Высокочастотный мультивибратор на транзисторах. Подборка простых и эффективных схем
МУЛЬТИВИБРАТОР
Мультивибратор. С этой схемы, уверен, многие начинали свою радиолюбительскую деятельность. Это так-же была и моя первая схема - кусок фанеры, пробитые гвоздями дырки, выводы деталей скручены проволокой за неимением паяльника. И всё прекрасно заработало!
В качестве нагрузки используются светодиоды. Когда мультивибратор работает - светодиоды переключаются.
Для сборки потребуется минимум деталей. Вот список:
- - Резисторы 500 Ом - 2 штуки
- - Резисторы 10 кОм - 2 штуки
- - Конденсатор электролитический 1 мкФ на 16 вольт - 2 штуки
- - Транзистор КТ972А - 2 штуки (пойдут также КТ815 или КТ817), можно и КТ315, если ток не более 25ма.
- - Светодиод - 2 штуки любые
- - Питание от 4.5 до 15 вольт.
На рисунке показано в каждом канале по одному светодиоду, но можно включать параллельно по несколько штук. Или последовательно (цепочкой 5 штук) , но тогда питание не меньше 15 вольт.
Транзисторы КТ972А являются составными транзисторами, то есть в их корпусе имеется два транзистора, и он обладает высокой чувствительностью и выдерживает значительный ток без теплоотвода.
Для проведения опытов не стоит делать печатную плату, можно собрать всё навесным монтажом. Спаивай так, как показано на рисунках.
Рисунки специально сделаны в разных ракурсах и можно подробно рассмотреть все детали монтажа.
В данной статье описано устройство предназначенное просто для того чтобы начинающий радиолюбитель (электротехник, электронщик и т.д.) смог лучше разобраться в принципиальных схемах и набраться опыта в ходе сборки данного устройства. Хотя возможно данному простейшему мультивибратору, о котором написано ниже, можно найти и практическое применение. Рассмотрим схему:
Рисунок 1 - Простейший мультивибратор на реле
При подаче питания на схему конденсатор начинает заряжаться через резистор R1, контакты K1.1 при этом разомкнуты, когда конденсатор зарядиться до некоторого напряжения реле сработает и контакты замкнуться, при замкнутых контактах конденсатор начнёт разряжаться через эти контакты и резистор R2, когда конденсатор разрядится до некоторого напряжения контакты разомкнутся и процесс дальше будет повторяться циклически. Данный мультивибратор работает по тому что ток срабатывания реле больше тока удержания. Сопротивления резисторов НЕЛЬЗЯ изменять в широких пределах и это является недостатком данной схемы. Сопротивление источника питания влияет на частоту и из за этого данный мультивибратор будет работать не от всех источников питания. Ёмкость конденсатора можно увеличивать, частота замыкания контактов при этом будет уменьшаться. Если у реле имеется вторая группа контактов и использовать огромные значения ёмкости конденсатора то можно использовать данную схему для периодического автоматического включения/выключения приборов. Процесс сборки показан на фотографиях ниже:
Присоединение резистора R2
Присоединение конденсатора
Присоединение резистора R1
Соединение контактов реле с его обмоткой
Присоединение проводов для подачи питания
Реле можно купить в магазине радиодеталей или достать из старой сломанной техники например можно выпаивать реле из плат от холодильников:
Если у реле плохие контакты то их можно немного почистить.
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.
Мультивибратор является, чуть ли не самым популярным устройством у начинающих радиолюбителей. И недавно мне пришлось собрать таковое по просьбе одного человека. Хотя мне это уже не интересно, но все-таки не поленился и оформил изделие в статью для начинающих. Хорошо когда в одном материале есть вся информация для сборки. очень простая и полезная штука, которая не требует отладки и позволяет наглядно изучить принципы работы транзисторов, резисторов, конденсаторов и светодиодов. А так же, если устройство не заработает, попробовать себя в роли регулировщика-отладчика. Схема не нова, строиться по типовому принципу, а детали можно найти где угодно. Уж очень они распространены.
