Структурная схема мультивибратора на транзисторах. Симметричный мультивибратор для светодиодов
Мультивибратор - прибор для создания несинусоидальных колебаний. На выходе получается сигнал любой другой формы, кроме синусоидальной волны. Частота сигнала в мультивибраторе определяется сопротивлением и емкостью, а не индуктивностью и емкостью. Мультивибратор состоит из двух каскадов усилителя, выход каждого каскада подается на вход другого каскада.
Принцип действия мультивибратора
Мультивибратор может создавать волну почти любой формы, в зависимости от двух факторов: сопротивления и емкости каждого из двух каскадов усилителя и от того, откуда в цепи снимается выход.
Например, если сопротивление и емкость двух каскадов равны, один каскад проводит 50% времени и другой каскад проводит 50% времени. Для обсуждения мультивибраторов в этом разделе предполагается, что сопротивление и емкость обоих каскадов равны. Когда эти условия существуют, выходной сигнал является прямоугольной волной.
Бистабильные мультивибраторы (или «флип-флоп») имеют два устойчивых состояния. В устойчивом состоянии один из двух каскадов усилителя находится в состоянии проводимости, а другой каскад не проводит. Для того, чтобы перейти от одного устойчивого состояния к другому, бистабильный мультивибратор должен получить внешний сигнал.
Этот внешний сигнал называется внешним импульсом триггера. Он инициирует переход мультивибратора из одного состояния в другое. Другой триггерный импульс необходим, чтобы перевести цепь обратно в ее исходное состояние. Эти триггерные импульсы называются «запуск» и «перезапуск».
Помимо бистабильного мультивибратора, существуют также моностабильный мультивибратор, который имеет только одно устойчивое состояние и астабильный мультивибратор, который не имеет устойчивого состояния.
РАДИОсигнал:
МУЛЬТИВИБРАТОР-1
Просто теория или теория по-простому
«МУЛЬТИ» - много, «ВИБРАТО» - вибрация, колебание, следовательно, «МУЛЬТИВИБРАТОР» - это устройство, которое создает (генерирует) много-много колебаний.
Разберемся сначала в том, как он создает колебания, или как в нем возникают колебания, а уж потом выясним, почему их много.
2. КАК СОЗДАТЬ МУЛЬТИВИБРАТОР?
Шаг №1.
Возьмем простейший усилитель НЧ (см. мою статью «Транзистор», п.4 на странице «Радиокомпоненты»):
(Здесь я не описываю его принцип действия).
Шаг №2.
Объединим два идентичных усилителя так, чтобы получился двухкаскадный УНЧ:
Шаг №3.
Соединим выход этого усилителя с его входом:
Возникнет так называемая положительная обратная связь (ПОС). Вы наверняка слышали свист, который издавали звуковые колонки, если человек с микрофоном становился слишком близко к ним. То же самое происходит с музыкальным центром в режиме «караоке», если поднести микрофон к колонкам. В любом таком случае сигнал с выхода усилителя поступает на его же вход, усилитель входит в режим самовозбуждения и превращается в автогенератор, возникает звук. Иногда усилитель может самовозбуждаться даже на ультразвуковых частотах. Короче – при изготовлении усилителей ПОС вредна и с ней всячески приходится бороться, но это уже несколько другая история.
Вернемся к нашему усилителю, охваченному ПОС, т.е. МУЛЬТИВИБРАТОРУ! Да, это уже он! Правда, изображать именно мультивибратор
принято так, как на рис. справа. Кстати, в сети имеется достаточное количество «извращенцев», которые рисуют эту схему и перевернутой, и на боку лежащей. Зачем это? Наверное, как в анекдоте, «чтобы отличаться». Или вы
делиться, или (есть такое русское слово!) вы
пендриться.
Мультивибратор можно собрать на транзисторах n-p-n или p-n-p:
Оценить работу мультивибратора можно на слух или зрительно. В первом случае нагрузкой должен быть звуковой излучатель, во втором – лампочка или светодиод:
В случае применения низкоомных динамиков, потребуется выходной трансформатор или дополнительный усилительный каскад:
Нагрузка может быть включена в оба плеча мультивибратора:
В случае применения светодиодов желательно включить дополнительные резисторы, роль которых и выполняют, в данном случае, R1 и R4.
3. КАК РАБОТАЕТ МУЛЬТИВИБРАТОР?
