Manchmal brauchst du nur irgendeinen Takt: für einen Zähler auf dem Steckbrett, eine blinkende Kontroll-LED, eine kleine Ladungspumpe oder einen Piepton. Liegt auf der Platine ohnehin ein 74HC14 mit sechs Schmitt-Trigger-Invertern, kostet so ein Takt nur zwei Bauteile: einen Widerstand vom Ausgang zurück zum Eingang und einen Kondensator vom Eingang nach Masse. Das ist der RC-Oszillator mit Schmitt-Trigger, auch Relaxationsoszillator genannt – der kleinste Rechteckgenerator, den man bauen kann.
Was einen Schmitt-Trigger ausmacht – zwei Schaltschwellen statt einer –, erklärt der Bauelemente-Artikel. Hier nutzt du genau diese Hysterese, um eine Schwingung zu erzeugen, und baust einen Takt von etwa 1 kHz an 5 V. Du wirst dabei auch sehen, warum diese Schaltung schnell, billig und sparsam ist, aber nicht genau.
Schaltplan
- IC1A, 74HC14: ein Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingang aus einem Logik-IC mit sechs Gattern. Eingang Pin 1, Ausgang Pin 2.
- R1, 11 kΩ: die Rückkopplung. Über ihn lädt der Ausgang den Kondensator abwechselnd auf und entlädt ihn.
- C1, 100 nF: der Zeitkondensator, ein Keramikkondensator mit C0G- oder ein Folienkondensator.
- C2, 100 nF: Abblockkondensator zwischen Pin 14 und Pin 7.
- Die fünf übrigen Gatter: Ihre Eingänge legst du an Masse, sonst schwingen sie undefiniert mit.
So funktioniert die Schaltung
Nach dem Einschalten ist C1 leer, der Eingang liegt bei 0 V. Der Inverter gibt deshalb High aus, also 5 V. Über R1 lädt sich C1 auf. Sobald seine Spannung die obere Schwelle UT+ von etwa 2,8 V erreicht, kippt der Ausgang auf Low.
Jetzt entlädt R1 den Kondensator in Richtung 0 V. Ein gewöhnlicher Inverter würde schon nach wenigen Millivolt wieder umschalten und irgendwo in der Mitte hängen bleiben. Der Schmitt-Trigger aber wartet, bis die Spannung bis zur unteren Schwelle UT− von etwa 1,7 V gesunken ist. Erst dann geht der Ausgang wieder auf High, und das Laden beginnt von vorn. Die Kondensatorspannung pendelt also zwischen den beiden Schwellen, und der Abstand zwischen ihnen – die Hysterese – bestimmt zusammen mit R1 · C1 die Frequenz.
Das Laden und Entladen über einen Widerstand folgt der Exponentialfunktion aus RC- und RL-Glied. Weil die Schwellen nicht symmetrisch zur halben Versorgung liegen, sind High- und Low-Zeit verschieden lang.
Dimensionierung
1. Formeln. Beim Laden strebt C1 gegen UB und läuft von UT− bis UT+, beim Entladen strebt er gegen 0 V und läuft von UT+ bis UT−:
2. Schwellen aus dem Datenblatt. Für den 74HC14 nennt TI bei 4,5 V typisch UT+ = 2,5 V und UT− = 1,6 V, bei 6 V 3,3 V und 2,0 V. Für 5 V liegst du mit 2,8 V und 1,7 V richtig. Damit:
Die Periode ist T = 0,904 · R1 · C1.
3. Werte wählen. Für 1 kHz mit C1 = 100 nF:
Der nächste Wert der E24-Reihe ist 11 kΩ (Normreihen). Nachgerechnet ergeben sich tH = 0,45 ms, tL = 0,55 ms, f = 1,0 kHz und ein Tastgrad von 45 %.
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.
