Kippstufen und Timer-IC: Monoflop, Multivibrator und NE555

Kippstufen und Timer-IC: Monoflop, Multivibrator und NE555

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Kippstufe, astabil, monostabil, bistabil, Monoflop, Multivibrator, NE555, Zeitgeber, Tastgrad, Oszillator, VCO, Funktionsgenerator

tl/dr; (ca. 27 min Lesezeit): Kippstufen kennen nur High und Low – sie unterscheiden sich darin, wie viele dieser Zustände stabil sind. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Du bistabile, monostabile und astabile Kippstufen an ihren Merkmalen und Impulsdiagrammen erkennst, die Transistor-Kippstufe berechnest, den inneren Aufbau und die Datenblattwerte des Zeitgebers NE555 verstehst und ihn als astabile und monostabile Kippstufe dimensionierst. Danach geht es um den Steuereingang, VCO und Frequenz-Spannungs-Wandlung, um RC-Oszillatoren mit Gattern, Wien-Brücke und Funktionsgenerator-IC und zum Schluss um das Messen und Einstellen der Signale mit dem Oszilloskop [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste der Artikel Kondensator und Spule im Schaltvorgang und Komparator, Fensterkomparator und Schmitt-Trigger auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … astabile, monostabile und bistabile Kippstufen an typischen Merkmalen erkennen, ihre Eigenschaften unterscheiden und ihnen Impulsdiagramme zuordnen.

• … Ausgangssignale bistabiler und getasteter Kippstufen im Impulsdiagramm bestimmen und das Schaltzeichen eines Bausteins mit dynamischem Eingang deuten.

• … den inneren Aufbau des Zeitgebers NE555 (Spannungsteiler, Komparatoren, Flipflop, Entladetransistor, Reset) erklären und seine Kennwerte aus einem – auch englischsprachigen – Datenblatt ermitteln.

• … Impuls- und Pausendauer, Frequenz und Tastgrad eines astabilen NE555 sowie die Impulsdauer eines monostabilen NE555 mit der Datenblattformel berechnen.

• … die zeitbestimmenden Bauteile einer NE555-Schaltung für eine geänderte Frequenz oder einen geänderten Tastgrad dimensionieren und die Beschaltung entsprechend ändern.

• … Frequenzen von Transistor-Multivibratoren und Rechteckgeneratoren mit Schmitt-Trigger- oder NAND-Gattern berechnen.

• … Datenblattformeln und -diagramme auf ICs anwenden, z. B. die Frequenz eines VCO bei einer Steuerspannung oder die Beschaltung eines Funktionsgenerator-IC für eine andere Frequenz oder Signalform.

• … eine Schaltung auswählen, die eine Impulsfolge in eine proportionale Spannung umsetzt.

• … Signale von Kippstufen mit dem Oszilloskop phasenrichtig messen und mit ihren Kenngrößen in Diagramme übertragen.

• … Einstellbereiche mit einem Trimmer messen, Frequenzen und Tastgrade auf vorgegebene Werte einstellen und Messwerte für verschiedene Eingangsbitmuster dokumentieren.

Eine Warnleuchte soll blinken, eine Absaugung nach dem Ausschalten der Maschine noch eine Minute nachlaufen, ein Mikrocontroller braucht einen Takt, und ein Taster soll eine Lampe ein- und beim nächsten Druck wieder ausschalten. Hinter all diesen Aufgaben stecken Kippstufen: Schaltungen, deren Ausgang nur zwei Zustände kennt und zwischen ihnen „kippt“. Der bekannteste Baustein dafür ist der Zeitgeber NE555, der mit drei äußeren Bauteilen zum Taktgeber oder zum Zeitschalter wird.

Das Bild zeigt seine vereinfachte Innenschaltung mit der äußeren Beschaltung als astabile Kippstufe; in den Schritten 3 und 4 geht es genau um diese Schaltung.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Kippstufen und Timer-IC.

Schritt 1: Kippstufen im Überblick

Eine Kippstufe hat einen Ausgang mit zwei Zuständen, High und Low. Die drei Arten unterscheiden sich darin, wie viele dieser Zustände stabil sind, also ohne äußeren Anstoß erhalten bleiben:

Woran erkennst Du die Art in einer Schaltung oder an einem Signal?

• Bistabil: zwei Steuereingänge (Setzen, Rücksetzen) oder ein Takteingang; das Ausgangssignal wechselt nur bei einem Eingangsereignis und bleibt danach beliebig lange stehen. Bei Transistor-Kippstufen sind beide Stufen gleichstromgekoppelt (Widerstände).

• Monostabil: ein Auslöseeingang (Trigger) und ein zeitbestimmendes RC-Glied; nach jedem Auslösen entsteht ein Impuls gleicher Länge, unabhängig davon, wie lange der Trigger dauert. Eine Kopplung ist kapazitiv, die andere gleichstromgekoppelt.

• Astabil: kein Steuereingang (höchstens ein Freigabe- oder Reset-Eingang), RC-Glied(er); am Ausgang liegt nach dem Einschalten ein Rechtecksignal. Bei Transistor-Kippstufen sind beide Kopplungen kapazitiv.