В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются положительные (отрицательные – здесь и далее в скобках для p-n-p транзисторов) напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 - через эмиттерный переход транзистора VТ2 и резистор R1; С2 - через эмиттерный переход транзистора V1 и резистор R4. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению положительные (отрицательные) напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение положительного (отрицательного) напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение положительного (отрицательного) напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое отрицательное (положительное) напряжение, например, из-за разницы коэффициентов передачи токов h21э (см. мою статью «Транзистор», п.4 на странице «Радиокомпоненты»), номиналов резисторов и конденсаторов, поскольку, даже при подборе идентичных пар, параметры элементов все равно будут несколько отличаться. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются. Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2, а открытым - транзистор V1. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1, сопротивление участка эмиттер-коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разрядки конденсатора С1 отрицательное (положительное) напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает положительное (отрицательное) напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания.
Работу мультивибратора иллюстрируют графики зависимостей напряжений Uбэ и Uк одного и второго транзисторов:
Как видно, мультивибратор генерирует, практически, «прямоугольные» колебания. Некоторое нарушение прямоугольной формы связано с переходными процессами в моменты отпирания транзисторов. Отсюда же видно, что сигнал можно «снимать» с любого транзистора. Просто наиболее принято изображать именно так, как это показано выше.
На практике можно считать форму колебаний мультивибратора «чисто прямоугольной»:
С одной стороны, кажется, что форма сигнала мультивибратора довольно простая. Но это не совсем так. Точнее, совсем не так
. Наиболее простая форма сигнала – это синусоида:
Если генератор создает идеальный
синусоидальный сигнал, то ему соответствует строго одна
определенная частота колебаний. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше в спектре сигнала присутствует частот, кратных основной. А форма сигнала мультивибратора довольно далека от синусоиды. Следовательно, если, например, частота его колебаний составляет 1000 Гц, то в спектре будут присутствовать частоты и 2000 Гц, и 3000 Гц, и 4000 Гц… и т.д. правда амплитуды этих гармоник
будут значительно меньше основного сигнала. Но они будут! Вот почему данный генератор называется МУЛЬТИ
вибратор.
Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, так и от сопротивления базовых резисторов. Если в мультивибраторе соблюдаются условия: R1=R4, R2=R3, R1
Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по упрощенной формуле:
, где f - частота в Гц, R - сопротивление базового резистора в кОм, С - ёмкость конденсатора связи в мкФ.
4. ИЗМЕНЕНИЕ ЧАСТОТЫ и не только
Как было отмечено выше, частота импульсов, генерируемых мультивибратором, определяется величинами разделительных конденсаторов и базовых резисторов. Из приведенной формулы видно, что увеличение емкости конденсаторов и/или увеличение сопротивления базовых резисторов ведет к уменьшению частоты мультивибратора и, соответственно, наоборот. Конечно, впаивать конденсаторы разной емкости или резисторы разного сопротивления можно, но лишь на стадии экспериментов. Оперативно частоту меняют переменным резистором R5 в базовых цепях:
Форма графика колебаний мультивибратора называется «меандр»:
Время от начала одного импульса до начала другого – период Т – состоит из:
tи – длительности импульса и tп – длительности паузы.
Отношение S=Т/tи - называется скважностью
. Для симметричного мультивибратора S=2.
Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения D=1/S. Для симметричного мультивибратора D=0,5.
Мультивибратор, схема которого показана ниже, вырабатывает прямоугольные импульсы. Частоту их повторения можно изменять в широких пределах, при этом скважность импульсов остаётся неизменной
.
Работа мультивибратора отличается тем, что в моменты времени, когда транзистор VТ1 закрыт, конденсатор С2 разряжается через цепочку, состоящую из диода VD3 и резистора R4, а также через резистор R3. Аналогично, когда закрыт транзистор VТ2, конденсатор С1 разряжается через диод VD2 и резисторы R4 и R5.
Частоту повторения импульсов можно регулировать в больших пределах, изменяя только сопротивление резистора R4.
Мультивибратор с данными деталей, показанными на схеме, генерирует импульсы с частотой повторения от 140 до 1400 Гц.
В мультивибраторе можно применить диоды Д2В-Д2И, Д9В-Д9Л, и любые маломощные транзисторы со структурой n-р-n или р-n-р. При использовании транзисторов со структурой р-n-р полярность включения всех диодов и источника питания необходимо поменять на обратную.
Если немного изменить включение резистора R7, то пучится мультивибратор с изменяемой скважностью
импульсов:
В зависимости от положения движка резистора R7данный мультивибратор становится несимметричным, и график его колебаний может быть, например, таким:
В одном и другом случаях меняется соотношение Т/tи – меняется скважность.
Понятно, надеюсь, также и то, что грубо менять скважность можно, установив конденсаторы разной емкости.
5. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР на транзисторах разной проводимости :
Несимметричный мультивибратор состоит из усилительного каскада на двух транзисторах, выход которого (коллектор транзистора VT2) соединен с входом (база транзистора VT1) через конденсатор C1. Нагрузкой является резистор R2, с которого снимается сигнал (вместо него может быть включен светодиод, лампочка накаливания или динамик). Транзистор VT1 прямой проводимости (p-n-p типа), открывается при подаче на базу отрицательного относительно эмиттера потенциала. Транзистор VT2 обратной проводимости (n-p-n типа), открывается при подаче на базу положительного относительно эмиттера потенциала.
При включении конденсатор C1 заряжается через резисторы R2 и R1, потенциал базы уменьшается. Когда на базе VT1 возникает отрицательный потенциал, транзистор VT1 открывается, сопротивление коллектор-эмиттер падает. База транзистора VT2 оказывается соединенной с положительным полюсом источника, транзистор VT2 также открывается, ток коллектора растет. В результате через R2 течет ток, конденсатор C1 разряжается через резистор R1 и транзистор VT2. Потенциал базы VT1 возрастает, транзистор VT1 закрывается, вызывая закрывание транзистора VT2. После этого конденсатор C1 снова заряжается, затем разряжается и т.д. Частота генерируемых импульсов обратно пропорциональна времени заряда конденсатора T ~ R1×C. С ростом напряжения питания конденсатор заряжается быстрее, частота генерируемых импульсов растет. При увеличении сопротивления резистора R1 или ёмкости конденсатора С1 частота колебаний уменьшается.
Реально частоту изменяют, например, так:
Примеры с сайта http://lessonradio.narod.ru/Diagram.htm
6. ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР
Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора.
Чтобы автоколебательный мультивибратор превратить в мультивибратор ждущий (см. схему из п. 3), надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора VT2 и базой транзистора VT1 включить резистор R3; между базой транзистора VT1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент на 1,5 В и резистор сопротивлением R5, но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора VТ1 подключить конденсатор С2, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала
. Исходное состояние транзистора VТ1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора VТ2 - открытое. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Миллиамперметр (на ток 10-15 мА) включить в коллекторную цепь транзистора V1 и, наблюдая за его стрелкой, включить между контактом УПР сигнал
и заземленным проводником, буквально на мгновение, один-два элемента ААА, соединенные последовательно (на схеме GB1). ВНИМАНИЕ: отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту УПР сигнал
. При этом стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала. Если повторить этот опыт несколько раз, то миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8 - 10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора VТ1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. Даже если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму УПР сигнал
, произойдет то же самое - на выходе мультивибратора появится только один импульс.
Если коснуться вывода базы транзистора VТ1 каким-либо металлическим предметом, взятым в руку, то, возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает - от электростатического заряда тела. Можно включить миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора VТ2. При подаче управляющего сигнала коллекторный ток этого транзистора должен резко уменьшиться почти до нуля, а затем так же резко увеличиться до значения тока открытого транзистора. Это тоже импульс тока, но отрицательной
полярности.
Каков принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора VТ2 и базой транзистора VТ1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3.
На базу транзистора VТ2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же VТ1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии VT1 может находиться сколько угодно времени. При появлении на базе транзистора VТ1 импульса напряжения отрицательной полярности транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор VТ1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор VТ2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор VТ1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор VТ2 тут же откроется, а транзистор VТ1 закроется. С этого момента мультивибратор вновь оказывается в исходном, устойчивом ждущем режиме. Таким образом, ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое
и одно неустойчивое
состояние
.
Во время неустойчивого состояния он генерирует один
прямоугольный импульс
тока (напряжения), длительность которого зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость этого конденсатора, тем больше длительность импульса. Так, например, при емкости конденсатора 50 мкФ мультивибратор генерирует импульс тока длительностью около 1,5 с, а с конденсатором емкостью 150 мкФ - раза в три больше. Через дополнительные конденсаторы - положительные импульсы напряжения можно снимать с выхода 1, а отрицательные с выхода 2. Только ли импульсом отрицательного напряжения, поданным на базу транзистора VТ1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора VТ2.
Как практически можно использовать ждущий мультивибратор? По-разному. Например, для преобразования синусоидального напряжения в импульсы напряжения (или тока) прямоугольной формы такой же частоты, или включения на какое-то время другого прибора путем подачи на вход ждущего мультивибратора кратковременного электрического сигнала.
Пример применения ждущего мультивибратора – индикатор максимального числа оборотов.
При обкатке нового автомобиля, число оборотов двигателя не должно превышать в течение определенного времени максимально допустимого значения, рекомендованного заводом-изготовителем.
Для контроля числа оборотов двигателя, можно воспользоваться устройством, собранным по приводимой здесь схеме. В качестве индикатора максимального числа оборотов двигателя использована лампа накаливания.
