Monostabile Kippstufe (Monoflop)

Ein kurzer Tastendruck soll eine Lampe für einige Sekunden einschalten, ein kurzer Störimpuls soll zu einem sauberen Puls fester Länge werden, ein Bewegungsmelder soll nach dem letzten Signal noch eine Weile nachlaufen. Alle diese Aufgaben löst eine Schaltung mit einem einzigen stabilen Zustand: die monostabile Kippstufe, kurz Monoflop. Ein Auslöser kippt sie in den zweiten Zustand. Dort bleibt sie nur so lange, bis ein RC-Glied abgelaufen ist, dann fällt sie von selbst zurück.

Die Stufe ist eine nahe Verwandte der astabilen Kippstufe: Einer der beiden Koppelkondensatoren wird durch einen Widerstand ersetzt. Damit fehlt die zweite „Uhr“, und die Schaltung schwingt nicht mehr, sondern wartet auf den nächsten Anstoß. Hier baust du ein Monoflop an 5 V, das nach einem Tastendruck eine LED 5,6 s lang leuchten lässt.

Schaltplan

• T1, BC547B: schaltet LED1. In Ruhe sperrt er.
• T2, BC547B: der Gegenspieler. In Ruhe leitet er und hält T1 über R4 gesperrt.
• R1, 220 Ω, und LED1: die Last, 13 mA für eine rote LED.
• R2, 100 kΩ, und C1, 100 μF: das zeitbestimmende RC-Glied. R2 liefert in Ruhe den Basisstrom für T2, C1 ist ein Elektrolytkondensator mit dem Pluspol am Kollektor von T1.
• R3, 4,7 kΩ: Kollektorwiderstand von T2.
• R4, 22 kΩ: die feste Kopplung vom Kollektor T2 zur Basis T1. Sie macht aus der astabilen eine monostabile Stufe.
• R5, 47 kΩ: hält die Basis von T1 sicher auf Masse, solange T2 leitet.
• S1: ein Taster parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke von T1. Er löst den Puls aus.

So funktioniert die Schaltung

Ruhezustand. R2 schickt einen Basisstrom in T2, der dadurch leitet. Sein Kollektor liegt bei 0,1 V, über R4 und R5 bekommt T1 praktisch keine Basisspannung und sperrt. Der Kollektor von T1 steht bei etwa 3,4 V: Durch LED1 fließt fast kein Strom, an ihr fallen nur noch rund 1,6 V ab. C1 ist damit auf 3,4 V − 0,6 V = 2,8 V geladen. Dieser Zustand ist stabil, er bleibt ohne Eingriff beliebig lange bestehen.

Auslösen. Drückst du S1, fällt der Kollektor von T1 schlagartig um 3,3 V. C1 gibt diesen Sprung an die Basis von T2 weiter: Sie springt von 0,6 V auf −2,7 V, T2 sperrt. Sein Kollektor steigt, und über R3 und R4 fließt jetzt Basisstrom in T1. T1 leitet und hält seinen Kollektor selbst unten, auch wenn du den Taster schon wieder losgelassen hast. LED1 leuchtet.

Ablauf der Zeit. R2 lädt C1 um, die Basis von T2 steigt exponentiell von −2,7 V Richtung +5 V. Bei etwa 0,6 V leitet T2 wieder, sein Kollektor fällt, T1 verliert seinen Basisstrom und sperrt. LED1 geht aus. Beim Hochlaufen des Kollektors von T1 lädt C1 über R1 und LED1 nach; dieser Ladestrom fließt in die Basis von T2 und beschleunigt das Zurückkippen.

Die Physik des Umladens findest du unter Kondensator an Gleichspannung, die Rolle der Zeitkonstante unter RC- und RL-Glied.

Dimensionierung

Die Aufgabe: Versorgung 5 V, LED-Strom etwa 13 mA, Leuchtdauer rund 5 s.

