Транзисторные мультивибраторы


СОДЕРЖАНИЕ:

Транзисторные мультивибраторы

МЯУ!
МУР-Р-Р.
МЫР-Р-Р.
МРЯ-Я-УУ.
и ещё не меньше сотни,
заметьте,
разумных
сигналов!
Это вам не
какие-то там
МЫР-АНД-РЫ!

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.

    1. АВТОГЕНЕРАТОР.
    Из школьного курса физики известно, что существуют так называемые автоколебательные системы или автогенераторы. В них в результате внешнего воздействия или самопроизвольно возникают и поддерживаются незатухающие колебания. Эти колебания будут продолжаться до тех пор, пока не иссякнет энергия источника. Общая схема автогенератора такова:

Физический принцип действия. Энергия поступает от источника в регулятор, который подает ее в колебательную систему порциями (дискретно) для того, чтобы очередной порции хватило на компенсацию потерь энергии в колебательной системе для преодоления сопротивления (трения). Если кванты энергии от источника будут меньше потерь за одно колебание, то колебания в системе постепенно прекратятся – затухнут:

Если больше – в системе наступит резонанс, что может привести к разрушению ее элементов или всей системы:

Итак, регулятор дозирует (квантует) энергию в точном соответствии с требованиями системы. Когда происходит очередное колебание, система посылает сигнал через обратную связь о том, что необходима следующая порция (квант) энергии, и регулятор снова направляет эту порцию (квант) в систему. Сопротивление (трение) полностью преодолевается в процессе следующего колебания за счет притока порции энергии извне, система снова посылает сигнал через обратную связь, регулятор снова выдает порцию и т.д. Колебания получаются незатухающими:

Понятно, что при отключении источника от регулятора колебания прекратятся.
Простейший пример механической автоколебательной системы – часы с пружиной или гирями. Анкерный механизм в них как раз и играет роль регулятора, а маятник – это колебательная система.

В электронных часах ничего такого уже не найти, и, тем не менее, они также являются автоколебательной системой.
Вообще-то я уже описывал автогенератор (см. мою статью «Принципы радиосвязи» на странице «Радиоприём»), но сейчас у меня иная цель: разобраться в том, что такое «мультивибратор», как он работает и для чего используется.

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 выделиться, или (есть такое русское слово!) выпендриться.

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 МУЛЬТИвибратор.
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 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:

Четрёхфазный мультивибратор требует особых мер для обеспечения стабильности работы:

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»).

На этом я завершаю 1-ю часть повествования о МУЛЬТИВИБРАТОРЕ.
©SEkorp 27.01.2015
Продолжение следует…

Транзисторные мультивибраторы

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

Состояние 1: Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током Q2 через R1 и Q2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)* R2, а на коллекторе Q1 — питанию.

Напряжение на коллекторе Q2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый Q2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе Q1 = (небольшое напряжение на коллекторе Q2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, наглухо запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении (Q1 открыт и насыщен, Q2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет ноля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе Q1 не достигнет примерно 0,6 В.

Это приведет к началу открытия Q1, появлению коллекторного тока через R1 и Q1 и падению напряжения на коллекторе Q1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе Q2 и началу закрытия Q2.

Закрытие Q2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе Q1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению Q1 и полному закрытию Q2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый Q1 и R2.

Каждый электрик должен знать:  Представление данных в дискретных системах

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются на много меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Частота мультивибратора

Длительность одной из двух частей периода равна

Длительность периода из двух частей равна:

В особом случае когда

Выходные формы импульса

Выходное напряжение имеет форму, приблизительно квадратной формы волны. Считается ниже транзистора Q1. В состоянии 1 , Q2 база-эмиттер в обратном направлении и конденсатор С1 «отцепленный» от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро меняется от высокого(пределы: более 1кВ) к низкому(пределы: до 250 В), так как это низко-резистивного выход, то загружается высокий импеданс нагрузки (последовательно соединенных конденсаторов С1 и высокоомных базу резистор R2). Во время состояния 2 , Q2 база-эмиттер в прямом смещением и конденсатор С1 «подключили» к земле. Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого до высокого, так как это относительно высокий резистивный выход, то загружается низкий импеданс нагрузки (емкость C1). Это для выходного напряжения R 1 C 1 интегрирующей цепи. Чтобы приблизиться к необходимой площади сигнала,нужно, чтобы ток коллектора резисторов был ниже сопротивления. База резисторов должна быть достаточно низкой, чтобы насытить транзисторы в конце восстановления (R B Начальное питание

Однако, если схема временного хранения и с высокой базы, длиннее, чем требуется для полной зарядки конденсаторов, то схема будет оставаться в стабильном состоянии, как с базы на 0,6 В, и коллекторы на 0 В, и оба конденсатора разряжаются до -0,6 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и С и очень мало.

Защитные компоненты

Хотя это и не основополагающее значение для работы схемы, диоды соединенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов необходимы, чтобы предотвратить переход база-эмиттер, их гонят в обратном направлении пробоя, когда напряжение питания превышает V EB напряжение пробоя, как правило, около 5 -10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения.