Основными частями тахометра являются ждущий мультивибратор на транзисторах Т1 и Т2 и триггер Шмитта на транзисторах T5 и Т6. Входной сигнал, поступающий с прерывателя, подается на дифференцирующую цепочку R4C1 (это необходимо для получения импульсов одинаковой длительности). Дальнейшее формирование сигнала выполняет мультивибратор. Диод Д1 не пропускает отрицательные полуволны входного сигнала на базу транзистора Т2. Импульсы, генерируемые мультивибратором, через эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т3, и интегрирующую цепочку R7C3 поступают на триггер Шмитта. Индикаторная лампа Л1, включенная в эмиттерную цепь транзистора T6, загорается только тогда, когда число оборотов двигателя станет больше заранее установленного (с помощью переменного резистора R8).
Калибровку готового прибора можно произвести по образцовому тахометру или по звуковому генератору. Так, например, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя 1500 об/мин соответствует частота звукового генератора 60 Гц, 3000 об/мин - 100 Гц, 6000 об/мин - 200 Гц и так далее.
При использовании деталей с данными, которые указаны на схеме, тахометр позволяет регистрировать от 500 до 10000 об/мин. Потребляемый ток - 20 мА.
Транзисторы ВС107 можно заменить на КТ315 с любым буквенным индексом. В качестве диода Д1 можно использовать любой кремниевый диод. Применение германиевых транзисторов и диодов не рекомендуется из-за тяжелого температурного режима.
7. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ МНОГОФАЗНЫЕ
получаются путём добавления усилительных каскадов и ПОС.
Трёхфазный мультивибратор:
Пример с сайта http://www.votshema.ru/324-simmetrichnyy-multivibrator.html
Четрёхфазный мультивибратор требует особых мер для обеспечения стабильности работы:
Пример с сайта http://www.moyashkola.net/krugok/r_begog.htm
8. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
Мультивибратор может быть выполнен на логических элементах, например, И-НЕ. Схема возможного варианта, например, такая:
Функцию активных элементов здесь выполняют логические элементы 2И-НЕ (см. мою статью «МИКРОСХЕМА» на стр. «РАДИОкомпоненты»), включенные инверторами. Благодаря ПОС между выходом DD1.2 и входом DD1.1, а также выходом DD1.1 и входом DD1.2, создаваемым конденсаторами С1 и С2, устройство возбуждается и генерирует электрические импульсы. Частота следования импульсов зависит от номиналов конденсаторов и резисторов R1 и R2. Уменьшив емкости конденсаторов до 1…5 мкФ получим звуковую частоту 500…1000 Гц. Головной телефон надо подключить к одному из выходов мультивибратора через конденсатор емкостью 0,01…0,015 мкФ.
Иногда этот же мультивибратор изображают так:
Мультивибратор может быть выполнен на трёх логических элементах:
Все элементы включены инверторами и соединены последовательно. Времязадающая цепочка образована С1 и R1. В качестве индикатора можно использовать лампочку накаливания. Для плавного изменения частоты вместо R1 следует включить переменный резистор на 1,5 кОм. 
Если ёмкость конденсатора будет 1 мкФ, то частота колебаний станет звуковой.
Как работает такой мультивибратор? После включения какой-то из логических элементов первым примет одно из возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Пусть это будет элемент DD1.2, который оказался в единичном состоянии. Через элементы DD1.1 и DD1.2 мгновенно заряжается конденсатор, и элемент DD1.1 оказывается в нулевом состоянии. В таком же состоянии оказывается элемент DD1.3, поскольку на его входе логическая 1. Такое состояние неустойчиво, потому что на выходе DD1.3 логический 0, и конденсатор начинает разряжаться через резистор и выходной каскад элемента DD1.3. По мере разрядки положительное напряжение на входе элемента DD1.1 уменьшается. Как только оно станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD1.2 – в нулевое. Конденсатор начнет заряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе теперь уровень логической 1), резистор и элемент DD1.2. Вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключатся в противоположные состояния. Так формируются электрические импульсы на выходе мультивибратора – на инверсном выходе элемента DD1.3.
«Трёхэлементный» мультивибратор можно упростить, удалив из него DD1.3:
Работает он аналогично предыдущему. Именно такой мультивибратор чаще всего применяется в различных радиоэлектронных устройствах.
На логических элементах можно сделать и ждущий мультивибратор. Как и предыдущий, он построен на 2-х логических элементах.
Первый DD1.1 используется по своему прямому назначению – как элемент 2И-НЕ. Кнопка SB1 выполняет функцию датчика запускающих сигналов. Для индикации импульсов используется, например, светодиод. Длительность импульсов можно увеличивать, увеличивая ёмкость С1 и сопротивление R1. Вместо R1 можно включить переменный (подстроечный) резистор сопротивлением около 2 кОм (но не более 2,2 кОм) для изменения длительности импульсов в некоторых пределах. Но при сопротивлении менее 100 Ом мультивибратор перестанет работать.
