Zwei LEDs, die abwechselnd blinken, ein Takt für ein Lauflicht, ein Summton aus dem Piezo: Für all das brauchst du eine Schaltung, die von allein zwischen zwei Zuständen hin- und herspringt und nie zur Ruhe kommt. Genau das macht die astabile Kippstufe, auch astabiler Multivibrator genannt. Sie kommt mit zwei Transistoren, zwei Kondensatoren und vier Widerständen aus und ist der Klassiker, an dem man versteht, wie aus Rückkopplung und RC-Gliedern ein Takt wird.
Heute nimmt man für einen sauberen Takt meist einen NE555 oder einen Mikrocontroller. Die Transistor-Version lohnt sich trotzdem: Sie läuft ab etwa 2 V, braucht keine ICs, und sie zeigt jeden Effekt, den du später im 555 wiederfindest. Hier baust du einen Wechselblinker an 5 V, der mit genau einem Hertz blinkt.
Schaltplan
- T1, T2, BC547B: zwei NPN-Transistoren, die als Schalter arbeiten. Immer leitet genau einer von beiden.
- R1, R4, 220 Ω, und LED1, LED2: die Kollektorlast. Jeder Festwiderstand begrenzt den Strom seiner LED auf etwa 13 mA.
- R2, R3, 27 kΩ: die Basiswiderstände. Sie liefern den Basisstrom und laden zugleich die Kondensatoren um; zusammen mit C1 und C2 bestimmen sie die Zeit.
- C1, C2, 33 μF: die Koppelkondensatoren, Elektrolytkondensatoren mit dem Pluspol am Kollektor. C1 führt von T1 zur Basis von T2, C2 von T2 zur Basis von T1.
So funktioniert die Schaltung
Angenommen, T1 hat gerade eingeschaltet. Sein Kollektor fällt schlagartig von etwa 3,4 V auf 0,1 V. Ein Kondensator kann seine Spannung nicht sprunghaft ändern, also reicht C1 diesen Sprung von 3,3 V vollständig an die Basis von T2 weiter. Die Basis von T2 lag vorher bei 0,6 V und springt nun auf etwa −2,7 V. T2 sperrt hart, LED2 geht aus, LED1 leuchtet.
Jetzt beginnt die eigentliche Wartezeit: R2 lädt C1 um, die Basis von T2 kriecht nach der Exponentialfunktion von −2,7 V Richtung +5 V. Sobald sie die Schwelle von rund 0,6 V erreicht, beginnt T2 zu leiten. Sein Kollektor fällt, C2 reicht diesen Sprung an die Basis von T1 weiter, T1 sperrt – und das Spiel beginnt spiegelbildlich von vorn. Weil sich beide Transistoren über die Kondensatoren gegenseitig beschleunigen, kippt die Schaltung in Mikrosekunden um, obwohl sie davor eine halbe Sekunde wartet.
Während T1 sperrt, steigt sein Kollektor über R1 und LED1 wieder an. Dabei lädt C1 nach, und dieser Ladestrom fließt in die Basis von T2. Mit der Zeitkonstante R1 · C1 = 220 Ω · 33 μF ≈ 7 ms ist das nach gut 30 ms erledigt. Der Kollektor bleibt dann bei etwa 3,4 V stehen und nicht bei 5 V: An der fast stromlosen roten LED fallen noch rund 1,6 V ab.
Wie lange eine Halbperiode dauert, hängt also nur von R2 und C1 ab (für LED1) bzw. von R3 und C2 (für LED2). Die Kollektorwiderstände beeinflussen die Zeit kaum, solange R1 · C klein gegen R2 · C bleibt. Das Prinzip der Umladung steht ausführlich unter Kondensator an Gleichspannung und RC- und RL-Glied.
Dimensionierung
Die Aufgabe: ein Wechselblinker an 5 V (USB-Netzteil), LED-Strom etwa 13 mA, jede LED 0,5 s an.
1. Kollektorwiderstand. Mit UF ≈ 2,0 V für eine rote LED und UCE,sat ≈ 0,1 V:
Der E12-Normwert 220 Ω ergibt 13,2 mA.
2. Basiswiderstand. Der BC547B hat laut Datenblatt eine Stromverstärkung von mindestens 200. Für 13,2 mA braucht er also mindestens 66 μA Basisstrom. Für sichere Sättigung planst du das Zwei- bis Dreifache ein. Mit R2 = 27 kΩ:
Das ist das 2,5-Fache des Nötigen. Als Faustregel gilt: Das Verhältnis R2 / R1 muss deutlich unter der kleinsten Stromverstärkung liegen; hier sind es 123.
3. Zeit pro Halbperiode. Die Basis startet bei UBE − ΔU, wobei ΔU der Spannungssprung am Kollektor ist (hier 3,4 V − 0,1 V = 3,3 V). Sie lädt Richtung UB und schaltet bei UBE. Daraus folgt:
Für t = 0,5 s stellst du nach C um:
Das ist zufällig genau ein Normwert der E6-Reihe. Nachgerechnet ergibt sich t = 27 kΩ · 33 μF · 0,560 = 0,499 s, die Periode ist 1,0 s, die Frequenz 1,0 Hz.