Мультивибратор на операционном усилителе

Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют интегрирующую RC-цепь: при заряде конденсатора открыт диод V1, ток проходит через R1, при разряде — открыт V2, ток идет через R2. Источником напряжения E является входная цепь ОУ. Компаратор выполнен на ОУ с положительной обратной связью через цепь R3R4. При переключении компаратора на его выходе происходит коммутация цепей заряда и разряда конденсатора C, т.е. ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и ключа.

Мультивибратор на мощных полевых транзисторах с изолированным затвором

Этот мультивибратор на полевых транзисторах, выгодно отличается от схем на биполярных полупроводниках тем, что выдерживает ток нагрузки до 10 Ампер, без необходимости дополнительного усиления выходного тока, и может без проблем работать на сверхнизких частотах при сравнительно небольших ёмкостях времязадающих конденсаторов. При указанных номиналах деталей, частота мультивибратора равняется примерно 1 Гц, но устройство с успехом можно использовать и для генерации частот звукового диапазона, если лампы накаливания заменить динамиками и уменьшить емкость C1 и C2 в десятки раз, а изменением сопротивления резисторов R1, R2 можно плавно регулировать частоту работы.

Схема мультивибратора содержит всего два полевых транзистора с n-каналом, которые можно заменить любыми такой же проводимости, но обязательно с изолированным затвором и подходящей мощностью, которая зависит от применяемой нагрузки. Конденсаторы устанавливаются с минимальным граничным напряжением не менее 16 вольт, R1, R2 можно заменить спаренным переменным резистором, для удобства подстройки частоты генератора. Максимальное сопротивление резисторов может достигать десятки МОм, обеспечивая этим широкий диапазон регулировки. Стабилитроны установлены в устройство для предотвращения пробоя полевых транзисторов, меняются на любые маломощные, напряжение стабилизации которых равняется 8-10 вольт.

Построенный по этой схеме мультивибратор, работает на две нагрузки, если Вам нужно коммутировать только одну, то вместо EL1 можно установить постоянный резистор сопротивлением 100-500 Ом, что позволит генератору работать в одноканальном режиме, область применения конструкции на полевых транзисторах довольно широка, от создания световых эффектов до устройств звуковой сигнализации. Применение мощных полупроводников обеспечивает надёжную работу с большой нагрузкой, при условии установки VT1 и VT2 на хороший радиатор охлаждения. Удачи !

Транзисторные мультивибраторы

Компьютерная техника, радиоэлектроника, электрика

  • Главная На главную
  • Электроника Статьи на тему
  • Электрика Статьи на тему
  • Компьютерная техника ПК, сети, комплектующие, обзоры
  • Обзоры устройств Посылки, гаджеты, тесты, видео

Мультивибраторы и таймеры

Мультивибраторы состоят из двух транзисторов, соединенных таким образом, что один из них полностью открыт и насыщен, а другой закрыт. Следовательно, мультивибратор имеет два определенных устойчивых со­стояния: T1 открыт / T2 закрыт или, наоборот, T1 закрыт / T2 открыт. На рис. 32.1 показана основная принципиальная схема мультивибратора, где Z1 и Z2 обозначают два элемента связи, обеспечивающие положительную обратную связь.

Рис. 32.1. Основная принципиальная схема мультивибратора.

В зависимости от используемых элементов обратной связи все муль­тивибраторы можно подразделить на три типа.

1. Бистабильный мультивибратор, который может оставаться сколь угодно долго в одном из двух устойчивых состояний. Чтобы пере­ключить его из одного состояния в другое, необходимо подать внеш­ний запускающий импульс. Мультивибратор остается в этом другом состоянии до тех пор, пока на него не воздействует второй внешний импульс, и так далее.

2. Моностабильный мультивибратор (одновибратор или ждущий мультивибратор), который имеет лишь одно устойчивое состояние равновесия. Под воздействием внешнего импульса он переключается в другое состояние и остается в этом состоянии квазиравновесия в те­чение отрезка времени, определяемого постоянной времени элементов обратной связи, после чего самостоятельно возвращается в исходное состояние.

3. Автоколебательный мультивибратор (или астабильный гене­ратор), который является генератором свободных колебаний. Он не имеет определенного устойчивого состояния и непрерывно переходит из одного состояния квазиравновесия в другое и обратно и т. д.

Бистабильный мультивибратор

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 32.2. При включении источника питания из-за разброса допусков параметров компонентов один из тран­зисторов будет пропускать больший ток, чем другой. Причем, какой бы малой ни была разница токов, проходящих через транзисторы, ее доста­точно, чтобы привести триггер в одно из устойчивых состояний.

Предположим, что через транзистор T 2 начинает протекать больший ток, чем через T 1 . В этом случае напряжение на коллекторе транзистора T 2 будет падать, вызывая падение напряжения на базе транзистора T 1 . В результате ток через транзистор T 1 уменьшится, а напряжение на его коллекторе увеличится. При этом повышается потенциал базы транзи­стора T 2 относительно его эмиттера, и ток через T 2 увеличится еще боль­ше. Так будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение транзистора T 2 , а транзистор T 1 не перейдет в режим запирания (отсеч­ки). В этом состоянии напряжение на коллекторе запертого транзистора T 1 будет равно +VCC (10 В), а на коллекторе насыщенного транзистора T 2 — примерно 0 В.

