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Flip-Flop
Ein Flip-Flop (deutsch: “Bistabile Kippstufe” oder “Bistabiler Multivibrator”) ist ein Schaltung mit zwei stabilen Zuständen, zwischen denen man durch abwechselndes Drücken zweier Taster oder durch abwechselndes kurzes Anlegen von 0 Volt an zwei Eingängen hin- und herschalten kann. Solange die beiden Taster offen sind oder an den beiden Eingängen kein Signal anliegt, verbleibt die Schaltung in ihrem augenblicklichen Zustand, sie kann sich also eine Information der Größe 1 Bit “merken” und ist damit eine Grundschaltung zum Aufbau eines elektronischen Speichers.
Bemerkungen:
- Der Speicher in Computern wird i.d.R. nicht mit Flip-Flops gebaut, sondern mit Kondensatoren, die ihre Ladung über eine beschränkte Zeitspanne halten können. Die untenstehende Schaltung wird aber in fast genau dieser Form verwendet, um Shift-Register, Zähler, Divider und weitere Bauelemente von Mikroprozessoren zu realisieren.
- Das im folgenden dargestellte Flip-Flop ist ein RS-Flip-Flop (d.h eines ohne Takteingang). Statt der Taster kann man auch $100\,\mathrm{k\Omega}$-Widerstände anbringen und als hochohmige Eingänge nach außen führen, siehe das Kapitel über Logikbausteine.
Erklärung der Funktionsweise
- Die Schaltung ist symmetrisch aufgebaut. Da die Transistoren fertigungsbedingt nicht identisch sind, wird beim Anschluss der Stromquelle einer der beiden Transistoren zuerst “durchschalten”. Nehmen wir an, es sei der linke Transistor.
- Die C-E-Strecke des linken Transistors hat damit einen sehr kleinen Widerstand, wodurch der Collector praktisch an 0 V anliegt. Da der linke Collector über den $10\,\mathrm{k\Omega}$-Widerstand an der Basis des rechten Transistors angeschlossen ist, fallen zwischen dieser und dem Emitter des rechten Transistors weniger als 0,7 V ab, der rechte Transistor sperrt also.
- Damit ist der Widerstand der C-E-Strecke des rechten Transistors deutlich höher als die Summe des Widerstands der rechten LED und des rechten LED-Vorwiderstands, womit fast die gesamten 5 V an der C-E-Strecke abfallen und am Collector fast 5 V anliegen.
- Diese sorgen für einen kleinen Stromfluss über den 10k-Widerstand zur Basis des linken Transistors, womit dieser seinen Zustand - durchgeschalten! - beibehalten kann. Die Schaltung ist stabil. Der Stromfluss über die rechte LED, den rechten 400-Ohm-Widerstand, den rechten 10kOhm-Widerstand und die Basis-Emitter-Strecke des linken Transistors ist groß genug, dass der linke Transistor durchschalten kann, aber gleichzeitig so klein, dass die rechte LED praktisch nicht leuchtet.
- Drückt man nun kurz den linken Taster, so liegt die Basis des linken Transistors auf 0 V.
- Damit kommt der Stromfluss durch die B-E-Strecke des linken Transistors zum Erliegen, wodurch der Transistor sperrt, d.h. auch durch die C-E-Strecke fließt kein Strom. Die linke LED erlischt und am linken Collector liegen fast 5 V an.
- Diese sorgen für einen kleinen Stromfluss über den 10k-Widerstand zur Basis des rechten Transistors, wodurch dieser durchschaltet und die rechte LED leuchtet. Auch dieser Zustand ist wieder stabil.
Video
Eine schöne - aber etwas vereinfachte - Erklärung wird im folgenden Video gegeben: