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2025-10-16T20:19:44Z

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Eine '''astabile Kippstufe''', auch '''astabiler [[Multivibrator]]''' genannt, ist eine [[elektronische Schaltung]], die als Ausgangssignal nur zwei Zustände kennt, zwischen denen sie periodisch umschaltet.<ref>Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: ''Elemente der angewandten Elektronik.'' 16. Aufl., Vieweg+Teubner, 2010, S. 218 ff.</ref><ref>Hans-Jürgen Gevatter (Hrsg.): ''Automatisierungstechnik 2: Geräte.'' Springer, 2000, S. 191</ref><ref>Bodo Morgenstern: ''Elektronik 3: Digitale Schaltungen und Systeme.''2. Aufl., Vieweg, 1997, S. 62 und 78 f.</ref> Dazu enthält sie zwei [[RC-Glied]]er als [[Zeitglied|zeitbestimmende Schaltungsteile]]. Diese Kippstufen sind häufig symmetrisch aufgebaut, so dass sie [[Komplementarität|komplementäre]] Ausgänge haben.

== Begriffe und Arbeitsweise ==
Unter den Kippstufen bestehen drei Varianten:
# [[Bistabile Kippstufe]]: Durch eine äußere Anregung kippt ihr Zustand. In diesem verharrt sie zeitunabhängig bis zu einer weiteren Anregung.
# [[Monostabile Kippstufe]]: Durch eine äußere Anregung kippt ihr Zustand. In diesem verharrt sie für eine schaltungstechnisch festgelegte Zeit, dann kippt sie in ihren Anfangs- oder Grundzustand zurück. In diesem verharrt sie bis zu einer weiteren Anregung.
# Astabile Kippstufe: Ohne eine äußere Anregung kippt ihr Zustand. In diesem verharrt sie für eine schaltungstechnisch festgelegte Zeit, dann kippt sie wieder. Auch hier verharrt sie für eine festgelegte Zeit, bis sie wieder kippt.

Astabile Kippstufen bestehen im Prinzip aus zwei [[Elektronischer Schalter|elektronischen Schaltern]], die wechselseitig so verbunden sind, dass eine [[Mitkopplung]] entsteht, welche die beiden Schalter in gegensätzliche Zustände bringt (der eine geschlossen, der andere geöffnet). Durch [[Zeitglied]]er wird die jeweilige [[elektrische Spannung]], die die Mitkopplung bewirkt hat, abgebaut; nach einer Verzögerung kippt der Ausgangszustand. Wenn dieser ebenfalls nach einer Zeit kippt, entsteht ein periodisches Verhalten. Damit gehört die Schaltung außerdem zu den [[Oszillatorschaltung|Relaxationsoszillatoren]]. Die [[Frequenz]] ergibt sich aus den beiden Verzögerungszeiten.

Als Erfinder des astabilen Multivibrators (Rechteckoszillator) gelten [[Henri Abraham]] und [[Eugène Bloch]]<ref>Henri Abraham, Eugène Bloch: ''Mesure en valeur absolue des périodes des oscillations électriques de haute fréquence.'' In: ''J. Phys. Theor. Appl.'' Jg. 9, 1919, S. 211–222 ([http://jphystap.journaldephysique.org/articles/jphystap/abs/1919/01/jphystap_1919__9__211_0/jphystap_1919__9__211_0.html journaldephysique.org]; PDF, abgerufen am 24. März 2018).</ref>.

== Schaltungen und Eigenschaften ==
=== Typische Schaltungen mit diskreten Bauelementen ===
==== Astabile Kippstufe mit Transistoren ====
[[Datei:Transistor Multivibrator.svg|mini|Multivibrator mit Bipolartransistoren; statt von ''+V'' wird im Artikel von ''U''B gesprochen]]
[[Datei:Egger-Lectron.jpg|mini|Eine ähnliche Multivibratorschaltung realisiert mit dem Elektronik-Experimentiersystem „[[Lectron]]“ aus den 1960er-Jahren]]
In der diskreten [[Schaltungstechnik]] werden [[elektronische Schaltung]]en mittels einzelner [[Transistor]]en realisiert. Hier wird die Funktionsweise einer astabilen Kippstufe anhand eines Beispiels mit [[Bipolartransistor|bipolaren npn-Transistoren]] erklärt.