Напряжение на базе транзистора T 1 определяется цепочкой резисто­ров R 3R 5 . Как видно из рис. 32.2(б), база транзистора T 1 имеет отри­цательный потенциал, создаваемый источником отрицательного напря­жения VВВ , что удерживает транзистор T 1 в закрытом состоянии. Напряжение на базе транзистора T 2 (рис. 32.2(в)) определяется цепочкой резисторов R 2R 6 и имеет положительное значение, что создает пря­мое смещение транзистора T 2 . Если на бистабильный мультивибратор не будет воздействовать внешний импульс, то он сохранит это устойчи­вое состояние неопределенно долго. В равной мере устойчивое состояние мультивибратора может быть сохранено и при другом режиме его рабо­ты, если при включении питания больший ток начнет протекать через транзистор T 1 , а не через транзистор T 2 .

Чтобы избежать применения отдельного источника питания отрица­тельного напряжения, на схеме, представленной на рис. 32.3, использо­ван резистор R6 в качестве общего резистора в цепи эмиттера. В любом из устойчивых состояний мультивибратора напряжение Ve возникает при протекании тока открытого транзистора через сопротивление R6. Обрат­ное смещение закрытого транзистора обеспечивается тем, что его база имеет меньший потенциал, чем эмиттер. Конденсаторы C2 и C3 назы­ваются форсирующими или ускоряющими конденсаторами. Их назначе­ние — обеспечивать быстрое переключение мультивибратора из одного состояния в другое.

Рис. 32.2. Бистабильный мультивибратор (а). Схема с использованием отдель­ных источников питания постоянного тока +VCC и VBB .

Бистабильный мультивибратор с управляющими диодами

Чтобы изменить состояние бистабильного мультивибратора, на него по­дается внешний импульс, который переводит транзистор из закрытого состояния в открытое. Как показано на рис. 32.3, чтобы избежать при­менения двух отдельных входов, используются управляющие диоды D1 и D2. Назначение этих диодов состоит в том, чтобы направлять запус­кающий импульс к базе соответствующего транзистора. Предположим, что бистабильный мультивибратор находится в состоянии T1 закрыт / T1 открыт и насыщен.

Рис. 32.3. Схема бистабильного мультивибратора с управляющими диодами D 1 и D 2 .

Тогда точка Х — общий катод диодов D 1 и D 2 — имеет потенциал VCC (10 В), т. е. на диоде D 1 напряжение смещения равно нулю. В это же время анод диода D 2 находится под потенциалом эмиттера T 2 , приблизительно равного 1 В (транзистор T 2 находится в со­стоянии насыщения), т. е. на диоде D 2 напряжение обратного смещения равно -9 В.

Если теперь подать на вход в точку Х отрицательный импульс, диод D 1 откроется и пропустит его через резистор R 3 на базу транзистора T 2 . В результате T 2 закроется, а T 1 откроется и мультивибратор перейдет в другое состояние. Напряжение смещения на управляющих диодах те­перь противоположно предыдущему, т. е. D 1 находится под потенциалом -9 В. Следующий импульс откроет диод D 2 , пройдет через резистор R 4 на базу транзистора T 1 и запрет его. Мультивибратор опрокинется в перво­начальное состояние. Так как бистабильный мультивибратор переходит из одного состояния в другое, то на коллекторе любого из транзисторов можно получить прямоугольные импульсы.

На рис. 32.4 показаны импульсы, действующие на входе и выходе мультивибратора, описанного выше. Прямоугольный входной импульс вначале дифференцируется цепью C 1 R 1 . Мультивибратор реагирует только на отрицательные «пички». Положительные «пички» не оказыва­ют никакого влияния на схему, поскольку при их поступлении оба диода имеют обратное смещение. Выходной сигнал представляет собой после­довательность прямоугольных импульсов, следующих с частотой, равной половине частоты входного сигнала. Поэтому бистабильный мультиви­братор называется также делителем частоты на два и широко применя­ется в счетчиках и калькуляторах.

Рис. 32.4. Импульсы на входе и выходе мультивибратора.

Моностабильный мультивибратор (одновибратор)

Цепь обратной связи моностабильного мультивибратора (рис. 32.5) содер­жит одну цепочку C – R, а именно C2 R2. При первоначальном включе­нии схемы транзистор Т2 открывается, так как на его базу через резистор R2 подается положительное напряжение +VCC, а транзистор Т1 закрыва­ется. Источник отрицательного напряжения VBBгарантирует, что Т1 останется запертым. В этом состоянии схема может находиться сколь угодно долго при отсутствии внешнего воздействия.

Рис. 32.5. Принципиальная схема моностабильного мультивибратора.