Das Impulsdiagramm stellt die Eingangssignale (blau) und Ausgangssignale (violett) übereinander auf derselben Zeitachse dar. So erkennst Du sofort, welche Flanke welche Reaktion auslöst:

Bistabile und getastete Kippstufen im Impulsdiagramm: Beim RS-Flipflop setzt ein Impuls an S den Ausgang Q auf 1, ein Impuls an R auf 0; Q bleibt dazwischen unverändert (Speichern). Bei einer getasteten (taktgesteuerten) Kippstufe werden die Eingänge nur ausgewertet, solange bzw. in dem Moment, in dem der Takt- oder Freigabeeingang aktiv ist. Zum Bestimmen des Ausgangs gehst Du das Diagramm von links nach rechts durch und prüfst nur an den Stellen, an denen sich ein Eingang oder der Takt ändert:

1. Ist der Takt (die Freigabe) gerade wirksam? Wenn nein, bleibt Q, wie es ist.

2. Wenn ja: Welche Funktion verlangen die Eingänge (setzen, rücksetzen, speichern, umschalten)? Q entsprechend einzeichnen; \overline{\mathrm{Q}} ist immer das Gegenteil.

Dynamischer Eingang: Im Schaltzeichen nach DIN EN 60617-12 kennzeichnet ein kleines Dreieck am Eingang einen dynamischen (flankengesteuerten) Eingang: Er reagiert nur auf den Wechsel des Pegels, nicht auf den Pegel selbst. Ohne Negationskreis wirkt die steigende Flanke (0 → 1), mit Negationskreis (bzw. Negationsdreieck) die fallende Flanke (1 → 0). Ein D-Flipflop mit dynamischem Takteingang übernimmt also nur im Augenblick der wirksamen Taktflanke den Wert von D. Wird \overline{\mathrm{Q}} auf D zurückgeführt, kippt der Ausgang bei jeder wirksamen Flanke um – das Flipflop teilt die Taktfrequenz durch 2.

Im Schaltzeichen eines Monoflops steht ein Impulssymbol ⊓ für den Zeitimpuls. Eine „1“ vor dem Impulssymbol bedeutet „nicht nachtriggerbar“: Ein Trigger während des Impulses wirkt nicht. Fehlt die 1, ist das Monoflop nachtriggerbar: Jeder neue Trigger startet die Zeit t_\mathrm{M} neu, der Impuls verlängert sich.

Schritt 2: Die astabile Transistor-Kippstufe

Die klassische astabile Kippstufe besteht aus zwei Transistorstufen, die sich über Kondensatoren gegenseitig sperren:

• Leitet K1, springt sein Kollektor von +U_\mathrm{B} auf etwa 0 V. Dieser Sprung wird über C_2 auf die Basis von K2 übertragen, die dadurch weit negativ wird: K2 sperrt.

• C_2 lädt sich über R_\mathrm{B2} um. Erreicht die Basis von K2 etwa 0,7 V, leitet K2. Jetzt sperrt umgekehrt K1 über C_1, bis C_1 über R_\mathrm{B1} umgeladen ist – und so weiter.

• Die Basis wird dabei von etwa -U_\mathrm{B} in Richtung +U_\mathrm{B} umgeladen und kippt bei etwa 0 V, also nach der Hälfte des Weges. Daraus ergibt sich für jede Sperrzeit:

t_1 = \ln 2 \cdot R_\mathrm{B1} \cdot C_1 \approx 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B1} \cdot C_1 \qquad t_2 \approx 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B2} \cdot C_2 \qquad T = t_1 + t_2 \qquad f = \frac{1}{T}

• Am Kollektor eines Transistors liegt High, solange dieser Transistor sperrt.

• Damit der leitende Transistor sicher übersteuert ist, muss der Basisstrom reichen: R_\mathrm{B} \le B \cdot R_\mathrm{C} (mit der Stromverstärkung B, praktisch mit Sicherheitsfaktor).

Beispiel: Eine LED-Blinkschaltung mit R_\mathrm{B1} = R_\mathrm{B2} = 47\ \mathrm{k\Omega} und C_1 = C_2 = 10\ \mathrm{\mu F} hat t_1 = t_2 = 0{,}693 \cdot 47\ \mathrm{k\Omega} \cdot 10\ \mathrm{\mu F} \approx 0{,}326\ \mathrm{s}, also T \approx 0{,}651\ \mathrm{s} und f \approx 1{,}54\ \mathrm{Hz}. Mit ungleichen Werten in beiden Hälften wird der Tastgrad ungleich 50 %.

Ersetzt Du einen Koppelkondensator durch einen Widerstand, entsteht eine monostabile, ersetzt Du beide, eine bistabile Kippstufe.