In der stromlosen Schaltung sind die Transistoren ''Q1'' und ''Q2'' sperrend, ihr Durchgangswiderstandswert (von Kollektor zu Emitter) ist somit nahezu unendlich. Die Kondensatoren ''C1'' und ''C2'' sind zunächst entladen. ''R2'' und ''R3'' sind so gewählt, dass die Basen der Transistoren genug Strom bekommen, um durchsteuern zu können. ''R1'' und ''R4'' begrenzen den Arbeitsstrom. Die Schaltfrequenz dieser Kippstufe wird durch die Werte von ''R2'', ''C1'' und ''R3'', ''C2'' bestimmt. Die Widerstandswerte von ''R2'' und ''R3'' sind erheblich größer als ''R1'' und ''R4''. Das digitale Signal wird an einem der beiden Kollektoren abgenommen. Die Betriebsspannung der hier gezeigten Schaltung ist auf die maximal zulässige negative Basis-Emitter-Spannung der verwendeten Transistoren begrenzt, darf also nicht mehr als 5…6 V<ref>Als typischer Vertreter sei genannt: {{Internetquelle |url=https://www.onsemi.com/pub/Collateral/P2N2222A-D.PDF |titel=P2N2222A – Amplifier Transistors NPN Silicon |abruf=2024-03-16| zitat=Emitter−Base Breakdown Voltage}}</ref> betragen. Um die Schaltung bei höherer Versorgungsspannung einsetzen zu können, kann je eine zusätzliche entsprechend spannungsfeste Diode [[Reihenschaltung|in Reihe]] zu jedem Basisanschluss vorgesehen werden, ohne dass sich am Funktionsprinzip etwas Grundlegendes ändert.

===== Einschaltverhalten =====
Mit dem Anlegen der Betriebsspannung ''U''B fließt zunächst Strom über erstens ''R1, C1'' parallel zu ''R2'' über ''Q2'' und zweitens von ''R4, C2'' parallel zu ''R3'' über ''Q1.'' Einer der Transistoren wird ab einem bestimmten Basisstrom zuerst leitend und zieht über seinen kollektorseitig angeschlossenen (und zum bisherigen Zeitpunkt noch nicht nennenswert aufgeladenen) Kondensator die Basis des anderen Transistors Richtung ''0 V,'' über dessen Basis daraufhin kein Strom mehr fließt und der Transistor somit in den nichtleitenden Zustand gerät.

Welcher Transistor zuerst leitend wird, hängt von den konkreten Bauteilwerten ab, vor allem von den Transistoren, die zum Teil erhebliche Kennwerttoleranzen haben können.

Während nun ein Transistor leitend ist, erhält seine Basis Strom über den entsprechenden Kondensator, bis dieser sich aufgeladen hat, und auch gleichzeitig über ''R2'' bzw. ''R3.'' Diese Widerstände sind dazu da, den Transistoren im durchgesteuerten Zustand unabhängig vom Ladezustand des Kondensators Ruhestrom zu liefern, so dass sie auch dann noch leicht durchsteuern, wenn der Kondensator voll ist. Dieser Kondensator hat dann etwa die Spannung ''U''B − 0,7 V zwischen seinen Polen. Die 0,7 V sind die [[Basis-Emitter-Spannung|Basis-Emitter-Durchlassspannung]].

Der andere Kondensator wird in dieser Zeit über ''R2'' bzw. ''R3'' geladen, sodass die Spannung an der Basis vom sperrenden Transistor langsam ansteigt, bis mit ca. 0,6 V dessen Basis-Emitter-Schwellwertspannung erreicht ist. Das ist die Spannung, ab der der sperrende Transistor durchzusteuern beginnt.

Diese Phase, wie bis hierhin beschrieben, tritt nur einmalig nach jedem Einschalten auf und ist von erheblich kürzerer Dauer als die folgend beschriebenen zwei Zustände. Nach dem Einschaltvorgang beginnt die Schaltung ihr periodisches Verhalten. Sie kippt abwechselnd zwischen zwei zeitlich begrenzten Zuständen hin und her, hier willkürlich ''Zustand A'' und ''Zustand B'' genannt, wobei in Zustand A der Transistor ''Q1'' leitend und in Zustand B Transistor ''Q2'' leitend sei.

