-Ladekurve.

Entfernen Sie nun den Jumper von TP3 und verbinden Sie ihn mit TP2. Der Kondensator erhält nun einen gesteuerten Strom vom Stromspiegel, gebildet aus den beiden PNP-Transistoren. Messen Sie die Spannung erneut. Die Ladekurve sollte nun linear sein – eine echte Rampe – weil der Strom im Wesentlichen konstant bleibt und i = C·dV/dt erfüllt.

Um das Stromverhalten zu verifizieren, ersetzen Sie den Jumper durch ein Amperemeter im Mikroampere-Bereich. Wenn es zwischen TP1 und TP3 geschaltet ist, startet der Strom hoch und flacht ab. Wenn es zwischen TP1 und TP2 geschaltet ist, sollte der Strom weitaus stabiler sein, mit minimalem AC-Anteil.

Für einen praktischen Touch versuchen Sie, einen der Transistoren zu erwärmen. Das Erwärmen des steuernden Transistors (verbunden mit dem 100-kΩ-Widerstand) verringert den gespiegelten Strom, während das Erwärmen des gesteuerten Transistors ihn erhöht. In einer Präzisionsanordnung sind die beiden Transistoren physisch verbunden, um ihre Temperaturen abzugleichen.

Die Schaltung funktioniert auch bei Audiofrequenzen. Ersetzen Sie den 470-µF-Kondensator durch einen 0,1-µF-Kondensator und führen Sie den 555-Ausgang zum Audiodetektor. Der Detektor erzeugt einen klaren Ton. Während ein DC-Multimeter die schnellen Spannungsschwankungen nicht auflösen kann, können Sie das Amperemeter weiterhin nutzen, um AC- und DC-Ströme in beiden RC- und Konstantstrom-Modi zu vergleichen.

Wäre der Stromspiegel perfekt, wäre der AC-Anteil des gemessenen Stroms null, was einen perfekt konstanten Ladestrom anzeigen würde.