Принцип действия. В начальный момент нижний вывод элемента DD1.1 ни с чем не соединён – на нём уровень логической 1. А для элемента 2И-НЕ этого достаточно, чтобы он оказался в нулевом состоянии. На входе DD1.2 также уровень логического 0, поскольку падение напряжения на резисторе, создаваемое входным током элемента, удерживает входной транзистор элемента в закрытом состоянии. Напряжение логической 1 на выходе этого элемента поддерживает первый элемент в нулевом состоянии. При нажатии кнопки на вход первого элемента подаётся запускающий импульс отрицательной полярности, который переключает элемент DD1.1 в единичное состояние. Возникающий в этот момент скачок положительного напряжения на его выходе передаётся через конденсатор на входы второго элемента и переключает его из единичного состояния в нулевое. Такое состояние элементов остаётся и после окончания действия запускающего импульса. С момента появления положительного импульса на выходе первого элемента начинает заряжаться конденсатор – через выходной каскад этого элемента и резистор. По мере зарядки напряжение на резисторе падает. Как только оно достигнет порогового, второй элемент переключится в единичное состояние, а первый – в нулевое. Конденсатор быстро разрядится через выходной каскад первого элемента и водной каскад второго, и устройство окажется в ждущем режиме.
Следует иметь ввиду, что для нормальной работы мультивибратора длительность запускающего импульса должна быть меньше длительности формируемого.
P.S. Тема "МУЛЬТИВИБРАТОР" является примером творческого подхода к изучению электрических колебаний в курсе школьной физики. И не только. Создание простых схем, моделирование их работы, наблюдение и измерение электрических величин - это выход далеко за рамки обычной школьной физики и информатики. А создание реальных устройств совершенно меняет представление молодых людей о том, что и как можно ИЗУЧАТЬ в школе (терпеть не могу слово "УЧИТЬ").
Мультивибратор (от латинского много колеблю) - нелинейное устройство, преобразующее постоянное напряжение питания в энергию импульсов почти прямоугольной формы. В основе мультивибратора лежит усилитель с положительной обратной связью.
Различают мультивибраторы автоколебательные и ждущие. Рассмотрим первый тип.
На рис. 1 приведена обобщенная схема усилителя с обратными связями.
Схема содержит усилитель с комплексным коэффициентом усиления к=Ке-iк, цепь ООС с коэффициентом передачи m, и цепь ПОС с комплексным коэффициентом передачи В=е-i. Из теории генераторов известно, что для возникновения колебаний на какой-либо частоте необходимо что бы на ней выполнялось условие Вк>1. Импульсный периодический сигнал содержит совокупность частот, образующих линейчатый спектр (см.1-ю лекцию). Т.о. для генерации импульсов необходимо выполнения условия Вк>1не на одной частоте, а в широкой полосе частот. Причем, чем более короткий импульс и с более короткими фронтами сигнал требуется получить, для более широкой полосы частот требуется выполнения условия Вк>1. Приведенное условие распадается на два:
условие баланса амплитуд - модуль общего коэффициента передачи генератора должен превышать 1 в широком диапазоне частот - К>1;
условие баланса фаз - суммарный сдвиг фаз колебаний в замкнутом контуре генератора в том же диапазоне частот должен быть кратен 2 - к + =2n.
Качественно процесс скачкообразного роста напряжения происходит следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в результате флюктуаций напряжение на входе генератора возросло на малую величину u. В результате выполнения обоих условий генерации на выходе устройства появится приращение напряжения: uвых=Вкuвх >uвх, которое передается на вход в фазе с исходным uвх. Соответственно это увеличение приведет к дальнейшему возрастанию выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс роста напряжения в широком диапазоне частот.
Задача построения практической схемы генератора импульсов сводится к подаче на вход широкополосного усилителя части выходного сигнала с разностью фаз =2. Поскольку один резистивный усилитель сдвигает фазу входного напряжения на 1800, то применяя два последовательно соединенных усилителя, можно удовлетворить условию баланса фаз. Условие баланса амплитуд будет выглядеть в этом случае следующим образом:
Одна из возможных схем, реализующий указанный метод, приведена на рис.2. Это схема автоколебательного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. В схеме используются два усилительных каскада. Выход одного усилителя связан со входом второго конденсатором С1, а выход последнего связан со входом первого - конденсатором С2.
Качественно работу мультивибратора рассмотрим с использованием временных диаграмм напряжений (эпюр), приведенных на рис. 3.