Kondensator laden und entladen
- Zeitkonstante τ
- 1 s
- 5 τ
- 5 s
- Spannung nach t
- 3,16 V
- Strom nach t
- 184 µA
- Zeit bis Zielspannung
- 1,61 s
uC(t) = U₀ · (1 − e−t/τ), Laden ab 0 V. τ = R · C. Ideale Bauteile: Innenwiderstand der Quelle, Leckstrom und Toleranz von C sind nicht berücksichtigt. Nach 5 τ ist der Vorgang zu über 99 % abgeschlossen. Blauer Punkt: Spannung nach der Zeit t, grüner Ring: Zielspannung.
Die Genauigkeit begrenzt vor allem der Elko: Mit ±20 % Toleranz liegt die Frequenz irgendwo zwischen 0,8 und 1,25 Hz. Für einen Blinker ist das egal, für einen Takt nicht.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| T1, T2 | BC547B | NPN, 45 V, 100 mA, TO-92; Anschlüsse C-B-E |
| R1, R4 | 220 Ω, 0,25 W | LED-Strom 13 mA |
| R2, R3 | 27 kΩ, 0,25 W | mit C1/C2 zeitbestimmend |
| C1, C2 | 33 μF, 16 V, Elko | Pluspol zum Kollektor |
| LED1, LED2 | rot, 5 mm | Kathode zum Kollektor |
| Versorgung | 5 V | USB-Netzteil oder drei AA-Zellen |
Varianten
Ungleiche Zeiten. Wählst du R2 und R3 oder C1 und C2 verschieden, bekommst du ein Tastverhältnis ungleich 50 %. Mit C1 = 33 μF und C2 = 4,7 μF blitzt LED2 nur noch rund 70 ms auf, während LED1 0,5 s leuchtet.
Höhere Betriebsspannung. An 9 V springt die Basis auf etwa −6,7 V und überschreitet damit die erlaubten 6 V der Basis-Emitter-Strecke. Die Schaltung läuft trotzdem, aber die Strecke bricht wie eine Z-Diode durch, die Zeit wird kürzer, und der Transistor altert. Abhilfe ist je eine Diode 1N4148 in Reihe zu jeder Basis, Kathode zur Basis.
Tonfrequenz. Mit R2 = R3 = 27 kΩ und C = 33 nF schwingt die Stufe bei etwa 1 kHz. Statt der LEDs treibt sie dann einen Piezo-Lautsprecher. Für eine stabile Frequenz ist der NE555 als Taktgeber oder ein RC-Oszillator mit Schmitt-Trigger aber die bessere Wahl.
Verwandte Kippstufen. Ersetzt du einen der beiden Koppelkondensatoren durch einen Widerstand, hat die Schaltung einen stabilen Zustand: die monostabile Kippstufe. Ohne Kondensatoren bleibt sie in jedem Zustand stehen: die bistabile Kippstufe.
Typische Fehler
- Beide LEDs leuchten dauerhaft: Die Schaltung schwingt nicht an, beide Transistoren leiten. Das passiert, wenn die Versorgung sehr langsam hochläuft. Ein kurzes Aus- und Einschalten hilft; dauerhaft löst es eine leicht unsymmetrische Bestückung, etwa C2 = 22 μF.
- Nichts blinkt, eine LED ist dauernd an: Meist ist ein Elko verpolt oder ein Transistor falsch herum gesteckt. Prüfe mit dem Multimeter: Der Pluspol der Elkos gehört an die Kollektoren.
- Blinkt viel schneller als berechnet: Die Basis-Emitter-Strecke bricht durch, weil die Versorgung über 7 V liegt (siehe oben), oder der Elko ist gealtert und hat Kapazität verloren.
- LEDs nur schwach: Der Basisstrom reicht nicht für die Sättigung. Miss UCE am leitenden Transistor; über 0,3 V ist R2 bzw. R3 zu groß.
Selbsttest
Warum springt die Basis des gesperrten Transistors unter 0 V?
Der Koppelkondensator gibt den Spannungssprung am Kollektor des anderen Transistors unverändert weiter. Fällt der Kollektor um 3,3 V, fällt auch die Basis um 3,3 V, von 0,6 V auf −2,7 V.
Welche Bauteile bestimmen, wie lange LED1 leuchtet?
R2 und C1: Sie legen fest, wann T2 wieder einschaltet und T1 damit sperrt.
Was ändert sich, wenn du R1 und R4 auf 330 Ω erhöhst?
Die LEDs werden dunkler (rund 9 mA). Die Blinkfrequenz bleibt fast gleich, weil der Spannungssprung am Kollektor nahezu derselbe ist.
Warum darf man die Schaltung nicht einfach an 12 V betreiben?
Die Basis würde auf fast −10 V gezogen, weit über die erlaubten 6 V Sperrspannung der Basis-Emitter-Strecke. Ohne Schutzdioden bricht sie durch.
Welchen Kondensator brauchst du für 2 Hz bei sonst gleichen Werten?
Die halbe Zeit, also 16,5 μF; der nächste Normwert 15 μF ergibt 0,23 s je Halbperiode, rund 2,2 Hz.