===== Zustand A =====
''Q1'' ist hier leitend und damit sinkt seine Kollektor-Emitterspannung von ''U''B auf ca. +0,2 V ([[Kollektor-Emitter-Spannung|Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung]]) herunter. Dadurch wird auch die kollektorseitige Platte von ''C1'' von ''U''B auf +0,2 V heruntergezogen, also um ''U''B − 0,2 V, die andere Platte um dieselbe Differenz. Da aber die Plattenseite Richtung Basis ''Q2'' ein um UB − 0,7 V niedrigeres Potential als die andere Seite hat, liegen an ihr jetzt plötzlich 0,2 V − (''U''B – 0,7 V), also −''U''B + 0,9 V. Das ist deutlich unter Null, und deshalb wird ''Q2'' gesperrt, bis sich ''C1'' über ''R2'' wieder langsam umgeladen hat und an der Basis von ''Q2'' ca. 0,65 V anliegen, der deshalb durchzusteuern anfängt und die Schaltung in ''Zustand B'' kippen lässt. In der Zwischenzeit lädt sich ''C2'' über ''R4'' auf eine Plattenspannung von ''U''B − 0,7 V (Kollektor ''Q2'' hat UB, Basis ''Q1'' 0,7 V).

Die Potentialsprünge der Kondensatoren beim Kippvorgang bewirken [[positive Rückkopplung]] und verkürzen dadurch die Kippvorgänge, d. h. erhöhen die Schaltgeschwindigkeit.

Die Zeitdauer von Zustand A wird von ''C1'' und ''R2'' bestimmt, da sich ''C1'' über ''R2'' von ca. −UB + 0,9 V auf ca. 0,65 V laden muss, damit ''Q2'' die Schaltung kippen lassen kann.

===== Zustand B =====
''C1'' wird über ''R2'' soweit geladen, bis die Spannung an der Basis von ''Q2'' die Basis-Emitter-Schwellwertspannung von ca. +0,6 V überschreitet und ''Q2'' deshalb in den durchgesteuerten Zustand kippt. Dadurch wird die rechte Seite von ''C2'' von ''UB'' auf ca. 0,2 V heruntergezogen. Durch den Potentialunterschied der Platten (die linke Platte hatte ca. UB − 0,7 V weniger als die rechte) hat die linke Platte von ''C2'' jetzt ca. 0,2 V − (UB − 0,7 V), also −UB + 0,9 V. Das ist deutlich unter Null, dadurch sperrt ''Q1'' jetzt so lange, bis diese Plattenseite über ''R3'' wieder ca. +0,65 V überschreitet und dadurch ''Q1'' die Schaltung in ''Zustand A'' kippt. Durch das Kippen von ''Q1'' in den Sperrzustand lädt sich ''C1'' über ''R1'' und die Basis von ''Q2'' auf ein Plattenpotential von UB − 0,7 V (linke Seite hat UB, die rechte +0,7 V). Gleichzeitig fließt über ''R2'' der Haltestrom, um ''Q2'' auch dann noch offen zu halten, wenn über ''C1'' kein ausreichender Strom mehr fließt und die Zeit bis zum Kippen von ''Q1'' überbrückt werden muss.

Auch hier verkürzen die Kondensatoren den Kippvorgang durch Mitkopplung.

Die Dauer von Zustand B hängt von den Werten von ''C2'' und ''R3'' ab und dauert so lange, bis ''C2'' über ''R3'' von −UB + 0,9 V auf ca. +0,65 V umgeladen wurde.

===== Berechnung der Zeitdauern =====
Die linke Seite von ''C2'' liegt zu Beginn von Zustand B auf etwa −UB und soll nach +UB umgeladen werden; der Zustand kippt bei etwa 0 V (genauer 0,7 V), also etwa bei der Hälfte dieses Umladevorgangs. Das Auf-/Ent- oder Umladen eines Kondensators über einen Widerstand erfolgt nach einem [[Exponentieller Prozess|exponentiellen Zeitgesetz]]: <math>U(t) = U_\text{Ende} + \left( U_\text{Anfang}-U_\text{Ende} \right) \mathrm e^{-\frac{t}{R \cdot C}}</math>. Die Dauer für die ''Hälfte'' des Umladens entspricht gerade der Halbwertszeit <math>T_\mathrm{H}=\ln\left(2\right) \cdot R \cdot C</math>, siehe auch bei [[Zeitkonstante]].