Если теперь на вход схемы подать отрицательный импульс, его высо­кочастотный фронт пройдет через конденсатор C 2 к базе транзистора Т2 и запрет его. Так же, как это происходит в бистабильном мультивибра­торе, транзистор Т1 перейдет в состояние насыщения, а транзистор Т2 — в состояние отсечки. Напряжение на коллекторе транзистора Т1 (точка А на рис- 32.5) при этом резко спадает от +10 В ( V CC ) до нулевого значе­ния. Этот перепад напряжения 10 В заряжает конденсатор C 2 до -10 В. Другими словами, база транзистора T 2 (точка В на схеме рис. 32.5) нахо­дится теперь под напряжением -10 В, удерживая транзистор в запертом состоянии. Конденсатор C 2 начинает разряжаться через резистор R 2 от -10 В, пытаясь достигнуть напряжения +10 В. Отрицательный потенци­ал в точке В начинает плавно уменьшаться со скоростью, определяемой постоянной времени C 2 R 2 . Как только напряжение в точке В изменит свой знак с отрицательного на положительный (рис. 32.6(б)), транзистор Т2 начнет проводить ток, а транзистор Т1 перейдет в состояние отсечки. Моностабильный мультивибратор возвращается обратно к начальному со­стоянию, ожидая прихода следующего переключающего импульса.

Форма импульса, на выходе схемы показана на рис. 32.6(в). Длитель­ность импульса определяется периодом, в течение которого транзистор Т2 остается в запертом состоянии, что в свою очередь зависит от постоянной времени C 2 R 2 . Например, схема, приведенная па рис. 32.5, вырабатывает импульс длительностью приблизительно 350 мкс.

Рис. 32.6. Форма импульсов, действующих в различных точках схемы однови­братора.

Она может быть изме­нена варьированием номиналов емкости конденсатора С2 или резистора R2 или обоих вместе. Следует заметить, что частота сигнала на выходе равна частоте входного сигнала, но их длительности различны. Одно­вибратор применяется для увеличения ширины импульса и получения временной задержки.

Автоколебательный мультивибратор

На рис. 32.7 показана схема автоколебательного (или несинхронизирован­ного) мультивибратора. Контур обратной связи характеризуется двумя постоянными времени С1R1 и С2R2. Когда включается источник пита­ния, через один из транзисторов проходит больший ток, чем через другой. Благодаря наличию цепи обратной связи это приводит к тому, что один из транзисторов приходит в состояние насыщения, а другой — в состоя­ние отсечки. Предположим, что транзистор T1 открыт и насыщен, а T2 закрыт. Затем конденсатор С1 заряжается до VCC и удерживает T2 в запертом состоянии. Конденсатор С1 начинает разряжаться через рези­стор R1 , пытаясь перезарядиться до +VCC, как и в случае одновибратора. В момент, когда потенциал цепочки R1 С1 (база транзистора T2) про­ходит через нуль, транзистор T2 открывается, закрывая транзистор T1. Конденсатор С1 теперь скачком перезаряжается в отрицательном напра­влении, сохраняя транзистор T1 закрытым. Как только конденсатор С2 разрядится через R2 откроется транзистор T1 и т. д. Выходной сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов снимается с кол­лектора любого из транзисторов. Отношение метка/пауза (коэффициент заполнения) определяется временными постоянными схемы. Выходной сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов снимается с коллектора любого из транзисторов.

На рис. 32.8 изображены выходные импульсы на коллекторе каждого из транзисторов. Чтобы получить равные по длительности импульсы, временные постоянные С1R1 и С2R2 делают равными.

Рис. 32.7. Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора.

Рис. 32.8. Выходные импульсы на коллекторе каждого из транзисторов авто­колебательного мультивибратора, схема которого приведена на рис. 32.7.

Заметим, что, как и в случае одновибратора, временная постоянная СR определяет время, в течение которого транзистор остается закрытым.

Таймер 555

Таймер 555 (рис. 32.9) представляет собой весьма универсальную недо­рогую интегральную микросхему, которая специально спроектирована для формирования стабильных временных интервалов, но также может быть использована в разнообразных моностабильных, автоколебательных мультивибраторах и триггерах.

Рис. 32.9.

В режиме таймера схема вырабатывает очень точные временные ин­тервалы, которые могут варьироваться от нескольких микросекунд до не­скольких сотен секунд. Временной период задается единственной цепью СR и фактически не зависит от напряжения источника питания. Таймер включается подачей запускающего импульса на вывод 2 микросхемы и выключается командой RESET (сброс), подаваемой на вывод 4.

Базовая схема таймера показана на рис. 32.10. Временной интервал здесь задается цепочкой C1R1. Начало отсчета времени инициируется на­жатием кнопки S1. При этом вывод 2 ИС получает нулевой потенциал и микросхема переключается. Конденсатор C1 начинает заряжаться через резистор R1, и на выводе 3 появляется положительное напряжение.

Рис. 32.10

Рис. 32.11.

По истечении времени, равного l, lC1R1, напряжение на выходе падает до 0 В (рис. 32.11). Отсчет времени может быть прерван нажатием кнопки RESET (сброс). При этом вывод 4 получает нулевой потенциал. При нор­мальной работе ключ S2 разомкнут и вывод 4 имеет потенциал источника питания +VCC.