Схема
Теперь что нам понадобиться из радиоэлементов для сборки:
- 2 резистора 1 кОм
- 2 резистора 33 кОм
- 2 конденсатора 4.7 мкФ на 16 вольт
- 2 транзистора КТ315 с любыми буквами
- 2 светодиода на 3-5 вольт
- 1 источник питания типа «крона» 9 вольт
Если вам не удалось найти нужных деталей, не огорчайтесь. Данная схема не критична к номиналам. Достаточно поставить приближённые значения, на работе в целом это никак не скажется. Влияет лишь на яркость и частоту мигания светодиодов. Время мигания напрямую зависит от ёмкости конденсаторов. Транзисторы можно установить подобные маломощные n-p-n структуры. Печатную плату делаем . Размер кусочка текстолита 40 на 40 мм, можно взять и с запасом.
Файл для печати формата.lay6 качаем . Для того чтоб при монтаже было допущено как можно меньше ошибок, нанёс позиционные обозначения на текстолит. Это помогает не путаться при сборке и добавляет красоты в общий вид. Так выглядит готовая печатная плата, протравленная и просверленная:
Производим монтаж деталей в соответствии со схемой, это очень важно! Главное не перепутать цоколевку транзисторов и светодиодов. Пайке тоже стоит уделить должное внимание.
Поначалу она может быть не такой изящной как промышленная, но это и не нужно. Главное обеспечить хороший контакт радиоэлемента с печатным проводником. Для этого детали перед пайкой обязательно лудим. После того как компоненты установлены и запаяны, ещё раз всё проверяем и протираем плату от канифоли спиртом. Примерно так должно смотреться готовое изделие:
Если всё было сделано грамотно, то при подаче питания мультивибратор начинает мигать. Цвет светодиодов вы выбираете сами. Для наглядности предлагаю посмотреть видео.
Видеоролик мультивибратора
Ток потребления нашей «мигалки» составляет всего лишь 7,3 мА. Это позволяет питать данный экземпляр от «кроны » довольно длительное время. В целом всё безотказно и познавательно, а главное предельно просто! Желаю добра и успехов в ваших начинаниях! Готовил материал Даниил Горячев (Alex1 ).
Обсудить статью СИММЕТРИЧНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ
Здравствуйте дорогие друзья и все читатели моего блога сайт. Сегодняшний пост будет о простом но интересном устройстве. Сегодня мы рассмотрим, изучим и соберем светодиодную мигалку, в основе которой лежит простой генератор прямоугольных импульсов — мультивибратор.
Заходя на свой бложик, мне всегда хочется сделать что-нибудь эдакое, что-то такое, что сделает сайт запоминающимся. Так что представляю вашему вниманию новую «секретную страницу» на блоге.
Эта страница отныне носит название — «Это интересно».
Вы наверное спросите: «Как же ее найти?» А очень просто!
Вы наверное заметили, что на блоге появился некий отслаивающийся уголок с надписью «Скорей сюда».
Причем стоит только подвести курсор мыши к этой надписи, как уголок начинает еще больше отслаиваться, обнажая надпись — ссылку «Это интересно».
Ведет на секретную страницу, где вас ждет небольшой, но приятный сюрприз — подготовленный мной подарок. Более того, в дальнейшем на этой странице будут размещаться полезные материалы, радиолюбительский софт и что-нибудь еще — пока еще не придумал. Так что, периодически заглядывайте за уголок — вдруг я что-то там припрятал.
Ладно, немножко отвлекся, теперь продолжим…
Вообще схем мультивибраторов существует много, но наиболее популярная и обсуждаемая это схема нестабильного симметричного мультивибратора. Обычно ее изображают таким образом.
