Astabil

Ein Astabil-Schaltkreis ist ein elektronischer Oszillator ohne stabilen Gleichgewichtszustand. Im Gegensatz zu einem bistabilen Schaltkreis, der zufrieden in einem von zwei Zuständen verharrt, bis er zum Umschalten gezwungen wird, schaltet ein Astabil-Schaltkreis ständig von selbst zwischen seinen Ausgangszuständen hin und her, ohne äußeren Impuls. Er oszilliert frei und erzeugt einen Impulsstrom mit einer Frequenz, die von seinen Bauteilwerten bestimmt wird.

Der klassische Astabil besteht aus zwei kreuzgekoppelten invertierenden Gattern oder Transistorstufen. Jeder Ausgang treibt den Eingang des anderen über ein Kondensator- und Widerstandsnetzwerk. Beim Anlegen der Spannung führen winzige Asymmetrien dazu, dass eine Stufe anschaltet, während die andere ausschaltet. Die Kondensatoren laden sich dann über die Widerstände auf, bis die Spannung an jedem Eingang seinen Schaltschwellwert überschreitet. Dann kippen die Zustände um. Dieser Zyklus wiederholt sich ständig. Die Frequenz hängt von den RC-Zeitkonstanten ab: größere Kondensatoren oder Widerstände verlangsamen die Oszillation, kleinere Werte beschleunigen sie.

Der 1972 veröffentlichte 555-Timer-IC wurde zum Standard-Arbeitstier für die Erzeugung astabiler Wellenformen. Seine internen Komparatoren und das Flip-Flop sind so konfiguriert, dass zwei externe Widerstände und ein Kondensator die Frequenz und das Tastverhältnis bestimmen. Ein typischer 555-Astabil mit 1-Kilohm-Widerständen und einem 0,1-Mikrofarad-Kondensator erzeugt Oszillationen im Kilohertz-Bereich. Das Tastverhältnis (das Verhältnis der Einschaltzeit zur Gesamtperiode) ist immer größer als 50 Prozent, da sich der Kondensator über zwei Widerstände auflädt, aber nur über einen entlädt. Das ist wichtig, wenn eine 50/50-Rechteckwelle erforderlich ist.

Astabile in der Schaltung

Astabile Schaltkreise treiben Taktsignale, erzeugen Testtöne, lassen Lichter blinken, zeitlich Schaltimpulse und lösen Abtastungen in Analog-Digital-Umsetzern aus. Sie finden sich in allem von elektronischen Metronomen bis zu industriellen Zeitsteuerungen. Die Ausgangsfrequenz bleibt relativ stabil, wenn die Versorgungsspannung konstant gehalten wird, aber Temperaturschwankungen und Toleranzen der Bauelemente verschieben die Frequenz um mehrere Prozent. Präzisions-Astabile verwenden angepasste Widerstandspaare und temperaturkompensierte Auslegungen, um Frequenzdriften in engen Grenzen zu halten.

Der Begriff Astabil kommt vom griechischen Präfix für 'ohne' plus stabil und spiegelt die Physik wider: Der Schaltungszustand kann nicht zur Ruhe kommen. Das steht im Gegensatz zu monostabilen Schaltkreisen, die einen stabilen Zustand haben und einen einzelnen Impuls erzeugen, wenn sie ausgelöst werden, und zu bistabilen Schaltkreisen, die zwei stabile Zustände haben und externe Impulse zum Umschalten benötigen. Das Verständnis dieser Unterscheidung ist entscheidend für die Wahl der richtigen Zeitsteuerungsarchitektur für eine bestimmte Steuerungsaufgabe.