В этом видео рассказывается о несимметричном мультивибраторе на транзисторах:

Ждущий мультивибратор на транзисторах

Ждущие мультивибраторы после поступления короткого запускающего импульса формируют один выходной импульс. Они относятся к классу моностабильных устройств и имеют одно длительно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния равновесия. Схема простейшего ждущего мультивибратора на биполярных транзисторах, имеющего одну резистивную и одну емкостную коллекторно-базовые связи, приведена на рис. 8. Благодаря связи базы VT2 с источником напряжения питания +Е через Rб2 в цепи базы течет отпирающий ток, достаточный для насыщения этого транзистора. При этом выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT2 близко к нулю. Транзистор VT1 заперт отрицательным напряжением, полученным в результате деления напряжения источника смещения —Есм делителем Rб1Rс. Таким образом, после включения источников питания состояние схемы определено. В этом состоянии конденсатор С1 заряжен до напряжения источника +Е (плюс на левой, минус на правой обкладке).

Рис. 8. Ждущий мультивибратор на транзисторах

В данном состоянии ждущий мультивибратор может находиться сколь угодно долго – до прихода запускающего импульса. Положительный запускающий импульс (рис. 9) отпирает транзистор VT1, что приводит к увеличению коллекторного тока и уменьшению коллекторного потенциала этого транзистора. Отрицательное приращение потенциала через конденсатор С1 передается на базу VT2, выводит этот транзистор из насыщения и вызывает его переход в активный режим. Коллекторный ток транзистора уменьшается, напряжение на коллекторе получает положительное приращение, которое с коллектора VT2 через резистор Rc передается на базу VT1, вызывая его дальнейшее отпирание. Для уменьшения времени отпирания VT1 параллельно Rc включают ускоряющий конденсатор Суск. Процесс переключения транзисторов происходит лавинообразно и заканчивается переходом мультивибратора во второе квазиустойчивое состояние равновесия. В этом состоянии происходит разряд конденсатора С1 через резистор Rб2 и насыщенный транзистор VT1 на источник питания +Е. Положительно заряженная обкладка С1 через насыщенный транзистор VT1 подключена к общему проводу, а отрицательно заряженная – к базе VT2. Благодаря этому, транзистор VT2 удерживается в запертом состоянии. После разряда С1 потенциал базы VT2 становится неотрицательным. Это приводит к лавинообразному переключению транзисторов (VT2 отпирается, а VT1 запирается). Формирование выходного импульса заканчивается. Таким образом, длительность выходного импульса определяется процессом разрядки конденсатора С1

Амплитуда выходного импульса

По окончании формирования выходного импульса начинается этап восстановления, в течении которого происходит заряд конденсатора С1 от источника +Е через резистор Rк1 и эмиттерный переход насыщенного транзистора VT2. Время восстановления

Минимальный период повторения, с которым могут следовать запускающие импульсы, равен

Рис. 9. Временные диаграммы напряжений в схеме ждущего мультивибратора

Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (fн=0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала.

На рис. 10,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 0 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим. ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 10,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами.

Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи.

Напряжение смещения нуля Uсм – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя (единицы – десятки мВ). Данный параметр показывает какой источник напряжения необходимо подключить ко входу ОУ для того, чтобы получить нулевое выходное напряжение.

Входные токи Iвх1, Iвх2 (единицы нА – десятки мкА). Данные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим входного дифференциального каскада ОУ. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек.

Разность входных токов .

Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф (десятки кОм – сотни МОм).

Входное сопротивление для синфазного сигнала Rвх сф. Данное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов. Характеризуют изменение соответствующих параметров с температурой.


Рис. 10. Условное обозначение операционного усилителя: а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки; FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод

Коэффициент усиления по напряжению КU (10 3 – 10 6 )

Коэффициент передачи синфазного сигнала КU сф

Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос сф

Частота единичного усиления f1 – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц).

Скорость нарастания выходного напряжения VUвых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала.

Максимальное выходное напряжение ОУ Uвых max. Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания.

Выходное сопротивление Rвых (десятки – сотни Ом).

Основные схемы включения операционного усилителя.

Операционные усилители обычно используют с глубокой отрицательной обратной связью, так как они имеют значительный коэффициент усиления по напряжению. При этом от элементов цепи обратной связи зависят результирующие параметры усилителя.

В зависимости от того, к какому входу ОУ подключается источник входного сигнала, различают две основные схемы включения (рис. 11). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 11,а) коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

Такое включение ОУ используют тогда, когда требуется повышенное входное сопротивление. Если на схеме рис. 11, а убрать сопротивление R1 и закоротить сопротивление R2, то получится повторитель напряжения (Кu=1), который используют для согласования высокого сопротивления источника сигнала и низкого сопротивления приемника.

Каждый электрик должен знать:  Параметры источников сварочного тока

Рис. 11. Схемы усилителей на ОУ: а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 11, б) коэффициент усиления равен

Как видно из выражения (2) при таком включении входное напряжение инвертируется.