Вот к примеру эту мультивибраторную мигалку я спаял гдето год назад из подручных деталек и как видите — мигает. Мигает несмотря на корявый монтаж, выполненный на макетной плате.
Эта схема рабочая и неприхотливая. Нужно лишь определиться как же она работает?
Принцип работы мультивибратора
Если собрать эту схемку на макетной плате и замерить напряжение мультиметром между эмиттером и коллектором, то что мы увидим? Мы увидим, что напряжение на транзисторе то поднимается почти до напряжения источника питания, то падает до нуля. Это говорит о том, что транзисторы в этой схеме работают в ключевом режиме. Замечу, что когда один транзистор открыт, второй обязательно закрыт.
Переключение транзисторов происходит следующим образом.
Когда один транзистор открыт, допустим VT1, происходит разрядка конденсатора C1. Конденсатор С2 — напротив спокойно заряжается базовым током через R4.
Конденсатор C1 в процессе разрядки держит базу транзистора VT2 под отрицательным напряжением — запирает его. Дальнейшая разрядка доводит конденсатор C1 до нуля и далее заряжает его в другую сторону.
Теперь напряжение на базе VT2 возрастает открывая его.Теперь уже конденсатор C2, некогда заряженный, подвергается разрядке. Транзистор VT1 оказывается запертым отрицательным напряжением на базе.
И вся эта свистопляска продолжается по в режиме нон стоп, пока питание не вырубишь.
Мультивибратор в своем исполнении
Сделав однажды мультивибраторную мигалку на макетке, мне захотелось ее немножко облагородить — сделать нормальную печатную плату для мультивибратора и заодно сделать платку для светодиодной индикации. Разрабатывал я их в программе Eagle CAD, которая не намного сложнее Sprintlayout но зато имеет жесткую привязку к схеме.
Печатная плата мультивибратора слева. Схема электрическая справа.
Печатная плата. Схема электрическая.
Рисунки печатной платы с помощью лазерного принтера я распечатал на фотобумаге. Затем в полном соответствии с народной вытравил платки. В итоге после напайки деталей получились вот такие платки.
Честно говоря, после полного монтажа и подключения питания случился небольшой баг. Набранный из светодиодов знак плюса не перемигивал. Он просто и ровно горел будто мультивибратора и нет вовсе.
Пришлось изрядно понервничать. Замена четырехконечного индикатора на два светодиода исправляло ситуацию, но стоило вернуть все на свои места — мигалка не мигала.
Оказалось, что два светодиодных плеча сомкнуты перемычкой, видимо когда залуживал платку немного переборщил с припоем. В итоге светодиодные «плечики» горели не по переменке а синхронно. Ну ничего, несколько движений паяльником исправили ситуацию.
Результат того, что получилось я запечатлел на видео:
По моему получилось не плохо. 🙂 Кстати оставляю ссылки на схемы и платы — пользуйтесь на здоровье.
Плата и схема мультивибратора.
Плата и схема индикатора «Плюс».
Вообще применение мультивибраторов разнообразно. Они годятся не только для простеньких светодиодных мигалок. Поигравшись с номиналами резисторов и конденсаторов, можно выводить на динамик сигналы звуковой частоты. Везде где может понадобиться простой генератор импульсов мультивибратор подойдет однозначно.
Вроде все что планировал я рассказал. Если чтото упустил то пишите в комментариях — добавлю что нужно, а что не нужно — исправлю. Комментариям я всегда рад!
Новые статьи я пишу спонтанно и не по расписанию и поэтому предлагаю подписаться на обновления по или по E-mail. Тогда новые статьи будут приходить прямо на ваш почтовый ящик или прямиком в RSS-ридер.
На этом у меня все. Желаю всем успехов и хорошего весеннего настроения!
С уважением, Владимир Васильев.
Также дорогие друзья вы можете подписаться на обновления сайта и получать новые материалы и подарки прямо себе в почтовый ящик. Для этого достаточно заполнить форму ниже.