Schritt 3: Der Zeitgeber NE555 von innen

Der 555 (bipolar als NE555, in CMOS-Technik z. B. als TLC555 oder ICM7555; der 556 enthält zwei davon) vereint alles, was eine Kippstufe braucht, in einem achtpoligen IC (Bild am Anfang des Artikels):

• Spannungsteiler aus drei gleichen Widerständen (beim NE555 je 5 kΩ): Er erzeugt die Vergleichsspannungen \frac{2}{3}U_\mathrm{B} und \frac{1}{3}U_\mathrm{B}.

• Komparator K1 (Schwelle, THRESHOLD): Steigt die Spannung an Pin 6 über \frac{2}{3}U_\mathrm{B}, setzt er das Flipflop zurück.

• Komparator K2 (TRIGGER): Fällt die Spannung an Pin 2 unter \frac{1}{3}U_\mathrm{B}, setzt er das Flipflop.

• RS-Flipflop: speichert, welcher Komparator zuletzt angesprochen hat. Gesetzt (Q = 1) bedeutet Ausgang High.

• Endstufe: Gegentaktstufe an Pin 3, die Strom liefern und aufnehmen kann (NE555 bis etwa 200 mA).

• Entladetransistor an Pin 7 (DISCHARGE): wird von \overline{\mathrm{Q}} angesteuert und schaltet nach Masse durch, solange der Ausgang Low ist. Über ihn wird der Zeitkondensator entladen.

• Reset (Pin 4, Low-aktiv): Eine Spannung unter etwa 0,7 V setzt den Ausgang sofort auf Low, unabhängig von allem anderen. Im Normalbetrieb liegt Pin 4 an +U_\mathrm{B}.

• CONTROL (Pin 5): führt den \frac{2}{3}-Abgriff heraus. Ohne Steuerfunktion kommt hier ein Kondensator von etwa 10 nF gegen Masse hin, der Störungen von der Schwelle fernhält (Schritt 6).

Weil beide Schwellen ein fester Bruchteil von U_\mathrm{B} sind und sich auch der Kondensator in Richtung U_\mathrm{B} lädt, kürzt sich die Betriebsspannung aus den Zeitformeln heraus: Die Zeiten des NE555 hängen (fast) nicht von der Betriebsspannung ab.

Kennwerte aus dem Datenblatt: Datenblätter sind meist englisch. Für den NE555 findest Du z. B. folgende Angaben (typische Werte, je nach Hersteller leicht verschieden):

Achte beim Ablesen auf die Bedingungen in der Spalte „Test conditions“ (z. B. V_\mathrm{CC} = 5\ \mathrm{V} oder 15\ \mathrm{V}) und darauf, ob min., typ. oder max. angegeben ist. Grenzwerte (Absolute Maximum Ratings) dürfen nie erreicht werden; Betriebswerte stehen unter „Recommended Operating Conditions“.

Schritt 4: Der NE555 als astabile Kippstufe

In der astabilen Grundschaltung (Bild am Anfang) liegen R_\mathrm{A}, R_\mathrm{B} und C in Reihe an U_\mathrm{B}. THRES und TRIG sind verbunden und messen beide die Kondensatorspannung u_C, DIS liegt zwischen R_\mathrm{A} und R_\mathrm{B}:

1. Impuls (Ausgang High): Der Entladetransistor sperrt. C lädt sich über R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B} von \frac{1}{3}U_\mathrm{B} auf \frac{2}{3}U_\mathrm{B}.

2. Bei \frac{2}{3}U_\mathrm{B} setzt K1 das Flipflop zurück: Ausgang Low, Pin 7 schaltet nach Masse.

3. Pause (Ausgang Low): C entlädt sich nur über R_\mathrm{B} nach Masse, bis \frac{1}{3}U_\mathrm{B} erreicht sind.

4. Bei \frac{1}{3}U_\mathrm{B} setzt K2 das Flipflop: Ausgang High, der Entladetransistor sperrt, und alles beginnt von vorn.

Beim Laden von \frac{1}{3} auf \frac{2}{3} der Endspannung und beim Entladen von \frac{2}{3} auf \frac{1}{3} vergeht jeweils \ln 2 \cdot \tau \approx 0{,}693 \cdot \tau (Herleitung im Artikel Kondensator und Spule im Schaltvorgang). Daraus folgen die Datenblattformeln:

t_\mathrm{i} = 0{,}693 \cdot (R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B}) \cdot C \qquad t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B} \cdot C \qquad T = t_\mathrm{i} + t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot (R_\mathrm{A} + 2 R_\mathrm{B}) \cdot C

f = \frac{1}{T} = \frac{1{,}44}{(R_\mathrm{A} + 2 R_\mathrm{B}) \cdot C} \qquad g = \frac{t_\mathrm{i}}{T} = \frac{R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B}}{R_\mathrm{A} + 2 R_\mathrm{B}}

Mit t_\mathrm{i} als Impulsdauer (High), t_\mathrm{p} als Pausendauer (Low) und dem Tastgrad g (engl. duty cycle).