В рассмотренных схемах к одному из входов подключено сопротивление Rэ. Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когда это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными или температурными колебаниями входных токов. Сопротивление Rэ выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ, были одинаковы. Для схем рис. 10 .

Модифицировав схему рис. 11, б, можно получить суммирующее устройство (рис. 12, а), в котором

При одновременной подаче напряжения на оба входа ОУ получается вычитающее устройство (рис. 12, б), для которого

Данное выражение справедливо при выполнении условия .

Рис. 12. Схемы включения ОУ: а – сумматор напряжений; б – вычитающее устройство

Транзисторные мультивибраторы

Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. Спектр колебаний, генерируемых мультивибратором, содержит множество гармоник — тоже электрических колебаний, но кратных колебаниям основной частоты, что и отражено в его названии: «мульти — много», «вибро — колеблю».

Рассмотрим схему, показанную на (рис. 1,а). Узнаете? Да, это схема двухкаскадного транзисторного усилителя 3Ч с выходом на головные телефоны. Что произойдет, если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией? Между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором колебаний звуковой частоты, и в телефонах мы услышим звук низкого тона.С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель охваченный, положительной обратной связью, становится мультивибратором.

Теперь посмотрите на (рис. 1,б). На нем вы видите схему того же усилителя, охваченного положительной обратной связью, как на (рис. 1, а), только начертание ее несколько изменено. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов. Опыт — самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. В этом вы убеждались не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора — автомата, предлагаю провести опыт с ним. Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов вы видите на (рис. 2, а). Смонтируйте его на макетной плате. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39 — МП42), так как у высокочастотных транзисторов очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электролитические конденсаторы С1 и С2 — типа К50 — 6, К50 — 3 или их импортные аналоги на номинальное напряжение 10 — 12 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов Rl, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используйте батарею «Крона» или БП. В коллекторную цепь любого из транзисторов включите миллиамперметр (РА) на ток 10 — 15 мА, а к участку эмиттер — коллектор того же транзистора подключите высокоомный вольтметр постоянного тока (PU) на — напряжение до 10 В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключите к мультивибратору источник питания. Что показывают измерительные приборы? Миллиамперметр — резко увеличивающийся до 8 — 10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение. О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение — закрытому состоянию транзистора. Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитайте, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно раз 15 — 20. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3 — 4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытайтесь изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывайте в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной — соответствующий этим состояниям коллекторный ток. У вас получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 2, б.

Рис. 2 Схема симметричного мультивибратора (а) и генерируемые им импульсы тока (б, в, г).

Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами длительностью паузы Тn — Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность Тn которых равна паузам между ними, называют симметричными. Следовательно, собранный вами опытный мультивибратор — симметричный. Замените конденсаторы С1 и С2 другими конденсаторами емкостью по 10 — 15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3 — 4 раза — до 60 — 80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Стрелки измерительных приборов еле успевают следовать за изменениями токов и напряжений в цепях транзисторов. А если конденсаторы С1 и С2 заменить бумажными емкостью по 0,01 — 0,05 мкФ? Как теперь будут вести себя стрелки измерительных приборов? Отклонившись от нулевых отметок шкал, они стоят на месте. Может быть, сорвана генерация? Нет! Просто частота колебаний мультивибратора увеличилась до нескольких сотен герц. Это колебания диапазона звуковой частоты, фиксировать которые приборы постоянного тока уже не могут. Обнаружить их можно с помощью частотомера или головных телефонов, подключенных через конденсатор емкостью 0,01 — 0,05 мкФ к любому из выходов мультивибратора или включив их непосредственно в коллекторную цепь любого из транзисторов вместо нагрузочного резистора. В телефонах услышите звук низкого тона. Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 2, а. В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 — через эмиттерный переход транзистора V2 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 отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение 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 положительное напряжение, например, из — за разницы коэффициентов передачи токов h21э номиналов резисторов и конденсаторов. 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 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 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. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что вами уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем вы можете убедиться сейчас же. Попробуйте, например, базовые резисторы R2 и R3 заменить резисторами больших сопротивлений. Частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключите верхние (по схеме) выводы резисторов R2 и R3 от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включите реостатом переменный резистор сопротивлением 30 — 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, вы в довольно широких пределах сможете изменять частоту колебаний мультивибраторов. Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: F = 700/(RC), где f — частота в герцах, R — сопротивления базовых резисторов в килоомах, С — емкости конденсаторов связи в микрофарадах. Пользуясь этой упрощенной формулой, подсчитайте, колебания каких частот генерировал ваш мультивибратор. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2, а). Конденсатор С2 замените конденсатором емкостью 2 — 3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора V2 включите миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразите графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора V2 будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2, в). Длительность импульсов Тh будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами Тh, во сколько уменьшилась емкость конденсатора С2 по сравнению с его прежней емкостью. А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включите в коллекторную цепь транзистора V1. Что показывает измерительный прибор? Тоже импульсы тока, но их длительность значительно больше пауз между ними (рис. 2, г). Что же произошло? Уменьшив емкость конденсатора С2, вы нарушили симметрию плеч мультивибратора — он стал несимметричным. Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными: в коллекторной цепи транзистора V1 ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора V2 — короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 — длинные импульсы напряжения. Временно поменяйте местами конденсаторы С1 и С2. Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные — на Выходе 2. Сосчитайте (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличьте емкость конденсатора С1, подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 — 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится. А если, наоборот, емкость этого конденсатора уменьшать? Частота следования импульсов должна увеличиваться. Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов — изменением сопротивления резистора R2: с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 — 5 кОм, иначе транзистор V2 будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться. Проверьте опытным путем — так ли это? Подберите резистор такого номинала, чтобы число импульсов в 1 мин составляло точно 60. Стрелка миллиамперметра будет колебаться с частотой 1 Гц. Мультивибратор в этом случае станет как бы электронным механизмом часов, отсчитывающих секунды.

