Monostabile Multivibratoren (One-Shots): Design, Timing und industrielle Anwendungen

Wir sind bereits in der Praxis auf einen monostabilen Multivibrator gestoßen: den Pulsdetektor innerhalb eines Flip-Flops, der den Latch während einer Taktflanke kurzzeitig mit Strom versorgt.

Ein Pulsdetektor wird als monostabiler Multivibrator klassifiziert, da er nur einen stabilen Ausgangszustand hat. In diesem Zustand hält das Bauelement seinen Ausgang unbegrenzt ohne externe Intervention.

Im Gegensatz dazu kann ein bistabiles Bauelement wie ein Latch oder Flip-Flop entweder einen „Set“- oder einen „Reset“-Zustand für eine beliebige Dauer halten. Einmal gesetzt oder resettet, bleibt es in diesem Zustand, bis ein externes Signal eine Änderung erzwingt.

Ein monostabiles Bauelement kann nur einen bestimmten Zustand unbegrenzt aufrechterhalten; sein anderer Zustand kann nur kurz gehalten werden, wenn es extern getriggert wird.

Eine gängige mechanische Analogie ist ein Taster mit Momentkontakt, der in seine Normalposition zurückfedert, sobald die Kraft nachlässt. Ein herkömmlicher Wand-Kippschalter hingegen ist bistabil, da er entweder in einer Ein- oder Aus-Position einrastet.

Alle monostabilen Multivibratoren sind getaktete Bauelemente. Ihr instabiler Ausgangszustand hält für eine vorbestimmte Mindestdauer an, bevor die Schaltung automatisch in den stabilen Zustand zurückkehrt.

In Halbleiter-Monostabil-Schaltungen wird das Timing durch Widerstände und Kondensatoren erreicht, die die exponentiellen Lade- und Entladeeigenschaften von RC-Netzwerken ausnutzen. Ein Komparator misst typischerweise die Kondensatorspannung gegen ein Referenzniveau, und sein Logikausgang bestimmt den High- oder Low-Zustand.

In Leiterlogik werden Zeitverzögerungen mit Zeitverzögerungsrelais implementiert. Diese können mit RC-Schaltungen wie oben beschrieben oder mit mechanischen Verzögerungsvorrichtungen gebaut werden, die die Bewegung des Relais-Ankers verlangsamen.

Unten ist die Leiterlogik-Darstellung eines grundlegenden Pulsdetektors. Unabhängig davon, wie lange der Eingang high bleibt, bleibt der Ausgang für genau eine Sekunde high, bevor er in den stabilen Low-Zustand zurückkehrt.

In vielen Anwendungen benötigen Sie einen Monostabilen, der einen längeren Puls als den auslösenden Eingang erzeugt. Die folgende Leiterlogik-Schaltung demonstriert einen 10-Sekunden-Ausgang, der startet, wenn die Eingangskontakte schließen, und 10 Sekunden nach Öffnen des Eingangs anhält.

Diese Konfiguration ist als One-Shot bekannt. Wenn der Eingangsimpuls endet, beginnt der Timer, und alle nachfolgenden Impulse innerhalb dieses 10-Sekunden-Fensters setzen den Timer einfach zurück und halten den Ausgang high – eine Eigenschaft eines retriggerbaren One-Shots.

Ein retriggerbarer One-Shot ist besonders nützlich zum Entprellen eines einzelnen mechanischen Kontakts. Der Ausgang bleibt high, trotz des schnellen Ein/Aus-Prellens des Eingangs. In einem praktischen Entpreller wäre das Timing typischerweise wenige Millisekunden statt 10 Sekunden.

Was, wenn Sie einen 10-Sekunden-Puls unabhängig von der Anzahl der Eingangsimpulse wollen? In diesem Fall koppeln Sie einen Pulsdetektor an einen nicht-retriggerbaren One-Shot, wie unten illustriert.

Das erste Zeitverzögerungsrelais (TD₁) erregt die zweite Relaispule (TD₂) für mindestens 0,5 s, wann immer der Eingang aktiviert wird. Sobald TD₂ erregt ist, verhindert sein normalerweise geschlossener, zeitverzögerter Kontakt jede weitere Erregung der Spule für die volle 10-Sekunden-Periode, was die Schaltung nicht-retriggerbar macht.

Sowohl retriggerbare als auch nicht-retriggerbare One-Shots werden in der Industrie breit eingesetzt – beispielsweise in Sirenenauslösung, Maschinensequenzierung und jeder Anwendung, wo ein intermittierender Eingang einen festlängigen Ausgangsimpuls erzeugen muss.

Review

• Ein monostabiler Multivibrator hat nur einen stabilen Ausgangszustand; der alternative Zustand kann nur temporär gehalten werden.
• One-Shots gibt es in zwei Formen: retriggerbar und nicht-retriggerbar.
• Kurzdauer-One-Shots sind ideal zum Entprellen mechanischer Schalter.

Verwandte Arbeitsblätter

• Timer-Schaltung – Monostabiler Multivibrator Arbeitsblatt