Beispiel: U_\mathrm{B} = 9\ \mathrm{V}, R_\mathrm{A} = 1\ \mathrm{k\Omega}, R_\mathrm{B} = 6{,}8\ \mathrm{k\Omega}, C = 100\ \mathrm{nF}:

• t_\mathrm{i} = 0{,}693 \cdot 7{,}8\ \mathrm{k\Omega} \cdot 100\ \mathrm{nF} \approx 0{,}541\ \mathrm{ms}

• t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot 6{,}8\ \mathrm{k\Omega} \cdot 100\ \mathrm{nF} \approx 0{,}471\ \mathrm{ms}

• T \approx 1{,}01\ \mathrm{ms}, f \approx 988\ \mathrm{Hz}, g \approx 53{,}4\ \%

Das Diagramm zeigt die Kondensatorspannung, die zwischen 3 V und 6 V pendelt, und das Ausgangssignal. Der erste Impuls nach dem Einschalten ist länger (t = (R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B}) \cdot C \cdot \ln 3 \approx 0{,}857\ \mathrm{ms}), weil C bei 0 V beginnt:

Der Tastgrad liegt immer über 50 %, weil beim Laden R_\mathrm{A} zusätzlich im Weg liegt. Je kleiner R_\mathrm{A} gegenüber R_\mathrm{B}, desto näher kommt g an 50 %; R_\mathrm{A} darf aber nicht 0 sein, sonst schließt der Entladetransistor U_\mathrm{B} kurz (Richtwert: R_\mathrm{A} \ge 1\ \mathrm{k\Omega}).

Dimensionieren für Frequenz und Tastgrad:

1. C wählen (z. B. so, dass die Widerstände zwischen etwa 1 kΩ und 1 MΩ liegen).

2. T = 1 : f, dann t_\mathrm{i} = g \cdot T und t_\mathrm{p} = T - t_\mathrm{i} berechnen.

3. R_\mathrm{B} = t_\mathrm{p} : (0{,}693 \cdot C) und R_\mathrm{A} = t_\mathrm{i} : (0{,}693 \cdot C) - R_\mathrm{B}.

4. Normwerte (E12 bzw. E24) wählen und f und g mit ihnen nachrechnen.

Beispiel: f = 500\ \mathrm{Hz}, g = 60\ \%, C = 100\ \mathrm{nF}: T = 2\ \mathrm{ms}, t_\mathrm{i} = 1{,}2\ \mathrm{ms}, t_\mathrm{p} = 0{,}8\ \mathrm{ms}; R_\mathrm{B} \approx 11{,}5\ \mathrm{k\Omega} → 12 kΩ, R_\mathrm{A} \approx 17{,}3\ \mathrm{k\Omega} - 11{,}5\ \mathrm{k\Omega} = 5{,}77\ \mathrm{k\Omega} → 5,6 kΩ. Nachgerechnet: f \approx 487\ \mathrm{Hz}, g \approx 59{,}5\ \%.

Tastgrad unter 50 %: Eine Diode parallel zu R_\mathrm{B} (Anode an Pin 7, Katode an Pin 6/2) überbrückt R_\mathrm{B} beim Laden. Dann gilt näherungsweise (Diodenspannung vernachlässigt) t_\mathrm{i} \approx 0{,}693 \cdot R_\mathrm{A} \cdot C und t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B} \cdot C – Impuls- und Pausendauer lassen sich unabhängig einstellen. Wird zusätzlich der Ausgang invertiert, gilt dasselbe für die Pausendauer.

Einstellbereich mit Trimmer: Besteht R_\mathrm{B} aus einem Festwiderstand R_\mathrm{B,fest} und einem Trimmer R_\mathrm{T} in Reihe, liegt die größte Frequenz bei Trimmer auf 0 Ω, die kleinste bei Trimmer am Anschlag:

f_\mathrm{max} = \frac{1{,}44}{(R_\mathrm{A} + 2 R_\mathrm{B,fest}) \cdot C} \qquad f_\mathrm{min} = \frac{1{,}44}{(R_\mathrm{A} + 2 (R_\mathrm{B,fest} + R_\mathrm{T})) \cdot C}

Mit R_\mathrm{A} = 1\ \mathrm{k\Omega}, R_\mathrm{B,fest} = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega}, R_\mathrm{T} = 10\ \mathrm{k\Omega} und C = 100\ \mathrm{nF} reicht der Bereich von etwa 474 Hz bis 1,39 kHz. Der Festwiderstand begrenzt die Höchstfrequenz und schützt davor, dass bei Trimmer auf 0 Ω nur noch R_\mathrm{A} wirkt.

Schritt 5: Der NE555 als monostabile Kippstufe

• Ruhezustand: Der Ausgang ist Low, der Entladetransistor hält C entladen (u_C \approx 0\ \mathrm{V}). Der Triggereingang liegt über \frac{1}{3}U_\mathrm{B} (meist über einen Pull-up-Widerstand an U_\mathrm{B}).

• Auslösen: Fällt die Spannung an TRIG kurz unter \frac{1}{3}U_\mathrm{B}, setzt K2 das Flipflop: Ausgang High, der Entladetransistor sperrt, C lädt sich über R.