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, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 включить резистор (на рис. 3 — R3) сопротивлением 10 — 15 кОм; между базой транзистора V1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 (G1 или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 — 5,1 кОм (R5), но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора V1 поключить конденсатор (на рис. 3 — С2) емкостью 1 — 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора V1 такого мультивибратора — закрытое, транзистора V2 — открытое. Проверьте — так ли это? Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора — не превышать 0,2 — 0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора V1 включите миллиамперметр на ток 10 — 15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один — два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Только не перепутайте:, отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту Uвх. 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. Повторите этот опыт несколько раз. 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 V1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвх. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, — на выходе мультивибратора появится только один импульс Попробуйте!

Рис. 3. Опытный ждущий мультивибратор.

И еще один эксперимент: коснитесь вывода базы транзистора V1 каким — либо металлическим предметом, взятым в руку. Возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает — от электростатического заряда вашего тела. Повторите такие же опыты, но включив миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора V2. 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 же принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная — через резистор R3. На базу транзистора V2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же V1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии они могут находиться сколько угодно времени. Но вот на базе транзистора V1 появился импульс напряжения отрицательной полярности. С этого момента транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор V1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор V2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор V1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор V2 тут же откроется, а транзистор V1 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 V1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора V2. Итак, вам остается экспериментально проверить, как влияет емкость конденсатора С1 на длительность импульсов и возможность управления ждущим мультивибратором импульсами положительного напряжения. 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. А как еще? Подумайте!

Мультивибратор в генераторах и электронных переключателях

Электронный звонок. Мультивибратор можно применить для квартирного звонка, заменив им обычный электрический. Собрать же его можно по схеме, показанной на (рис. 4). Транзисторы V1 и V2 работают в симметричном мультивибраторе, генерирующем колебания частотой около 1000 Гц, а транзистор V3 — в усилителе мощности этих колебаний. Усиленные колебания преобразуются динамической головкой В1 в звуковые колебания. Если для звонка использовать абонентский громкоговоритель, включив первичную обмотку его переходного трансформатора в коллекторную цепь транзистора V3, в его футляре разместится вся электроника звонка, смонтированная на плате. Там же разместится и батарея питания.

Рис. 4. Электронный звонок на основе мультивибратора.

Электронный звонок можно установить в коридоре и соединив его двумя проводами с кнопкой S1. При нажатии кнопки — в динамической головке появится звук. Так как питание на прибор подается только во время вызывных сигналов, двух батарей 3336Л соединенных последовательно или «Крона», хватит на несколько месяцев работы звонка. Желательный тон звука устанавливайте заменой конденсаторов С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Мультивибратор, собранный по такой же схеме, может быть использован для изучения и тренировки в приеме на слух телеграфной азбуки — азбуки Морзе. В этом случае надо только кнопку заменить телеграфным ключом.

Электронный переключатель. Этот прибор, схема которого показана на (рис. 5), можно использовать для коммутации двух елочных гирлянд, питающихся от сети переменного тока. Сам же электронный переключатель можно питать от двух батарей 3336Л, соеди — ненных последовательно, или от выпрямителя, который бы давал на выходе постоянное напряжение 9 — 12 В.

Рис. 5. Электронный переключатель на основе мультивибратора.

