Kippschwinger

Ein Kippschwinger ist eine Oszillatorschaltung, genauer ein Relaxationsoszillator, in der ein Energiespeicher wie beispielsweise ein Kondensator fortwährend geladen und in Kombination mit einem Bauelement mit fallender Kennlinie, wie einer Glimmlampe oder Unijunctiontransistor, entladen wird und dadurch eine Kippschwingung (Sägezahnschwingung) erzeugt wird. Durch zusätzliche Schaltungsteile wie analoge Komparatoren können weitere Schwingungsformen wie die Rechteckschwingung abgeleitet werden.

Geschichte

Kippschwinger mit Glimmlampe nach Pearson–Anson

Kennlinie einer Glimmlampe

Erste Kippschwinger gehen auf Arbeiten von Stephen Oswald Pearson und Horatio Saint George Anson aus Anfang der 1920er Jahre zurück.^[1][2] Sie verwendeten dafür eine Glimmlampe, welche parallel zu einem Kondensator C geschaltet ist, und über einen Widerstand R von einer Gleichspannungsquelle gespeist wird.

Die Funktion ergibt sich aufgrund der Kennlinie der Glimmlampe: Zunächst ist die Schaltung im Grundzustand und der Kondensator entladen. Er wird über den Widerstand langsam aufgeladen, bis die Spannung das Niveau im Punkt A der Kennlinie erreicht. Bei diesem Punkt setzt die Glimmentladung ein, die Glimmlampe leuchtet, und der Strom durch die Glimmlampe springt auf Wert, der dem Punkt C entspricht. Der Widerstand ist so hoch dimensioniert, dass dieser hohe Strom zu einer kontinuierlichen Entladung des Kondensators bis auf das Spannungsniveau von Punkt B führt. Bei Punkt B wird die nötige Haltespannung zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung in der Lampe unterschritten, die Lampe erlischt und wird hochohmig. Damit wird der Kondensator wieder über den Widerstand bis zum Erreichen der Spannung in Punkt A aufgeladen.

Dieser Zyklus läuft periodisch ab und lässt die Glimmlampe blinken. Je nach Typ Glimmlampe und der Dimensionierung der Bauelemente lassen sich unterschiedliche Blinkfrequenzen realisieren. Die Periodendauer t bestimmt sich mit den Bauelementewerten R und C zu:

$t = RC \cdot ln \left( \frac{U_0 - U_h}{U_0 - U_z} \right)$

mit der Zündspannung U_z im Punkt A und der Haltespannung U_h der Glimmlampe im Punkt B. Die Versorgungsspannung U₀ muss höher als die Zündspannung sein.

Elektronische Schaltung

Kippschwinger mit Schmitt-Trigger

Statt einer Glimmlampe kann in elektronischen Schaltungen jedes Bauelement mit einer negativen Kennlinie, das ist der fallende Kennlinienabschnitt zwischen den Punkten B und A in der Glimmlampenkennlinie, wie Relaisröhren oder Unijunctiontransistor in Verbindung mit einem Energiespeicher und geeigneter Dimensionierung als Kippschwinger eingesetzt werden. Relaisröhren und die später entwickelten Unijunctiontransistoren wurden durch integrierte Schaltungen wie den invertierenden Schmitt-Trigger abgelöst.

Zunächst sei der Kondensator C ungeladen. Dann ist die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers + 5 V. Der Kondensator wird über den Widerstand R aufgeladen und wenn die obere Schaltschwelle des Triggers (etwa 3 V) überschritten ist, kippt die Ausgangsspannung auf 0 V und der Kondensator wird über den Widerstand entladen. Nach kurzer Zeit ist die untere Schaltschwelle unterschritten, der Ausgang springt wieder auf + 5 V, und die Periode beginnt von vorne. Am Kondensator entsteht ein nahezu dreieckförmiger Spannungsverlauf, am Ausgang des Schmitt-Triggers kann ein rechteckförmiger Spannungsverlauf abgenommen werden.

Weitere elektronische Kippschwingerschaltungen basieren auf dem weit verbreiteten IC NE555.

Ein direkter Verwandter nach dem Funktionsprinzip ist der Multivibrator, der als zwei zusammengeschaltete Kippschwinger interpretiert werden kann.

Einzelnachweise

1. ↑ Stephen Oswald Pearson, Horatio Saint George Anson: Demonstration of Some Electrical Properties of Neon-filled Lamps, Proceedings of the Physical Society of London, Band 34, Nr. 1, Dezember 1921Seiten 175 – 176 doi:10.1088/1478-7814/34/1/435
2. ↑ Patent GB201374: Improvements in advertising and display apparatus. Angemeldet am 5. Juni 1922, veröffentlicht am 2. August 1923, Anmelder: Frederick Walter Baynes, Stephen Oswald Pearson.