Der Pin Disch (Discharge -Entladen)

Wie oben im Bild zu sehen ist, wird er Pin Discharge, immer dann aktiv, wenn das FlipFlop im Ausgang durch ein Resetsignal oder den Thresholdkomparator zurückgesetzt wird. In diesem Fall erscheint im Ausgang des FlipFlops ein log1-Signal, welches den angeschlossenen Transistor gegen das Bezugspotential durchschaltet. Vom Pin Discharge kann nun eine positive Ladung gegen das Bezugspotential abfließen (offener Kollektor). Typischer Weise wird dies die Ladung eines extern mit dem Pin verbundenen Kondensators sein, der auf diesem Weg entladen werden kann.

Monostabile Kippstufe

An der nachfolgend gezeigten Beschaltung des NE 555, welche aus ihm eine getriggerte monostabile Kippstufe macht, wird seine interne Funktion deutlich.

C2=10nF, Rr= 4,7kOhm, R und C bestimmen die Rückfallzeit

Wird die obige Schaltung an eine Versorgungsspannung gelegt, möchte sich der Kondensator C über seinen Reihenwiderstand R aufladen. Ob ihm das gelingt, ist von dem Discharge-Transistor abhängig, der den Schaltungspunkt zwischen R und C auf das Bezugspotential (GND) legen kann. Welchen Zustand dieser Transistor nach dem Einschalten der Versorgungsspannung besitzt, liefert eine Betrachtung der beiden Komparatoren vor dem RS-FlipFlop und dessen übergeordnetem Reset-Eingang (R1).

Einschaltmoment

Der nicht invertierende Eingang (+) des Treshold-Komparators wird im Moment des Einschaltens in jedem Fall an 0V liegen, derweil der Kondensator C entladen ist. Da der invertierende Eingang (-) des Treshold-Komparators an 2/3 Ub = 6V liegt, wird dessen Ausgang zur unteren Grenze der Spannungsversorgung hin getrieben und das sind 0V. Der Reset-Eingang (R) des Flip-Flops ist also inaktiv (log 0).

Gleiches gilt für dessen Set-Eingang (S). Hier liegt der nicht invertierende Eingang (+) des Trigger-Komparators an 1/3Ub = 3V, während der invertierende Eingang (-) über den Triggerschalter an Ub = 9V liegt. Der Ausgang des Trigger-Komparators wird zur unteren Aussteuerungsgrenze hin verstärkt und das sind ebenfalls 0V. Somit ist auch der Set-Eingangs (S) des Flip-Flop inaktiv (log0)

Da der übergeordnete Reset-Eingang (R1) des Flip-Flops durch das anliegende Signal Ub dauerhaft inaktiviert ist, kann für den Einschaltmoment festgestellt werden, dass alle drei Eingänge des RS-Flip-Flop nach dem Einschalten der Spannungsversorgung keine Veränderung an diesem hervorrufen, womit sich das Flip-Flop im Ruhezustand befindet. Dieser bildet sich, durch die Invertierung am Ausgang des Flip-Flops, mit einer log1 ab. Diese 1 schaltet den Discharge-Transistor ein, der nun seinerseits den Punkt zwischen R und C auf dem Bezugspotential GND hält. Im Ausgang Output der Gesamtschaltung liegt wegen der zweiten Invertierung ebenfalls das Bezugspotential GND = 0V an. Somit hat die obige Schaltung einen stabilen Zustand. Der Kondensator C ist entladen und wird sich auch nicht aufladen.

Das Triggersignal

Der zuvor geschilderte Ausgangszustand ändert sich erst dann, wenn am Triggereingang eine Spannung anliegt, die unter 1/3Ub = 3V sinkt. In diesem Fall kippt der Ausgang des Triggerkomparators von 0V, hin zur oberen Aussteuergrenze (hier 9V). Dieses aktiviert den Set-Eingang (S) des RS-Flip-Flop. Dessen Ausgang wird wegen der Invertierung zu 0 und schliesst den Dischargetransistor. Der Ausgang Output der Gesamtschaltung wechselt seine Spannung von GND = 0V auf Ub=9V.