• Zurückkippen: Erreicht u_C den Wert \frac{2}{3}U_\mathrm{B}, setzt K1 das Flipflop zurück: Ausgang Low, C wird schlagartig entladen.

Laden von 0 auf \frac{2}{3} der Endspannung dauert \ln 3 \cdot \tau \approx 1{,}1 \cdot \tau:

t_\mathrm{M} = \ln 3 \cdot R \cdot C \approx 1{,}1 \cdot R \cdot C

Beispiel: R = 100\ \mathrm{k\Omega}, C = 10\ \mathrm{\mu F}: t_\mathrm{M} = 1{,}1 \cdot 100\ \mathrm{k\Omega} \cdot 10\ \mathrm{\mu F} = 1{,}1\ \mathrm{s}. Für eine geforderte Zeit stellst Du nach C = t_\mathrm{M} : (1{,}1 \cdot R) bzw. R = t_\mathrm{M} : (1{,}1 \cdot C) um und wählst einen Normwert; bei Elkos ist die Toleranz groß (oft ±20 %), für genaue Zeiten kommt ein Trimmer in Reihe zu R.

Wichtig für das Impulsdiagramm:

• Der Triggerimpuls muss kürzer als t_\mathrm{M} sein. Bleibt TRIG länger als t_\mathrm{M} unter \frac{1}{3}U_\mathrm{B}, bleibt auch der Ausgang so lange High.

• Weitere Trigger während des Impulses ändern nichts: Der NE555 ist als Monoflop nicht nachtriggerbar. Nachtriggerbare Monoflops (z. B. 74HC123) beginnen bei jedem Trigger von vorn – nützlich für eine Bewegungsmelder-Beleuchtung, die bei jeder Bewegung wieder die volle Zeit läuft.

• Ein Low an \overline{\text{RESET}} bricht den Impuls sofort ab.

Schritt 6: Steuereingang, VCO und Frequenz-Spannungs-Wandlung

Spannung an CONTROL: Legt man an Pin 5 eine Spannung U_\mathrm{CV}, werden die Schwellen zu U_\mathrm{CV} (oben) und \frac{1}{2}U_\mathrm{CV} (unten). Für die astabile Schaltung gilt dann allgemein mit der Umladeformel t = \tau \cdot \ln \frac{U_\mathrm{Ende} - U_\mathrm{Start}}{U_\mathrm{Ende} - U_\mathrm{Stopp}}:

t_\mathrm{i} = (R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B}) \cdot C \cdot \ln \frac{U_\mathrm{B} - \frac{1}{2}U_\mathrm{CV}}{U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CV}} \qquad t_\mathrm{p} = R_\mathrm{B} \cdot C \cdot \ln 2

Mit U_\mathrm{CV} = \frac{2}{3}U_\mathrm{B} ergeben sich wieder die Formeln aus Schritt 4. Eine kleinere Steuerspannung verkürzt die Impulsdauer, die Frequenz steigt; eine größere verlängert sie. Beim Beispiel aus Schritt 4 (U_\mathrm{B} = 9\ \mathrm{V}) ergibt U_\mathrm{CV} = 4{,}5\ \mathrm{V}: t_\mathrm{i} = 0{,}78\ \mathrm{ms} \cdot \ln 1{,}5 \approx 0{,}316\ \mathrm{ms}, die Pause bleibt 0,471 ms, f \approx 1{,}27\ \mathrm{kHz}. So wird der NE555 zum einfachen spannungsgesteuerten Oszillator oder – beim Monoflop – zum Pulsweitenmodulator.

VCO im PLL-Baustein: Ein VCO (Voltage Controlled Oscillator) erzeugt eine Frequenz, die von einer Steuerspannung abhängt. PLL-Bausteine wie der CD4046 enthalten einen VCO, dessen Frequenzbereich die äußeren Bauteile festlegen (R_1 und C_1 bestimmen die Höchstfrequenz, R_2 eine Mindestfrequenz). Das Datenblatt liefert dazu Kennlinien f_\mathrm{VCO} = f(U_\mathrm{VCO}) für verschiedene Werte von R, C und U_\mathrm{DD}. So liest Du ab:

1. Die Kurve wählen, deren Bedingungen (U_\mathrm{DD}, R_1, R_2, C_1) zur Schaltung passen.

2. Für eine gegebene Steuerspannung senkrecht nach oben bis zur Kurve gehen und waagerecht die Frequenz ablesen – oder umgekehrt für eine gewünschte Frequenz die nötige Steuerspannung.

3. Achsteilung beachten (linear oder logarithmisch!) und Ablesegenauigkeit angeben.

Bei einer annähernd linearen Kennlinie kannst Du auch aus zwei abgelesenen Punkten die Steilheit \Delta f : \Delta U in kHz/V bestimmen und damit rechnen.