Пусть в момент времени t=t1 происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT1 попадает в режим насыщения, а VT2 - в режим отсечки. С этого момента начинаются процессы перезарядки конденсаторов С1 и С2. До момента t1 конденсатор С2 был полностью разряжен, а С1 заряжен до напряжения питания Еп (полярность заряженных конденсаторов указана на рис.2). После отпирания VT1 начинается его зарядка от источника Еп через резистор Rк2 и базу отпертого транзистора VT1. Конденсатор заряжается практически до напряжения питания Еп с постоянной заряда
зар2 = С2Rк2
Поскольку С2 через открытый VT1 подсоединен параллельно VT2, то скорость его зарядки определяет скорость изменения выходного напряжения Uвых2.. Полагая процесс зарядки законченным когда Uвых2 = 0,9Uп, легко получить длительность
t2-t1= С2Rк2ln102,3С2Rк2
Одновременно зарядке С2 (начиная с момента t1) происходит перезарядка конденсатора С1. Его отрицательное напряжение, приложенное к базе VT2, поддерживает запертое состояние этого транзистора. Конденсатор С1 перезаряжается по цепи: Еп, резистор Rб2, С1, Э-К открытого транзистора VT1. корпус с постоянной времени
разр1 = С1Rб2
Так как Rб >>Rк, то и зар<<разр. Следовательно, С2 успевает зарядиться до Еп пока VT2 еще закрыт. Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент времени t5, когда UC1=0 и начинает открываться VT2 (для простоты считаем, что VT2 открывается при Uбє=0). Можно показать, что длительность перезаряда С1 равна:
t3-t1 = 0,7C1Rб2
В момент времени t3 появляется коллекторный ток VT2, падает напряжение Uкэ2, что приводит к призакрыванию VT1 и, соответственно, к росту Uкэ1. Это приращение напряжение через С1 передается в базу VT2, что влечет дополнительное открытие VT2. Транзисторы переходят в активный режим, возникает лавинообразный процесс, в результате которого мультивибратор переходит в другое квазистационарное состояние: VT1 закрыт, VT2 - открыт. Длительность опрокидывания мультивибратора намного меньше всех других переходных процессов и ее можно считать равным нулю.
С момента t3 процессы в мультивибраторе пойдут аналогично описанному, следует лишь поменять местами индексы у элементов схемы.
Таким образом, длительность фронта импульса определяется процессами заряда конденсатора связи и численно равна:
Длительность нахождения мультивибратора в квазиустойчивом состоянии (длительность импульса и паузы) определяется процессом разряда конденсатора связи через базовый резистор и численно равна:
При симметричной схеме мультивибратора (Rк1 =Rк2 =Rк, Rб1 =Rб2 =Rб, С1=С2=С) длительность импульса равна длительности паузы, и период следования импульсов равен:
Т = и + п =1,4CRб
Сравнивая длительности импульса и фронта необходимо учесть, что Rб/Rк=h21э/s (h21э для современных транзисторов 100, а s2). Следовательно, длительность фронта всегда меньше длительности импульса.
Частота выходного напряжения симметричного мультивибратора не зависит от напряжения питания и определяется только параметрами схемы:
Для изменения длительности импульсов и периода их следования нужно варьировать величины Rб и С. Но возможности здесь невелики: пределы изменения Rб ограничены сбольшей стороны необходимостью сохранения открытого транзистора, с меньшей стороны - неглубокого насыщения. Изменять плавно величину С затруднительно даже в малых пределах.
Чтобы найти выход из затруднения обратимся к периоду времени t3-t1 на рис. 2. Из рисунка видно, что указанный интервал времени, а, следовательно, и длительность импульса можно регулировать изменяя наклон прямой разряда конденсатора. Этого можно добиться, подключая базовые резисторы не к источнику питания, а к дополнительному источнику напряжения Есм (см. рис. 4). Тогда конденсатор стремится перезарядиться не к Еп, а к Есм и крутизна экспоненты будет изменяться с изменением Есм.
Импульсы, генерируемые рассмотренными схемами, имеют большую длительность фронта. В ряде случаев эта величина становится неприемлемой. Для укорачивания ф в схему вводят отсекающие конденсаторы, как показано на рис.5. Конденсатор С2 заряжается в этой схеме не через Rз, а через Rд. Диод VD2, оставаясь закрытым, «отсекает» напряжение на С2 от выхода и напряжение на коллекторе возрастает практически одновременно с закрытием транзистора.
В мультивибраторах в качестве активного элемента можно использовать операционный усилитель. Автоколебательный мультивибратор на ОУ изображен на рис. 6.
ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной
и отрицательной
Хс/(Хс+R) = 1/(1+wRC).