Durch die Entfernung des GND-Potentials im Punkt zwischen R und C, kann sich nun der Kondensator C aufladen. Nach einer Verzögerungszeit, die im Datenblatt mit ..

td = 1,1 • R • C

.. angegeben wird, erreicht die Spannung dort 2/3Ub = 6V. Wird diese Spannung überschritten, kippt die Ausgangsspannung des Treshold-Komparators von 0V auf die obere Aussteuergrenze (hier 9V).

Jetzt sind zwei Fälle zu betrachten.

1. Der Normalfall, .. das Triggersignal wurde in der Zwischenzeit inaktiv.

2. Der Fehlerfall,   .. das Triggersignal ist noch immer aktiv

Der Normalfall

Während der Aufladezeit des Kondensators C stieg das Triggersignal über 1/3Ub=3V und verblieb dort. In diesem Fall wurde das Set-Signal am Eingang (S) des Flip-Flops auf 0 zurückgenommen. Das Überschreiten der Signalgrenze von 2/3Ub am Treshold-Komparator führt damit beim RS-Flip-Flop zu einer definierten Aktivierung des Reseteingangs (R) mit log 1.

Durch die Aktivierung des Reseteingangs fällt der Ausgang des Flip-Flops von 0 auf 1 zurück. Der Dischargetransistor wird eingeschaltet und legt den Punkt zwischen R und C auf das Bezugspotential. Dies wiederum entlädt in sehr kurzer Zeit den Kondensator C. Der Ausgang Output der Gesamtschaltung fällt von Ub=9V zurück auf GND = 0V.

Zusammen mit dem Entladen des Kondensators C, fällt auch die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Treshold-Komparators. Unterhalb von 2/3Ub kippt dessen Ausgangssignal zurück, womit am RS-Flip-Flop das Resetsignal auf 0 sinkt und damit zurückgenommen wurde.

Die Schaltung befindet sich wieder in einem stabilen Zustand, den erst ein weiteres Triggersignal unterbricht.

Weitere Triggersignale die während der Aufladezeit des Kondensators eintreffen, haben keine Auswirkung auf den Aufladevorgang (s.unten, Fall 2).

Der Fehlerfall

Der Aufladevorgang des Kondensators C führte nach Erreichen von 2/3Ub = 6V zur Aktivierung des Reseteingangs am RS-Flip-Flop, jedoch wurde das Triggersignal in der Zwischenzeit nicht zurückgenommen, oder ist gerade wieder aktiv. Es ist also der Set-Eingang am Flip Flop gerade gesetzt.

Dieser Zustand darf bei RS-Flip Flops nicht auftreten, denn er führt zu undefiniertem Verhalten. Als Resultat können kurzzeitige Spannungseinbrüche im hohen Ausgangssignal von Output auftreten, während die möglicherweise eingeleitete, aber unvollständige Entladung des Kondensators zu einer erneuten, aber undefiniert langen Aufladezeit führt. (s.unten Fall 3).

Signaldiagramm

  Fall 1:    Normaler Zustand, Triggersignal zurückgesetzt vor Ablauf der Verzugszeit

  Fall 2:    Mehrere Triggersignale während der Verzugszeit

  Fall 3:    Triggersignal noch nach dem Ablauf der Verzugszeit aktiv

Astabile Kippstufe

C2=10nF, Rr= 4,7kOhm, R1,R2 und C bestimmen die Taktzeiten

Impulszeit ohne Diode:         t1 = 0,69 • (R1 + R2) • C

Pausenzeit ohne Diode         t0 = 0,69 • ( R2) • C

Periodendauer ohne Diode:  tp = 0,69 • (R1 + 2 • R2) • C

Aus diesen Formeln geht hervor, dass die Einschaltzeit der obigen Schaltung immer länger sein muss, als die Ausschaltzeit. Nur wenn R1 gegenüber R2 klein ist verbessert sich dieses Verhältnis. Gleiche Impulszeiten erhält man jedoch, wenn man die Diode D einfügt und R1 und R2 gleich gross sind.

Impulszeit mit Diode:          t1 = 0,69 • R1 • C

Pausenzeit mit Diode          t0 = 0,69 • R2 • C

Periodendauer mit Diode:   tp = 0,69 • (R1 + R2) • C

Eine Umkehrung der Impulszeiten, also lange Ausschaltzeiten und kurze Einschaltzeiten lassen sich nur durch eine Invertierung des Ausgangssignals erreichen.