Impulsfolge in proportionale Spannung umsetzen: Der umgekehrte Weg – eine Frequenz in eine Spannung wandeln – braucht man z. B. für Drehzahlanzeigen. Geeignet ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler: Ein Monoflop erzeugt bei jeder Eingangsflanke einen Impuls fester Dauer t_\mathrm{M} und fester Höhe U_\mathrm{H}, ein nachgeschalteter Tiefpass (RC-Glied oder OPV-Tiefpass) bildet den Mittelwert:

\overline{U} = U_\mathrm{H} \cdot t_\mathrm{M} \cdot f

Die Ausgangsspannung ist also proportional zur Frequenz, solange t_\mathrm{M} kleiner als die kleinste Periodendauer bleibt. Fertige ICs (z. B. LM2907, LM331) erledigen das mit höherer Genauigkeit. Bei der Auswahl hilft der Vergleich:

Schritt 7: RC-Oszillatoren und Funktionsgeneratoren

Schmitt-Trigger-Oszillator: Ein Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingang (z. B. 74HC14) und ein RC-Glied bilden den einfachsten Rechteckgenerator. Wie er funktioniert und wie Du ihn mit den Kippspannungen V_\mathrm{T+} und V_\mathrm{T-} berechnest, steht im Artikel Komparator, Fensterkomparator und Schmitt-Trigger (Schritt 11):

t_\mathrm{H} = R C \cdot \ln \frac{U_\mathrm{B} - V_\mathrm{T-}}{U_\mathrm{B} - V_\mathrm{T+}} \qquad t_\mathrm{L} = R C \cdot \ln \frac{V_\mathrm{T+}}{V_\mathrm{T-}} \qquad f = \frac{1}{t_\mathrm{H} + t_\mathrm{L}}

Mit zwei Dioden und zwei Widerständen statt eines R (je ein Weg für Laden und Entladen) lässt sich der Tastgrad unabhängig einstellen.

Oszillator mit zwei NAND-Gattern: Zwei als Inverter geschaltete CMOS-NAND-Gatter, ein Kondensator C und ein Widerstand R (plus ein Schutzwiderstand R_\mathrm{S} \approx 10 \cdot R am Eingang des ersten Gatters) bilden einen Rechteckgenerator mit der Faustformel

T \approx 2{,}2 \cdot R \cdot C \qquad f \approx \frac{1}{2{,}2 \cdot R \cdot C}

Der Faktor gilt für eine Schaltschwelle von etwa \frac{1}{2}U_\mathrm{DD}; weil die Schwelle streut, ist die Frequenz nur auf etwa ±20 % genau. Benutzt Du den zweiten Eingang des ersten NAND-Gatters als Freigabe, entsteht ein getasteter Oszillator: Bei Low an der Freigabe liegt der Ausgang des ersten Gatters fest auf High, die Schwingung steht; bei High schwingt die Schaltung. So kann z. B. ein Mikrocontroller einen Signalton ein- und ausschalten.

Die Übersicht fasst die Rechteckgeneratoren dieses Artikels zusammen:

Wien-Brücken-Oszillator: Für Sinusspannungen im NF-Bereich wird ein nichtinvertierender OPV-Verstärker über ein frequenzabhängiges Wien-Glied (Reihen-RC und Parallel-RC mit gleichen R und C) mitgekoppelt.

• Bei f_0 = \dfrac{1}{2\pi \cdot R \cdot C} hat das Wien-Glied die Phasenverschiebung 0° und teilt die Spannung auf ein Drittel.

• Die Schaltung schwingt, wenn der Verstärker das genau ausgleicht: V = 1 + R_\mathrm{K} : R_\mathrm{G} = 3 (Schwingbedingung: Schleifenverstärkung 1, Phase 0°). Eine Amplitudenstabilisierung (Dioden, NTC oder FET im Gegenkopplungszweig) hält V selbsttätig bei 3.

• Neu dimensionieren: Für eine andere Frequenz C wählen und R = 1 : (2\pi f_0 C) berechnen; zum Durchstimmen werden beide R gleichzeitig verändert (Stereo-Potenziometer).

Funktionsgenerator aus Schmitt-Trigger und Integrierer: Ein Schmitt-Trigger erzeugt ein Rechteck, ein nachgeschalteter Integrierer macht daraus ein Dreieck, das wieder auf den Schmitt-Trigger zurückgeführt wird. Am Ausgang des Schmitt-Triggers liegt also das Rechteck, am Ausgang des Integrierers das Dreieck; ein Diodennetzwerk kann das Dreieck zum Sinus formen. Die Berechnung steht im Artikel OPV-Rechenschaltungen und Messverstärker.

Funktionsgenerator-IC: Bausteine wie der XR2206 erzeugen Sinus, Dreieck und Rechteck mit wenigen äußeren Bauteilen. Die Datenblattformel für die Frequenz lautet dort f_0 = 1 : (R \cdot C) mit dem Zeitkondensator C und dem Zeitwiderstand R; empfohlen sind z. B. 4 kΩ bis 200 kΩ. Die Signalform wählst Du über die Beschaltung (z. B. ein Widerstand von etwa 200 Ω zwischen zwei Anschlüssen formt das Dreieck zum Sinus), die Amplitude über einen Widerstand am Amplitudeneingang; über einen Umschalteingang (FSK) wird zwischen zwei Zeitwiderständen und damit zwischen zwei Frequenzen umgeschaltet. Soll der Baustein eine andere Frequenz liefern, stellst Du die Datenblattformel nach dem fehlenden Bauteil um und prüfst, ob der neue Wert im empfohlenen Bereich liegt.

