NE555 als Monoflop

Der Türöffner soll nach einem Druck auf den Klingeltaster drei Sekunden summen, egal wie kurz der Druck war. Eine Pumpe soll nach dem Signal des Schwimmerschalters eine feste Zeit laufen, ein Lüfter noch eine Weile nachlaufen. Das sind Aufgaben für ein Monoflop: Es bekommt einen kurzen Startimpuls und liefert daraufhin einen Ausgangspuls fester Länge. Mit dem NE555 brauchst du dafür nur einen Widerstand und einen Kondensator, und die Zeit hängt kaum von der Versorgungsspannung ab.

Gegenüber der monostabilen Kippstufe mit Transistoren arbeitet der 555 mit festen Schwellen bei einem und zwei Dritteln der Versorgung. Das macht die Zeit genauer und unabhängig von Transistordaten. Hier baust du einen Zeitschalter an 12 V, der ein Relais für knapp 3 s anziehen lässt.

Schaltplan

• IC1, NE555: der Timer, an 12 V.
• R1, 270 kΩ, und C1, 10 μF: das Zeitglied an DIS (Pin 7) und THRES (Pin 6). C1 ist ein Elektrolytkondensator, Pluspol an R1.
• R2, 10 kΩ: Pull-up an TRIG (Pin 2). Er hält den Eingang in Ruhe sicher über 1/3 der Versorgung.
• S1: Taster nach Masse, der Startknopf.
• K1: Relais mit 12-V-Spule und 400 Ω. Sein Kontakt schaltet den Türöffner, im Plan nicht gezeichnet.
• D1, 1N4148: die Freilaufdiode über der Spule, Kathode am Ausgang.
• C2, 10 nF: blockt CV (Pin 5) ab. C3, 100 nF: blockt die Versorgung direkt am IC ab.
• RESET (Pin 4): fest an +12 V.

So funktioniert die Schaltung

Ruhe. TRIG liegt über R2 auf 12 V, der Ausgang ist Low. Der Entladetransistor an Pin 7 leitet und hält C1 auf 0 V. Das Relais ist abgefallen.

Start. Drückst du S1, fällt TRIG unter 4 V (1/3 der Versorgung). Der Trigger-Komparator setzt das interne Flipflop: Der Ausgang springt auf High, das Relais zieht an, und Pin 7 gibt C1 frei. C1 lädt sich jetzt über R1 auf.

Ende. Erreicht die Spannung an C1 8 V (2/3 der Versorgung), setzt der Schwellen-Komparator das Flipflop zurück. Der Ausgang geht auf Low, das Relais fällt ab, und Pin 7 entlädt C1 in Mikrosekunden wieder auf 0 V. Die Schaltung ist sofort bereit für den nächsten Start.

Weil C1 von 0 V bis 2/3 · U_B lädt, steckt in der Zeit der Faktor ln 3 ≈ 1,1. Die Versorgungsspannung kürzt sich heraus: An 9 V wäre die Zeit fast dieselbe. Wie ein Kondensator über einen Widerstand lädt, zeigen Kondensator an Gleichspannung und RC- und RL-Glied.

Zwei Eigenschaften musst du kennen. Erstens ist dieses Monoflop nicht nachtriggerbar: Ein Druck während des Pulses verlängert ihn nicht. Zweitens gewinnt der Trigger: Hältst du S1 länger als 3 s gedrückt, bleibt der Ausgang High, bis du loslässt.

Dimensionierung

Die Aufgabe: Ein 12-V-Relais soll nach einem Tastendruck etwa 3 s angezogen bleiben.

1. Formel.

2. Kondensator wählen. Für Sekunden bieten sich 1 bis 22 μF an. Mit 10 μF folgt

Der nächste Wert der E12-Reihe ist 270 kΩ, damit wird t = 1,1 · 270 kΩ · 10 μF = 2,97 s.

3. Ladestrom gegen Leckstrom. Kurz vor dem Ende liegen an R1 nur noch 12 V − 8 V = 4 V. Der Ladestrom ist dann

Ein Elko mit 10 μF und 25 V darf laut typischem Datenblatt bis zu 3 μA Leckstrom haben. Im ungünstigsten Fall wird die Zeit damit rund 10 % länger, mit einem neuen Elko liegt der Fehler meist unter 1 %. Bei längeren Zeiten wird dieses Verhältnis schnell schlechter – mehr dazu unten.

4. Relais am Ausgang. Der NE555 liefert bis 200 mA, sein High-Pegel liegt aber etwa 1,5 V unter der Versorgung. An der 400-Ω-Spule liegen also rund 10,5 V, es fließen 26 mA. Übliche 12-V-Relais ziehen bei 75 % der Nennspannung sicher an, also ab 9 V.

Bauteilliste

Varianten

Flankengesteuert. Soll ein Dauerdruck keinen längeren Puls erzeugen, koppelst du S1 über 10 nF an TRIG. R2 zieht TRIG nach dem kurzen Nadelimpuls von rund 0,1 ms sofort wieder hoch. Eine Diode 1N4148 von TRIG nach +12 V (Kathode an +12 V) fängt die positive Spitze beim Loslassen ab. Das Prinzip steht unter Differenzierglied und Integrierglied.

Nachtriggerbar. Für einen Bewegungsmelder, der bei jeder neuen Bewegung von vorn zählen soll, legst du einen Transistor parallel zu C1, der bei jedem Triggerimpuls kurz leitet und C1 entleert. Damit beginnt die Zeit bei jedem Impuls neu.

Lange Zeiten. Für eine Minute und mehr ist der bipolare NE555 schlecht geeignet: Sein THRES-Eingang zieht bis 0,25 μA, und große Elkos haben viel Leckstrom. Der CMOS-555 braucht nur Picoampere am Eingang; mit 4,7 μF Folienkondensator und 10 MΩ erreicht er knapp 52 s, sehr reproduzierbar. Noch längere Zeiten erzeugt man mit einem Taktgeber und einem nachgeschalteten Frequenzteiler.

Größere Lasten. Für Spulen über 100 mA oder Motoren schaltet der Ausgang einen Transistor oder MOSFET, siehe Relais am Arduino ansteuern und Induktive Lasten schnell abschalten.

Typische Fehler

• Relais zieht beim Einschalten der Versorgung kurz an: Der NE555 startet nicht immer in einem definierten Zustand. Abhilfe: Pin 4 über 100 kΩ an +12 V und 1 μF nach Masse. Das hält den Timer in den ersten rund 100 ms im Reset.
• Zeit deutlich zu lang oder Relais fällt nie ab: Leckstrom des Elkos. Typisch bei alten oder überdimensionierten Elkos und bei großen Werten für R1. Kleineres R1, leckarmen Elko oder einen Tantal-Elko verwenden.
• Störungen beim Abschalten, IC hängt oder triggert neu: D1 fehlt oder ist falsch herum eingesetzt. Ohne sie erzeugt die Spule beim Abschalten eine Spannungsspitze, die den Ausgang weit unter Masse treibt.
• Puls startet von allein: Eine lange Leitung zum Taster fängt Störspitzen ein, die TRIG kurz unter 4 V ziehen. Ein Kondensator von 10 nF von TRIG nach Masse filtert sie. Viel größer sollte er nicht sein: Dann läuft TRIG beim Einschalten so langsam hoch, dass der Timer selbst startet.

Selbsttest