Bistabile Kippstufe (Flipflop)

Ein Taster schaltet ein, ein zweiter schaltet aus, und dazwischen merkt sich die Schaltung, was zuletzt gedrückt wurde. Genau das leistet die bistabile Kippstufe: Sie hat zwei Zustände, in denen sie beliebig lange bleibt, und wechselt nur, wenn du sie von außen anstößt. In der Digitaltechnik heißt sie Flipflop, und jede Speicherzelle, jedes Register und jeder Zähler ist im Kern aus ihr aufgebaut.

Gegenüber der astabilen und der monostabilen Kippstufe fehlen hier die Kondensatoren: Beide Transistoren sind über Widerstände kreuzweise gekoppelt. Es gibt also keine Zeit, die abläuft, und kein Zurückkippen. Hier baust du ein RS-Flipflop an 5 V mit zwei Tastern und zwei LEDs, die den Zustand anzeigen.

Schaltplan

• T1, T2, BC547B: zwei NPN-Transistoren als Schalter. Immer leitet genau einer.
• R3, R4, 22 kΩ: die Kreuzkopplung. Jeder Kollektor versorgt über einen Festwiderstand die Basis des anderen Transistors.
• R1, R6, 4,7 kΩ: Pull-up-Widerstände an den Kollektoren. Über sie fließt der Basisstrom für die Gegenseite, ohne durch die LED zu müssen.
• R2, R5, 220 Ω, und LED1, LED2: die Anzeige. Rot heißt „aus“ (Q low), grün heißt „ein“ (Q high).
• S1, S2: Taster von den Basen nach Masse. S1 setzt das Flipflop, S2 setzt es zurück.
• Q, Q quer: die beiden gegensätzlichen Ausgänge an den Kollektoren, etwa für den Eingang eines Mikrocontrollers.

So funktioniert die Schaltung

Angenommen, T1 leitet. Sein Kollektor liegt bei 0,1 V, LED1 leuchtet rot. Über R3 sieht die Basis von T2 nur diese 0,1 V, T2 sperrt. Sein Kollektor wird von R6 hochgezogen, und über R4 fließt ein Basisstrom in T1 – der hält T1 leitend. Jeder Transistor sorgt also dafür, dass der andere im gerade herrschenden Zustand bleibt. Das ist eine Mitkopplung: Sie macht den Zustand stabil, solange die Versorgung anliegt.

Setzen. Drückst du S1, ziehst du die Basis von T1 auf Masse. T1 sperrt, sein Kollektor steigt über R1, und über R3 fließt nun Basisstrom in T2. T2 leitet, sein Kollektor fällt auf 0,1 V, und über R4 bekommt T1 keinen Basisstrom mehr. Lässt du S1 los, bleibt es dabei: T2 leitet, LED2 leuchtet grün, Q liegt hoch. Ein zweiter Druck auf S1 ändert nichts, denn T1 sperrt ja schon.

Rücksetzen. S2 macht dasselbe spiegelbildlich: Die Basis von T2 wird auf Masse gezogen, T1 übernimmt.

Beide Taster gleichzeitig. Dann sperren beide Transistoren, beide LEDs sind aus, Q und Q quer liegen beide hoch. Lässt du beide gleichzeitig los, entscheiden Bauteiltoleranzen, welcher Transistor gewinnt. Diesen Fall nennt man beim RS-Flipflop den verbotenen Zustand.

Die Pegel kommen aus einem einfachen Spannungsteiler: Pull-up, Koppelwiderstand und die Basis-Emitter-Strecke des leitenden Transistors. Das Verhalten als digitaler Speicher wird unter Logikfamilien eingeordnet.

Dimensionierung

1. LED-Zweige. Mit U_F ≈ 2,0 V für Rot: (5 V − 2,0 V − 0,1 V) / 220 Ω ≈ 13,2 mA. Die grüne LED mit etwa 2,1 V bekommt 12,7 mA.

2. Strom im leitenden Transistor. Zum LED-Strom kommt der Strom durch den Pull-up:

3. Basisstrom über die Kreuzkopplung. Er fließt vom Pluspol durch Pull-up und Koppelwiderstand in die Basis. Mit U_BE ≈ 0,65 V:

Der BC547B braucht für 14,2 mA bei der kleinsten Stromverstärkung von 200 genau 71 μA. Die Übersteuerung von 2,3 reicht für sichere Sättigung.

4. High-Pegel am gesperrten Kollektor. Der Basisstrom erzeugt an R1 einen Spannungsabfall:

An LED1 und R2 liegen damit nur 0,77 V. Eine rote LED braucht mindestens rund 1,5 V, um sichtbar zu leuchten – sie bleibt völlig dunkel. Ohne die Pull-ups müsste der Basisstrom durch die LED der gesperrten Seite fließen, und sie würde schwach glimmen.

Bauteilliste

Varianten

Definierter Einschaltzustand. Ein Kondensator von 100 nF von der Basis von T2 nach Masse hält T2 beim Einschalten kurz gesperrt. T1 gewinnt das Rennen, das Flipflop startet sicher mit Q = 0. Mehr zu solchen Schaltungen steht unter Power-on-Reset.

Mit Logikgattern. Zwei über Kreuz verbundene NAND-Gatter eines 74HC00 sind dasselbe Prinzip in integrierter Form, mit sauberen Pegeln und ohne Rechnen: RS-Flipflop mit NAND-Gattern.

Ein Taster für Ein und Aus. Koppelst du einen Taster über zwei Kondensatoren und Steuerdioden auf beide Basen, wechselt das Flipflop bei jedem Druck den Zustand. Aus diesem Kippglied entstehen Teiler durch 2, 4, 8 … (siehe Frequenzteiler mit Flipflops); für den Alltag ist der Ein-Aus-Taster mit IC einfacher und entprellt.

Schnelles Umschalten. Werden die Eingänge mit kurzen Impulsen statt mit Tastern angesteuert, legst du je 100 pF parallel zu R3 und R4. Diese Beschleunigungskondensatoren reichen die Flanke direkt an die Gegenbasis weiter und verkürzen die Schaltzeit deutlich.

Typische Fehler

• Nach dem Einschalten mal rot, mal grün: Das ist kein Defekt, sondern die Natur der Schaltung. Wenn es stört, den Kondensator für den Einschaltzustand nachrüsten.
• Die gesperrte LED glimmt: Der Pull-up fehlt oder ist zu hochohmig, sodass der Basisstrom der Gegenseite durch die LED fließt. Mit 4,7 kΩ bleibt sie dunkel.
• Taster ohne Wirkung: Der Taster sitzt an der Basis des Transistors, der ohnehin schon sperrt – das ist richtig so, er wirkt nur in einer Richtung. Wirkt auch der andere nicht, stimmt die Masseverbindung der Taster nicht.
• Kippt bei Störungen von selbst: Lange Leitungen zu den Tastern fangen Störspitzen ein. Ein Kondensator von 10 nF parallel zu jedem Taster hilft, ebenso kürzere Leitungen.

Selbsttest