Schritt 8: Kippstufen messen und einstellen

Signale oszilloskopieren: Zum Prüfen einer Kippstufe misst Du meist zwei Signale gleichzeitig, z. B. Kondensator- und Ausgangsspannung oder Trigger und Ausgang eines Monoflops:

1. Beide Kanäle auf DC-Kopplung (sonst verschieben sich Pegel, und Rechtecke „hängen durch“), Nulllinien der Kanäle so legen, dass sich die Signale nicht verdecken.

2. Auf einen Kanal triggern (meist das Ausgangs- oder Eingangssignal), damit beide Signale zeitrichtig zueinander stehen.

3. Zeitablenkung so wählen, dass zwei bis drei Perioden sichtbar sind, Ablenkkoeffizienten so, dass jedes Signal mehrere Teilungen hoch ist.

4. Normgerecht übertragen: gemeinsame Zeitachse für alle Signale, je Signal eine Spannungsachse mit Einheit und Nulllinie, Kenngrößen (Amplitude, Spitze-Spitze-Wert, T, t_\mathrm{i}, t_\mathrm{p}) bemaßen.

Kenngrößen ablesen: Zeiten = Teilungen × Zeitablenkkoeffizient (z. B. 2,5 div · 0,2 ms/div = 0,5 ms), Spannungen = Teilungen × Ablenkkoeffizient. Daraus folgen f = 1 : T und g = t_\mathrm{i} : T. Minimal- und Maximalwert einer Spannung liest Du an der tiefsten bzw. höchsten Stelle des Signals ab; beim astabilen NE555 müssen sie bei \frac{1}{3}U_\mathrm{B} und \frac{2}{3}U_\mathrm{B} liegen. Die Anstiegszeit einer Flanke wird zwischen 10 % und 90 % der Amplitude gemessen. Der Effektivwert eines Rechtecks zwischen 0 und U_\mathrm{H} ist U_\mathrm{eff} = U_\mathrm{H} \cdot \sqrt{g}, bei einem symmetrischen Rechteck \pm \hat{u} gleich \hat{u}.

Einstellbereich messen und einstellen: Den Trimmer an einen Anschlag drehen, T messen, dann an den anderen Anschlag – so erhältst Du die kleinste und die größte einstellbare Frequenz (bzw. Anstiegszeit oder Tastgrad). Zum Einstellen auf einen Sollwert erst grob drehen, dann mit gedehnter Zeitbasis oder dem Frequenzzähler des Oszilloskops fein abgleichen. Liegt der Sollwert außerhalb des gemessenen Bereichs, muss ein Festwiderstand oder der Kondensator geändert werden (Schritt 4).

Digital gesteuerte Schaltungen dokumentieren: Wird die Frequenz oder Ausgangsspannung einer Baugruppe über Bitmuster umgeschaltet (z. B. Analogschalter, die verschiedene Widerstände oder Kondensatoren zuschalten), misst Du für jedes Eingangsbitmuster die Größen und hältst sie in einer Tabelle fest:

Gib im Protokoll immer auch die Messbedingungen an (Betriebsspannung, Messpunkt, Geräteeinstellungen).

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Kippstufen und Timer-IC

• Lade- und Entladekurven, Zeitkonstante und Umladeformel: Kondensator und Spule im Schaltvorgang

• Komparatoren, Hysterese und Schmitt-Trigger-Oszillator: Komparator, Fensterkomparator und Schmitt-Trigger

• Integrierer und Funktionsgenerator mit OPV: OPV-Rechenschaltungen und Messverstärker

Leitfragen

1. Woran unterscheidest Du astabile, monostabile und bistabile Kippstufen? Antwort

An der Zahl der stabilen Zustände: bistabil 2 (schaltet nur auf Steuersignal um, speichert), monostabil 1 (kippt nach einem Trigger für eine feste Zeit und kehrt zurück), astabil 0 (kippt ständig ohne Steuersignal). siehe Abschnitt „Schritt 1: Kippstufen im Überblick“

2. Was bedeutet das Dreieck an einem Eingang im Schaltzeichen, und was bedeutet die „1“ im Schaltzeichen eines Monoflops? Antwort

Das Dreieck kennzeichnet einen dynamischen, flankengesteuerten Eingang (ohne Negation steigende, mit Negation fallende Flanke). Die „1“ vor dem Impulssymbol bedeutet: nicht nachtriggerbar. siehe Abschnitt „Schritt 1: Kippstufen im Überblick“

3. Wie berechnest Du die Frequenz einer astabilen Transistor-Kippstufe? Antwort

Jede Sperrzeit ist t \approx 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B} \cdot C mit Basiswiderstand und Koppelkondensator der jeweiligen Seite; T = t_1 + t_2, f = 1 : T. siehe Abschnitt „Schritt 2: Die astabile Transistor-Kippstufe“