4. Grenzen des Widerstands. Nach unten begrenzt der Ausgang: Bei 11 kΩ fließen höchstens 5 V / 11 kΩ ≈ 0,45 mA, weit unter den 4 mA, für die der 74HC14 seine Pegel garantiert. Unter 1 kΩ solltest du nicht gehen. Nach oben begrenzt der Eingangsstrom von bis zu 1 μA über den Temperaturbereich: An 1 MΩ wären das schon 1 V Fehler. Bleib zwischen 1 kΩ und 1 MΩ und passe lieber C1 an.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| IC1 | 74HC14 | sechs Schmitt-Trigger-Inverter, 2 bis 6 V |
| R1 | 11 kΩ, 1 % | E24-Wert; für Abgleich 10 kΩ + Trimmer 2 kΩ |
| C1 | 100 nF, C0G oder Folie | kein Y5V |
| C2 | 100 nF, Keramik | direkt an Pin 14 und Pin 7 |
Varianten
Einstellbarer Tastgrad. Ersetze R1 durch zwei Widerstände mit je einer Diode in Gegenrichtung. Dann lädt C1 über den einen und entlädt sich über den anderen; High- und Low-Zeit sind unabhängig. Das Prinzip ist dasselbe wie beim PWM-Generator mit NE555.
Mit Startfreigabe. Nimmst du statt des Inverters ein NAND mit Schmitt-Trigger-Eingängen (74HC132 oder CD4093) und führst R1 an einen der beiden Eingänge, schwingt der Oszillator nur, solange der zweite Eingang High ist. So lässt sich ein Piepton per Mikrocontroller-Pin ein- und ausschalten.
Höhere Versorgung. Der CD40106 arbeitet von 3 bis 18 V. Er ist langsamer, seine Schwellen streuen ähnlich stark.
3,3 V und wenig Platz. Einzelgatter wie der 74LVC1G14 im SOT-23 brauchen nur fünf Pins. Die Schwellen liegen dort anders; rechne mit den Werten aus seinem Datenblatt.
Genauer Takt. Ein Mikrocontroller oder eine UART braucht einen auf wenige Promille genauen Takt. Dafür taugt dieser Oszillator nicht, dafür gibt es den Quarzoszillator (Pierce). Ohne IC kommt die astabile Kippstufe mit Transistoren aus.
Typische Fehler
- Schwingt nicht oder mit vielen MHz: Es steckt ein 74HC04 ohne Schmitt-Trigger. Ohne Hysterese gibt es keine zwei Schwellen, das Gatter landet im Linearbereich und schwingt wild oder gar nicht. Prüfe den Aufdruck: 14, nicht 04.
- IC wird warm, Frequenz zappelt: Die unbenutzten Eingänge hängen offen. Lege sie an Masse oder an +5 V.
- Frequenz weicht stark von der Rechnung ab: Die Schwellen deines Exemplars liegen anders, oder C1 ist ein Y5V-Kondensator, der unter Gleichspannung die Hälfte seiner Kapazität und mehr verliert. Miss die Schwellen mit dem Oszilloskop an Pin 1: Die Umkehrpunkte der Dreieckskurve sind UT+ und UT−.
- Takt ändert sich, wenn die LED angeschlossen ist: Der Ausgang ist gleichzeitig der Ladeanschluss. Hänge die Last an ein zweites Gatter, dessen Eingang am Ausgang des ersten liegt.
Selbsttest
Warum schwingt die Schaltung mit einem normalen Inverter nicht sauber?
Ohne Hysterese gibt es nur eine Schwelle. Der Kondensator bleibt dann knapp an ihr stehen, und das Gatter arbeitet im Linearbereich statt zu kippen.
Zwischen welchen Spannungen pendelt C1?
Zwischen der unteren und der oberen Schwelle des Schmitt-Triggers, beim 74HC14 an 5 V typisch zwischen 1,7 V und 2,8 V.
Welche Frequenz ergibt sich mit C1 = 10 nF und R1 = 11 kΩ?
1 / (0,904 · 11 kΩ · 10 nF) ≈ 10 kHz.
Warum ist der erste Puls nach dem Einschalten länger?
C1 startet bei 0 V und muss bis 2,8 V laden: 11 kΩ · 100 nF · ln(5 / 2,2) ≈ 0,90 ms statt 0,45 ms.
Ein zweites Exemplar schwingt mit 1,6 kHz statt 1 kHz. Ist es defekt?
Nicht unbedingt. Das Datenblatt erlaubt eine Hysterese zwischen 0,4 und 2,1 V; die Frequenz kann sich dadurch von Exemplar zu Exemplar um mehr als den Faktor 2 unterscheiden.