NE555 als Taktgeber (astabil) – Elektronik-Schaltungen

Ein Zähler braucht einen Takt, ein Summer einen Ton, ein Prüfaufbau ein sauberes Rechteck mit bekannter Frequenz. Ein Mikrocontroller kann das alles, muss dafür aber programmiert und versorgt werden. Schneller geht es mit dem NE555: Mit zwei Widerständen und einem Kondensator schwingt er sofort nach dem Einschalten, zuverlässig von Bruchteilen eines Hertz bis gut 100 kHz. Diese Grundschaltung ist die mit Abstand häufigste Anwendung des Bausteins.

Wie der 555 innen mit zwei Komparatoren und einem Flipflop arbeitet, steht im Bauelemente-Artikel. Hier baust du einen Taktgeber für 1 kHz an 5 V auf – genau genug für einen Zähler, einen Prüfton oder als Taktquelle für Logik.

Schaltplan

NE555 als Taktgeber an 5 V: RA 4,7 kΩ von +5 V an Pin 7, RB 68 kΩ von Pin 7 an Pin 6 und Pin 2, C1 10 nF von Pin 6/2 nach Masse, RESET Pin 4 und VCC Pin 8 an +5 V, CV Pin 5 über C2 10 nF an Masse, C3 100 nF als Abblockkondensator, Ausgang Pin 3 — Blau ist das Zeitglied: C1 lädt über RA und RB und entlädt sich über RB in Pin 7.

IC1, NE555: der Timer. Pin 8 an +5 V, Pin 1 an Masse.
R_A, 4,7 kΩ: liegt nur im Ladeweg. Beim Entladen fließt durch ihn der Strom von +5 V in Pin 7.
R_B, 68 kΩ: liegt im Lade- und im Entladeweg und bestimmt damit beide Zeiten.
C1, 10 nF: der Zeitkondensator, ein Folienkondensator oder ein Keramiktyp mit C0G-Dielektrikum. TRIG (Pin 2) und THRES (Pin 6) überwachen gemeinsam seine Spannung.
C2, 10 nF: blockt den Steuereingang CV (Pin 5) ab. Dort liegt die interne Schwelle von 2/3 der Versorgung; der Kondensator hält Störungen von ihr fern.
C3, 100 nF: der Abblockkondensator direkt zwischen Pin 8 und Pin 1.
RESET (Pin 4): fest an +5 V. Offen gelassen, fängt er Störungen ein und hält den Timer womöglich an.

So funktioniert die Schaltung

Nach dem Einschalten ist C1 leer. Seine Spannung liegt unter 1/3 der Versorgung, also unter 1,67 V. Der Trigger-Komparator setzt das Flipflop: Der Ausgang geht auf High, der Entladetransistor an Pin 7 sperrt. C1 lädt sich über R_A und R_B auf.

Erreicht seine Spannung 2/3 der Versorgung (3,33 V), setzt der Schwellen-Komparator das Flipflop zurück. Der Ausgang geht auf Low, Pin 7 schaltet nach Masse. Jetzt entlädt sich C1 über R_B in Pin 7, bis er wieder bei 1,67 V ankommt. Dann setzt der Trigger-Komparator erneut, und der Zyklus beginnt von vorn. R_A ist in dieser Phase nur noch mit Pin 7 verbunden und spielt für die Zeit keine Rolle.

Zeitverlauf: Kondensatorspannung steigt zuerst von 0 auf 3,33 V und pendelt dann zwischen 1,67 V und 3,33 V; der Ausgang ist High während des Ladens (0,50 ms) und Low während des Entladens (0,47 ms) — Die Kondensatorspannung pendelt zwischen einem und zwei Dritteln der Versorgung. Nur der erste Puls nach dem Einschalten ist länger.

Weil der Kondensator immer zwischen zwei festen Bruchteilen der Versorgung pendelt, steckt in jeder Halbperiode der Faktor ln 2 ≈ 0,693: Eine RC-Ladung braucht genau so lange, um die Hälfte des verbleibenden Abstands zum Ziel zurückzulegen. Deshalb hängt die Frequenz kaum von der Versorgungsspannung ab. Mehr zur Exponentialfunktion beim Laden steht unter RC- und RL-Glied.

Dimensionierung

Die Aufgabe: ein Takt von etwa 1 kHz an 5 V, Tastgrad nahe 50 %.

1. Zeiten. High dauert das Laden über beide Widerstände, Low das Entladen über R_B:

t_H = 0,693 · (R_A + R_B) · C₁ t_L = 0,693 · R_B · C₁

f = 1t_H + t_L = 1,44(R_A + 2 · R_B) · C₁

2. Kondensator zuerst. Für 1 kHz sind 10 nF ein guter Wert: Folienkondensatoren gibt es darin mit 5 % Toleranz, und die Widerstände landen im Bereich von 10 bis 100 kΩ, in dem der 555 am genauesten arbeitet.

3. Widerstände. Aus der Frequenzformel folgt

R_A + 2 · R_B = 1,44f · C₁ = 1,441 kHz · 10 nF = 144 kΩ

Für einen Tastgrad nahe 50 % machst du R_A klein gegen R_B, aber nicht zu klein: Beim Entladen fließt durch R_A der Strom U_B / R_A direkt in Pin 7. Mit R_A = 4,7 kΩ sind das 1,1 mA, unkritisch. Dann bleibt R_B = (144 kΩ − 4,7 kΩ) / 2 ≈ 69,7 kΩ, der nächste Wert der E12-Reihe ist 68 kΩ.