{{Anker|Schaltfrequenz des astabilen Multivibrators}}
Die [[Periodendauer]] <math>T</math> einer astabilen Kippstufe ergibt sich aus den Zeitdauern <math>T_1</math> und <math>T_2</math> der beiden einzelnen Schaltzustände:
:<math>T_1 \approx \ln(2) \cdot R_2C_1</math> bzw.
:<math>T_2 \approx \ln(2) \cdot R_3C_2</math>.<ref>[[Ulrich Tietze]], Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Auflage, S. 604f</ref>

:<math>T = T_1+T_2 \approx \ln(2) \cdot (R_2C_1 + R_3C_2)</math>.
Bei symmetrischer Schaltung, also <math>R = R_2 = R_3</math> sowie <math>C = C_1 = C_2</math>, vereinfacht sich das zu:
:<math>T \approx 2 \cdot \ln(2) \cdot RC</math>
Die Frequenz <math>f</math> ergibt sich zu:
:<math>f =\frac1T \approx \frac1{2 \cdot \ln(2) \cdot RC} \approx \frac1{1{,}386 \cdot RC}</math>.

=== Schaltungen mit integrierten Bausteinen ===
==== Astabiler Multivibrator mit NE555 ====
[[Datei:Oszi 555-1-Pfade.svg|mini|Schaltung mit [[NE555]]]]
{{Hauptartikel|NE555#Astabile_Kippstufe|titel1=Abschnitt im Artikel NE555}}
Auch die folgende Schaltung erzeugt eine Rechteckspannung, ist aber einfacher aufgebaut als der oben gezeigte Multivibrator und besitzt den Vorteil, dass die Frequenz fast nicht von der Betriebsspannung abhängt. Diese kann im Bereich 0,1 Hz bis 500 kHz liegen und kann mit nur einem einzigen [[Potentiometer]] sehr stark variiert werden. Die Funktion des verwendeten Bausteins [[NE555]] lässt sich so beschreiben: Solange die Spannung am Kondensator C kleiner als 66 % der Betriebsspannung ist, wird er über R (Serienschaltung aus Potentiometer und 1-kΩ-Widerstand) aufgeladen. Die Ausgangsspannung an Pin 3 ist während dieser Zeit etwa die Betriebsspannung. Wird dieser 66-%-Wert überschritten, kippt intern ein [[Flipflop]] um, die Ausgangsspannung sinkt auf 0 Volt und der Kondensator wird über R entladen. Sobald 33 % der Betriebsspannung unterschritten werden, kippt das Flipflop in die ursprüngliche Position zurück und das Spiel beginnt von vorn. Die Spannung am Kondensator hat annähernd die Form eines Dreiecks, kann aber nur schwach belastet werden.

Mit einem 20-kΩ-Potentiometer lässt sich die erzeugte Frequenz etwa im Verhältnis 1:20 ändern. Eine Verdopplung der Kapazität halbiert die erzeugte Frequenz. Durch eine kleine Änderung der Spannung am Pin 5 (Sollwert: 66 % der Betriebsspannung) kann man die Frequenz elektronisch ändern ([[VCO|Voltage controlled Oscillator]]). Durch eine Wechselspannung an diesem Anschluss kann eine Frequenzmodulation erzielt werden („Kojak-Sirene“).

==== Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger ====
[[Datei:Astabile Kippstufe mit LG.png|mini|Schaltung mit Logikgatter]]
Eine astabile Kippstufe kann auch mit einem [[Schmitt-Trigger]] aus einer [[Logikgatter]]<nowiki>-Familie</nowiki> aufgebaut werden. Die nebenstehende Schaltung erzeugt eine Rechteckschwingung, wie sie rechts im Bild gezeigt wird. Die Ausgangsspannung lädt oder entlädt über den Widerstand ''R'' den Kondensator ''C.'' Dessen Spannung wird an den Schmitt-Trigger-Eingang zurückgeführt. Ihr prinzipieller Verlauf wird links im Bild gezeigt. Beim Überschreiten des oberen Schwellwertes wird der Ausgang auf einen niedrigen Spannungswert ([[L-Pegel|Low-Pegel]]) geschaltet, wodurch die Entladung beginnt. Danach, beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes, kippt die Ausgangsspannung auf den höheren Wert (High-Pegel). Die Ausgangsfrequenz hängt neben den Bauteilwerten ''R'' und ''C'' auch von der Lage der Schaltschwellen in Relation zur Ausgangsspannung – also von Eigenschaften des Logikgatter-Bausteins – ab.