Пусть генератор был включен в момент t0. На инвертирующем входе напряжение равно нулю, на неинвертирующем - равновероятно положительное или отрицательное. Для определенности возьмем положительное. За счет ПОС на выходе установится максимально возможное напряжение - Uвых m. Время установления этого выходного напряжения определяется частотными свойствами ОУ и можно положить его равным нулю. Начиная с момента t0 конденсатор С будет заряжаться с постоянной времени =RC. До момента времени t1 Uд = U+ - U- >0, и на выходе ОУ удерживается положительное Uвыхm. При t=t1 , когда Uд = U+ - U- = 0 выходное напряжение усилителя изменит свою полярность на - Uвых m. После момента t1 емкость С перезаряжается, стремясь к уровню - Uвых m. До момента t2 Uд = U+ - U- < 0, что обеспечивает квазиравновесное состояние системы, но уже с отрицательным выходным напряжением. Т.о. изменение знака Uвых происходит в моменты уравнивания входных напряжений на двух входах ОУ. Длительность квазиравновесного состояния системы определяется постоянной времени =RC, и период следования импульсов будет равен:
Т=2RCln(1+2R2/R1).
Мультивибратор, приведенный на рис.6 называется симметричным, т.к. времена положительного и отрицательного выходных напряжений равны.
Для получения несимметричного мультивибратора следует резистор в ООС заменить на схему, как показано на рис. 7. Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечена разными постоянными времени перезаряда емкостей:
R"C, - = R”C.
Мультивибратор на ОУ легко превратить в одновибратор или ждущий мультивибратор. Во-первых, в цепи ООС параллельно С подсоединим диод VD1, как показано на рис.8. Благодаря диоду схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательно. Действительно, т.к. Uвых = - Uвых m, то диод открыт и напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю. В то время как напряжение на неинвертирующем входе равно
U+ =- Uвых m R2/(R1+R2)
и сохраняется устойчивое состояние схемы. Для генерации одного импульса в схему следует добавить цепь запуска, состоящую из диодаVD2, С1 и R3. Диод VD2 поддерживается в закрытом состоянии и может открыться только положительным входным импульсом, пришедшим на вход в момент времени t0. С открытием диода меняется знак и схема переходит в состояние с положительным напряжением на выходе. Uвых = Uвых m. После этого конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени =RC. В момент времени t1 напряжения на входя сравниваются. U- = U+ = Uвых m R2/(R1+R2) и =0. В следующий момент дифференциальный сигнал становится отрицательным и схема возвращается в устойчивое состояние. Эпюры приведены на рис. 9.
Применяются схемы ждущих мультивибраторов на дискретных и логических элементах.
Схема рассматриваемого мультивибратора аналогична рассмотренной ранее.
Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить,
а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент–Экзюпери
Многие радиолюбители, конечно же, сталкивались с технологией поверхностного монтажа печатных плат SMT (Surface mount technology), встречали элементы SMD (Surface mount device), монтируемые на поверхность и слышали о преимуществах поверхностного монтажа, который по праву называют четвертой революцией в электронной технике после изобретения лампы, транзистора и интегральной схемы.
Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.
Нужна практика в создании простых конструкций на SMD элементах, чтобы приобрести навыки, уверенность в своих силах, убедиться в перспективности поверхностного монтажа для себя лично. Ведь процесс изготовления печатной платы упрощается (не нужно сверлить отверстия, формовать выводы деталей), а получаемый выигрыш в плотности монтажа заметен невооруженным глазом.
Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.
Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы .
Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры
(рис. 1) является настоящим «бестселлером» в радиолюбительской литературе .
Рис. 1. Схема несимметричного мультивибратора
Подключая в схему те или иные внешние цепи, можно собрать не один десяток конструкций. Например, звуковой пробник, генератор для изучения азбуки Морзе, прибор для отпугивания москитов, основа одноголосого музыкального инструмента. А применение внешних датчиков или устройств управления в цепи базы транзистора VT1 позволяет получить сторожевое устройство, индикатор влажности, освещённости, температуры и многие другие конструкции.
--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов,
учредитель журнала «Датагор»
Список источников
1. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2005, 216 с. (с. 47 – 64).2. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. – М.: Альтекс-А, 2001. – 352 с.
3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания. Книга 4. – М.: Альтекс-А, 2002. – 176 с.
4. Низковольтная «мигалка». (За рубежом) // Радио, 1998, №6, с. 64.
5.
6.
7.
8. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС. – М:.Мир, 1989 (схема 46. Простой индикатор разряда батареи, с. 104; схема 47. Маркер фалиня (мигающий), с. 105).
9. Генератор на LM3909 // Радиосхема, 2008, №2.Специальность по диплому - радиоинженер, к.т.н.
Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.
Читательское голосование
Статью одобрили 66 читателей.
Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.Для генерирования прямоугольных импульсов с частотой свыше можно использовать схемы, работающие по тому же принципу, что и схема на рис. 18.32. Как показано на рис. 18.40, в качестве компаратора в таких схемах используют простейший дифференциальный усилитель.
Положительная обратная связь в схеме триггера Шмитта обеспечивается непосредственным соединением выхода усилителя с его -входом, т. е. сопротивление резистора в делителе напряжения выбирают равным нулю. Согласно формуле (18.16), в такой схеме должен был получиться бесконечно большой период колебаний, однако это не совсем так. При выводе этого уравнения предполагалось, что усилитель, используемый в качестве компаратора, имеет бесконечно большой коэффициент усиления, т.е. что процесс переключения схемы происходит при разности входных напряжений, равной нулю. В этом случае порог переключения схемы будет равен выходному напряжению, и напряжение на конденсаторе С достигнет этой величины только за очень большое время.
Рис. 18.40 Мультивибратор на базе дифференциального усилителя.
Схема дифференциального усилителя, на базе которой выполнен генератор на рис. 18.40, имеет довольно низкий коэффициент усиления. По этой причине схема переключится еще до того, как разность входных сигналов усилителя станет равной нулю. Если, например, такую схему реализовать, как показано на рис. 18.41, на базе линейного усилителя, изготовленного по ЭСЛ-технологии (например, на базе интегральной микросхемы то разность входных сигналов, при которой происходит переключение схемы, составит около При амплитуде выходного напряжения около типичной для схем, выполненных на базе ЭСЛ-технологии, период импульсов генерируемого сигнала равен
Рассмотренная схема позволяет генерировать импульсное напряжение с частотой до
Аналогичный генератор может быть также выполнен на основе ТТЛ-схем. Для этих целей подходит готовая микросхема-триггер Шмитта (например, 7414 или 74132), так как она уже имеет внутреннюю положительную обратную связь. Соответствующее включение такой микросхемы показано на рис. 18.42. Так как через резистор триггера Шмитта должен протекать входной ток ТТЛ-элемента, то его сопротивление не должно превышать 470 Ом. Это необходимо для уверенного переключения схемы на нижнем пороге срабатывания. Минимальная величина этого сопротивления определяется выходной нагрузочной способностью логического элемента и равняется около 100 Ом. Пороги срабатывания триггера Шмитта составляют 0,8 и 1,6 В. Для амплитуды выходного сигнала около 3 В, типичного для ИС ТТЛ-типа, частота импульсов генерируемого сигнала равна
Максимально достижимое значение частоты составляет около 10 МГц.
Наиболее высокие частоты генерации достигаются при использовании специальных схем мультивибраторов с эмиттерными связями (например, микросхемы или Принципиальная схема такого мультивибратора представлена на рис. 18.43. Кроме того, указанные интегральные микросхемы снабжены дополнительными оконечными каскадами, выполненными на базе ТТЛ- или ЭСЛ-схем.
Рассмотрим принцип действия схемы. Допустим, что амплитуда переменных напряжений во всех точках схемы не превышает величины Когда транзистор закрыт, напряжение на его коллекторе практически равно напряжению питания. Напряжение на эмиттере транзистора составляет Ток эмиттера
Рис. 18.41. Мультивибратор на основе линейного усилителя, выполненного по ЭСЛ-технологии.
Рис. 18.42. Мультивибратор на основе триггера Шмитта, выполненного по ТТЛ-технологии. Частота
Рис. 18.43. Мультивибратор с эмиттерными связями.
транзистора равен Чтобы при этом на резисторе выделялся сигнал желаемой амплитуды, его сопротивление должно составлять Тогда в рассматриваемом состоянии схемы напряжение на эмиттере транзистора будет равно . В течение времени, когда транзистор закрыт, ток левого по схеме источника течет через конденсатор С. в результате чего напряжение на эмиттере транзистора снижается со скоростью
Транзистор Т открывается, когда напряжение на его эмиттере снижается до значения При этом напряжение на базе транзистора снижается на 0,5 В и транзистор закрывается, а напряжение на его коллекторе возрастает до величины За счет наличия эмиттерного повторителя на транзисторе с ростом напряжения на коллекторе транзистора увеличивается также и напряжение базы транзистора . Вследствие этого напряжение на эмиттере транзистора скачком увеличивается до значения Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на эмиттер транзистора так что напряжение в этой точке скачком увеличивается от до
В течение времени, когда транзистор закрыт, ток протекающий через конденсатор С, вызывает снижение напряжения на эмиттере транзистора со скоростью
Транзистор остается закрытым до тех пор, пока потенциал его эмиттера не снизится от значения до значения Для транзистора это время составляет