4. Welche Aufgaben haben die beiden Komparatoren, das Flipflop und der Entladetransistor im NE555? Antwort

K2 setzt das Flipflop, wenn TRIG unter \frac{1}{3}U_\mathrm{B} fällt (Ausgang High); K1 setzt es zurück, wenn THRES über \frac{2}{3}U_\mathrm{B} steigt (Ausgang Low). Das Flipflop speichert den Zustand, der Entladetransistor entlädt den Zeitkondensator, solange der Ausgang Low ist. siehe Abschnitt „Schritt 3: Der Zeitgeber NE555 von innen“

5. Warum hängen die Zeiten des NE555 kaum von der Betriebsspannung ab? Antwort

Beide Schaltschwellen sind feste Bruchteile von U_\mathrm{B}, und der Kondensator lädt sich in Richtung U_\mathrm{B}. In den Zeitformeln kürzt sich U_\mathrm{B} heraus. siehe Abschnitt „Schritt 3: Der Zeitgeber NE555 von innen“

6. Mit welchen Formeln berechnest Du Impulsdauer, Pausendauer, Frequenz und Tastgrad des astabilen NE555? Antwort

t_\mathrm{i} = 0{,}693 \cdot (R_\mathrm{A} + R_\mathrm{B}) \cdot C, t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B} \cdot C, f = 1{,}44 : ((R_\mathrm{A} + 2 R_\mathrm{B}) \cdot C), g = t_\mathrm{i} : T. siehe Abschnitt „Schritt 4: Der NE555 als astabile Kippstufe“

7. Wie erreichst Du beim astabilen NE555 einen Tastgrad unter 50 %? Antwort

Mit einer Diode parallel zu R_\mathrm{B}, die R_\mathrm{B} beim Laden überbrückt: t_\mathrm{i} \approx 0{,}693 \cdot R_\mathrm{A} \cdot C, t_\mathrm{p} = 0{,}693 \cdot R_\mathrm{B} \cdot C, also R_\mathrm{A} < R_\mathrm{B} wählen. siehe Abschnitt „Schritt 4: Der NE555 als astabile Kippstufe“

8. Wie berechnest Du die Impulsdauer eines monostabilen NE555, und was passiert bei einem zweiten Trigger während des Impulses? Antwort

t_\mathrm{M} \approx 1{,}1 \cdot R \cdot C. Der NE555 ist nicht nachtriggerbar: Ein weiterer Trigger während des Impulses wirkt nicht. siehe Abschnitt „Schritt 5: Der NE555 als monostabile Kippstufe“

9. Wie wirkt eine Spannung am CONTROL-Eingang auf die Frequenz, und wie liest Du die Frequenz eines VCO ab? Antwort

Die Steuerspannung verschiebt die Schwellen auf U_\mathrm{CV} und \frac{1}{2}U_\mathrm{CV}; eine kleinere Steuerspannung erhöht die Frequenz. Beim VCO die Kennlinie mit den passenden Bedingungen wählen, bei der Steuerspannung zur Kurve gehen und die Frequenz ablesen. siehe Abschnitt „Schritt 6: Steuereingang, VCO und Frequenz-Spannungs-Wandlung“

10. Mit welcher Schaltung setzt Du eine Impulsfolge in eine proportionale Spannung um? Antwort

Mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler: Monoflop (Impulse fester Dauer und Höhe) und Tiefpass; \overline{U} = U_\mathrm{H} \cdot t_\mathrm{M} \cdot f. siehe Abschnitt „Schritt 6: Steuereingang, VCO und Frequenz-Spannungs-Wandlung“

11. Wie berechnest Du einen Oszillator mit zwei NAND-Gattern, und wie wird er getastet? Antwort

Faustformel T \approx 2{,}2 \cdot R \cdot C. Der zweite Eingang des ersten Gatters wirkt als Freigabe: Low hält die Schwingung an, High lässt sie laufen. siehe Abschnitt „Schritt 7: RC-Oszillatoren und Funktionsgeneratoren“

12. Wie misst Du Kippstufen-Signale phasenrichtig und ermittelst den Einstellbereich eines Trimmers? Antwort

Beide Kanäle DC-gekoppelt, auf einen Kanal triggern, auf gemeinsamer Zeitachse übertragen und bemaßen. Für den Einstellbereich den Trimmer an beide Anschläge drehen und jeweils T bzw. f messen. siehe Abschnitt „Schritt 8: Kippstufen messen und einstellen“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Kippschaltung

• zum NE555: Wikipedia: NE555

• zum Datenblatt: Texas Instruments: NE555, SA555, SE555 Precision Timers

• zum Wien-Brücken-Oszillator: Wikipedia: Wien-Robinson-Oszillator

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Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Kippstufen und Timer-IC: Monoflop, Multivibrator und NE555” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/kippstufen-timer veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/analogtechnik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 11.11.2026.

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