[[Datei:Astabile Kippstufe mit OpV.png|mini|Schaltung mit Komparator]]
Ähnlich arbeitet die Kippstufe mit einem [[Komparator (Analogtechnik)|Komparator]]. Durch die [[Mitkopplung]] über die Rückführung an den Eingang „+“ wird ein Verhalten als Schmitt-Trigger gebildet. Im Unterschied zu Logikgattern sei der Komparator in dieser Schaltung sowohl aus einer positiven als auch einer negativen Spannungsquelle gespeist. Der Schwellwert ist mit dem Spannungsteiler aus <math>R_1</math> und <math>R_2</math> einstellbar. Das Vorzeichen der Spannung <math>U_\mathrm d</math> zwischen den Eingängen „+“ und „−“ legt das Vorzeichen der Ausgangsspannung <math>U_\mathrm a</math> fest. Bei positiver Ausgangsspannung lädt der Komparator über <math>R_\mathrm r</math> den Kondensator, bis <math>U_\mathrm d</math> negativ wird. Dann springen die Ausgangsspannung und der Schwellwert ins Negative. Der Kondensator wird nun in Gegenrichtung geladen, bis der negative Schwellwert erreicht wird und wiederum <math>U_\mathrm d</math> das Vorzeichen wechselt.

Diese Schaltung erzeugt eine periodische Rechteck-[[Wechselspannung]]. Ihre Periodendauer ist im Gegensatz zur Schaltung mit Logikgatter nur von den Daten passiver Bauelemente abhängig und beträgt<ref>Erwin Böhmer: ''Elemente der angewandten Elektronik''. 9. Auflage. Vieweg, 1994, S. 225</ref>
:<math>T = 2\,R_\mathrm rC\,\ln \left(1 + \frac{2R_1}{R_2}\right)</math> .
Siehe auch zugehöriges Kapitel unter [[Operationsverstärker#Astabile Kippstufe|Operationsverstärker]].

== Anwendungen ==
* Als [[Signalgenerator]] zur Erzeugung von Rechteck-Schwingungen: Durch Ändern der zeitbestimmenden Glieder oder der Schaltschwellen kann die Frequenz und/oder der [[Tastgrad]] geändert werden.
* In der Sensortechnik und [[Telemetrie]]: Werden für die frequenzbestimmenden Widerstände und Kondensatoren Bauformen verwendet, deren Wert von einer physikalischen Größe abhängt, können auf diese Weise Impulsfolgen erzeugt werden, deren Impulslänge oder Impulspausenlänge von dieser Größe abhängt. Solche [[Puls (Elektrotechnik)|Pulssignale]] können von einer Auswerteschaltung (z. B. einem Mikrocontroller) hinsichtlich der Impulsparameter ausgewertet werden, und es kann auf die physikalischen Größen (z. B. Temperatur, Luftdruck) geschlossen werden. Der Puls kann auf langen Kabeln übertragen oder auf eine elektromagnetische Welle ([[Funksignal]] oder [[Lichtleitkabel]]) aufmoduliert werden. Der Vorteil gegenüber analogen Sensorsignalen ist die störungsärmere Übertragung.
* Als Blinkgenerator in Signallampen oder als Tongenerator in Signalhörnern (z. B. piezoelektrische Schallgeber)
* Als Taktgeber in Scheibenwischerintervallschaltungen

== Sonderformen ==
Astabile Kippstufen gibt es auch in Sonderformen, bei denen drei oder mehr aktive Komponenten im Spiel sind (mehrphasige Multivibratoren).

== Weblinks ==
{{Commonscat|Astable circuits|Multivibratoren}}
* elektronik-kompendium.de: [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pvtest.htm Blinkschaltung - Print- und Verdrahtungstester (astabiler Multivibrator, Lautstärke mit PWM, 741)] – Beispielschaltungen

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrischer Oszillator]]
[[Kategorie:Digitaltechnik]]

Astabile Kippstufe - Versionsgeschichte

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