4. Nachrechnen mit Normwerten.

t_H = 0,693 · 72,7 kΩ · 10 nF = 0,504 ms t_L = 0,693 · 68 kΩ · 10 nF = 0,471 ms

Die Periode ist 0,975 ms, die Frequenz 1,03 kHz, der Tastgrad 0,504 / 0,975 = 51,7 %.

Rechner

555-Timer

R1 (VCC – Pin 7)R2 (Pin 7 – Pin 6/2)Kondensator C

Frequenz f: 687 Hz
Periode T: 1,46 ms
High-Zeit: 762 µs
Low-Zeit: 693 µs
Tastgrad: 52,4 %

f = 1 / (ln 2 · (R1 + 2·R2) · C) ≈ 1,44 / ((R1 + 2·R2) · C). Der Tastgrad liegt in dieser Grundschaltung immer über 50 %; für weniger überbrückst du R2 mit einer Diode. Gilt für NE555 und CMOS-Typen (TLC555, ICM7555) gleichermaßen – die Genauigkeit bestimmt vor allem die Toleranz von C.

Bauteilliste

Bezeichner	Wert/Typ	Hinweis
IC1	NE555 (DIP-8 oder SO-8)	bipolar, 4,5 bis 16 V
R_A	4,7 kΩ, 1 %	nicht unter 1 kΩ
R_B	68 kΩ, 1 %	bestimmt Lade- und Entladezeit
C1	10 nF, Folie (MKS) oder C0G, 5 %	kein X7R: driftet mit Temperatur und Spannung
C2	10 nF, Keramik	an CV, Pin 5
C3	100 nF, Keramik	so nah wie möglich an Pin 8 und 1
C4 (optional)	10 μF, Elko	zusätzlich an der Versorgung bei langen Leitungen

Varianten

Genau 1 kHz einstellen. Ersetze R_B durch 56 kΩ in Reihe mit einem Trimmpotentiometer von 25 kΩ. Damit überstreichst du 0,86 bis 1,23 kHz und gleichst die Toleranz von C1 aus.

Tastgrad unter 50 %. In dieser Schaltung ist t_H immer länger als t_L. Eine Diode parallel zu R_B lässt den Ladestrom an R_B vorbei; dann hängt t_H nur noch von R_A ab. Mit zwei Dioden und einem Potentiometer wird daraus ein einstellbares Rechteck: der PWM-Generator mit NE555.

Andere Frequenzen. Für einen Blinker mit 1 Hz nimmst du 10 μF statt 10 nF und rund 68 kΩ; für 10 kHz 1 nF. Über 100 kHz werden die Schaltverzögerungen des NE555 spürbar.

3,3 V und wenig Strom. Der CMOS-555 (TLC555, LMC555, ICM7555) arbeitet ab 2 V, braucht nur 0,1 bis 0,2 mA, und sein Ausgang reicht bis an die Versorgung. Die Schaltung bleibt gleich.

Einzelpuls statt Takt. Verbindest du TRIG nicht mit THRES, sondern mit einem Taster, wird daraus der NE555 als Monoflop. Einen Takt ohne IC erzeugt die astabile Kippstufe mit Transistoren, einen besonders sparsamen der RC-Oszillator mit Schmitt-Trigger.

Typische Fehler

Logik zählt falsch oder gar nicht: Der High-Pegel des NE555 von etwa 3,5 V reicht für einen 74HC-Eingang an 5 V nur knapp (er verlangt 3,5 V). Nimm einen Baustein der HCT-Familie oder einen CMOS-555. Die Pegel der Logikfamilien vergleicht der Grundlagen-Artikel.
Störungen in der übrigen Schaltung: Die Ausgangsstufe des bipolaren NE555 zieht bei jedem Umschalten einen kurzen Querstrom von über 100 mA. Ohne C3 direkt am IC springt die Versorgung, und andere Bausteine reagieren auf jede Flanke.
Frequenz wandert mit der Temperatur: C1 ist ein Keramikkondensator mit X7R- oder Y5V-Dielektrikum. Diese verlieren mit Temperatur und Gleichspannung leicht 20 % und mehr. Folie oder C0G nehmen.
Timer schwingt mal, mal nicht: RESET liegt offen oder an einem hochohmigen Signal. Er gehört fest an Pin 8.
Frequenz ändert sich beim Messen: Ein Tastkopf mit 1:1 belastet Pin 6 mit über 50 pF und 1 MΩ. Mit 10:1 messen, oder gleich den Ausgang an Pin 3 – wie, steht unter Oszilloskop bedienen.

Selbsttest

Zwischen welchen Spannungen pendelt C1 an 5 V?

Zwischen 1/3 und 2/3 der Versorgung, also zwischen 1,67 V und 3,33 V.

Warum ist der erste Puls nach dem Einschalten länger?

C1 startet bei 0 V statt bei 1,67 V und muss erst bis 3,33 V laden: 1,1 · 72,7 kΩ · 10 nF ≈ 0,80 ms statt 0,50 ms.

Warum kann der Tastgrad in dieser Grundschaltung nicht unter 50 % fallen?

Geladen wird über R_A + R_B, entladen nur über R_B. Die High-Zeit ist deshalb immer länger als die Low-Zeit.

Welche Frequenz ergibt sich mit C1 = 22 nF?

1,44 / (140,7 kΩ · 22 nF) ≈ 465 Hz.

Wozu dient der Kondensator an Pin 5?

Pin 5 führt die interne Schwelle von 2/3 der Versorgung nach außen. Der Kondensator filtert Störungen heraus, die sonst die Schaltschwelle und damit die Frequenz verschieben würden.