1. LED-Zweig. Wie beim Wechselblinker: R₁ = (5 V − 2,0 V − 0,1 V) / 13 mA ≈ 223 Ω, Normwert 220 Ω, das ergibt 13,2 mA.

2. T2 in Ruhe. R3 bestimmt den Ruhestrom. Mit 4,7 kΩ fließen (5 V − 0,1 V) / 4,7 kΩ ≈ 1,04 mA. Bei einer Stromverstärkung von mindestens 200 braucht T2 dafür 5,2 μA Basisstrom. R2 liefert

also das 8,5-Fache. T2 sättigt sicher.

3. T1 während des Pulses. Jetzt sperrt T2, und der Basisstrom für T1 kommt über R3 und R4. Ein Teil fließt über R5 ab:

Für 13,2 mA braucht T1 mindestens 66 μA, die Übersteuerung ist also 2,3. In Ruhe liegen an seiner Basis nur 0,1 V · 47 kΩ / 69 kΩ ≈ 0,07 V – weit unter der Schwelle.

4. Pulsdauer. Die Basis von T2 startet bei U_BE − ΔU = 0,6 V − 3,3 V = −2,7 V und lädt Richtung U_B, bis sie 0,6 V erreicht:

Für 5 s brauchst du C₁ = 5 s / (0,560 · 100 kΩ) ≈ 89 μF. Der nächste Normwert ist 100 μF:

Bauteilliste

Varianten

Auslösen per Mikrocontroller. Statt des Tasters ziehst du den Kollektor von T1 mit einem Open-Collector-Ausgang oder einem zweiten Transistor auf Masse. Ein kurzer High-Puls am GPIO über 10 kΩ an dessen Basis genügt.

Flankengesteuert. Soll ein Dauersignal nur einen Puls auslösen, koppelst du es über 10 nF und eine Diode 1N4148 an die Basis von T2. Nur die fallende Flanke zieht die Basis kurz negativ; das Eingangssignal darf danach beliebig lange anstehen.

Größere Last. Statt LED1 kann ein Relais mit Freilaufdiode im Kollektor von T1 sitzen; Basisstrom und R4 rechnest du dann für den Spulenstrom neu. So entsteht ein einfacher Treppenlichtautomat. Wie man ein Relais richtig ansteuert, steht unter Relais am Arduino ansteuern.

Lange und genaue Zeiten. Über einige zehn Sekunden wird der Elko-Leckstrom zum Problem. Dann ist der NE555 als Monoflop die bessere Wahl: Seine Schwellen hängen nicht von der Basis-Emitter-Spannung ab, die Zeit ist auf wenige Prozent reproduzierbar.

Zwei stabile Zustände. Ersetzt du auch C1 durch einen Widerstand, wird daraus die bistabile Kippstufe, die sich einen Zustand merkt.

Typische Fehler

• Puls viel länger als berechnet oder endlos: Der Leckstrom des Elkos frisst den Ladestrom von R2. Kurz vor dem Umschalten fließen nur noch 44 μA; das Datenblatt eines 100-μF-Elkos erlaubt bis zu 16 μA Leckstrom. Ein neuer Elko liegt meist weit darunter, ein alter oder lange gelagerter nicht. Abhilfe: Elko formieren lassen (einige Minuten an Spannung) oder kleineres C mit größerem R2.
• LED leuchtet dauerhaft: C1 verpolt oder R5 fehlt, sodass T1 schon durch Leckströme leitet. Miss die Spannung an der Basis von T1 in Ruhe; sie muss unter 0,1 V liegen.
• Zweiter Tastendruck verkürzt den Puls: Nach dem Ende braucht C1 rund 0,1 s, um sich über R1 und LED1 wieder auf 2,8 V zu laden (5 · 220 Ω · 100 μF). Wer früher erneut drückt, bekommt einen kürzeren Puls.
• Puls viel zu kurz: Meist ist ein Bauteil verwechselt – 10 kΩ (braun-schwarz-orange) statt 100 kΩ (braun-schwarz-gelb) für R2 oder 10 μF statt 100 μF für C1. Prüfe die Ringe nach dem Widerstands-Farbcode und den Aufdruck des Elkos.

Selbsttest