Схема переключателя очень схожа со схемой электронного звонка. Но емкости конденсаторов С1 и С2 переключателя во много раз больше емкостей аналогичных конденсаторов звонка. Мультивибратор переключателя, в котором работают транзисторы V1 и V2, генерирует колебания частотой около 0,4 Гц, а нагрузкой его усилителя мощности (транзистор V3) является обмотка электромагнитного реле К1. Реле имеет одну пару контактных пластин, работающих на переключение. Подойдет, например, реле РЭС — 10 (паспорт РС4.524.302) или другое электромагнитное реле, надежно срабатывающее от напряжения 6 — 8 В при токе 20 — 50 мА. При включении питания транзисторы V1 и V2 мультивибратора попеременно открываются и закрываются, генерируя сигналы прямоугольной формы. Когда транзистор V2 открыт, отрицательное питающее напряжение через резистор R4 и этот транзистор подается на базу транзистора V3, вводя его в насыщение. При этом сопротивление участка эмиттер — коллектор транзистора V3 уменьшается до нескольких ом и почти все напряжение источника питания прикладывается к обмотке реле К1 — реле срабатывает и своими контактами подключает к сети одну из гирлянд. Когда транзистор V2 закрыт, цепь питания базы транзистора V3 разорвана, и он также закрыт, через обмотку реле ток не течет. В это время реле отпускает якорь и его контакты, переключаясь, подключают к сети вторую елочную гирлянду. Если вы захочете изменить время переключения гирлянд, то заменяйте конденсаторы С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Данные резисторов R2 и R3 оставьте прежними, иначе нарушится режим работы транзисторов по постоянному току. Усилитель мощности, аналогичный усилителю на транзисторе V3, можно включить и в эмиттерную цепь транзистора V1 мультивибратора. В этом случае электромагнитные реле (в том числе — самодельные) могут иметь не переключающие группы контактов, а нормально разомкнутые или нормально замкнутые. Контакты реле одного из плеч мультивибратора будут периодически замыкать и размыкать цепь питания одной гирлянды, а контакты реле другого плеча мультивибратора — цепь питания второй гирлянды. Электронный переключатель можно смонтировать на плате из гетинакса или другого изоляционного материала и вместе с батареей питания поместить в коробку из фанеры. Во время работы переключатель потребляет ток не больше 30 мА, так что энергии двух батарей 3336Л или «Крона» вполне хватит на все новогодние праздники. Аналогичный переключатель можно использовать и для других целей. Например, для иллюминации масок, аттракционов. Представьте себе выпиленную из фанеры и разрисованную фигурку героя сказки «Кот в сапогах». Позади прозрачных глаз находятся лампочки от карманного фонаря, коммутируемые электронным переключателем, а на самой фигурке — кнопка. Стоит нажать кнопку, как кот тут же начнет подмигивать тебе. А разве нельзя использовать переключатель для электрификации некоторых моделей, например модели маяка? В этом случае в коллекторную цепь транзистора усилителя мощности можно вместо электромагнитного реле включить малогабаритную лампочку накаливания, рассчитанную на небольшой ток накала, которая станет имитировать вспышки маяка. Если такой переключатель дополнить тумблером, с помощью которого в коллекторную цепь выходного транзистора можно будет включать поочередно две такие лампочки, то он может стать указателем поворотов вашего велосипеда.

Каждый электрик должен знать:  Справочник электрика 4

Метроном — это своеобразные часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды. Такие приборы используют, например, для выработки чувства такта при обучении музыкальной грамоте, во время первых тренировок по передаче сигналов телеграфной азбукой. Схему одного из таких приборов вы видите на (рис. 6).

Рис. 6. Метроном на основе мультивибратора.

Это тоже мультивибратор, но несимметричный. В таком мультивибраторе использованы транзисторы разной структуры: Vl — n — p — n (МП35 — МП38), V2 — p — n — p (МП39 — МП42). Это позволило уменьшить общее число деталей мультивибратора. Принцип же его работы остается таким же — генерация возникает за счет положительной обратной связи между выходом и входом двухкаскадного усилителя 3Ч; связь осуществляется электролитическим конденсатором С1. Нагрузкой мультивибратора служит малогабаритная динамическая головка В1 со звуковой катушкой сопротивлением 4 — 10 Ом, например 0.1ГД — 6, 1ГД — 8 (или телефонный капсюль), создающая при кратковременных импульсах тока звуки, похожие на щелчки. Частоту следования импульсов можно регулировать переменным резистором R1 примерно от 20 до 300 импульсов в минуту. Резистор R2 ограничивает ток базы первого транзистора, когда движок резистора R1 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, соответствующем наибольшей частоте генерируемых колебаний. Метроном можно питать от одной батареи 3336Л или трех элементов 332, соединенных последовательно. Ток, потребляемый им от батареи, не превышает 10 мА. Переменный резистор R1 должен иметь шкалу, отградуированную по механическому метроному. Пользуясь ею, простым поворотом ручки резистора можно установить нужную частоту звуковых сигналов метронома.

Общие сведения о мультивибраторах

Широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, следовательно, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim — много и vibro — колеблю) — релаксационный генератор импульсов почти прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Различают два вида мультивибраторов: автоколебательные (не обладают состоянием устойчивого равновесия) и ждущие (обладают одним состоянием устойчивого равновесия и поэтому называются одновибраторы).

Сущность работы мультивибратора — переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R. Это переключение осуществляется с помощью транзисторных ключей.

Мультивибратор можно построить на базе биполярных транзисторов (БПТ), полевых транзисторов (ПТ), операционных усилителей постоянного тока (ОУПТ) и др.

3.2 Транзисторный мультивибратор. Принцип действия,
осциллограммы работы мультивибратора

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный RC-усилитель охваченный положительной обратной связью (ПОС). Для этого необходимо два транзисторных каскада включённых по схеме с ОЭ (см. рис.3.1) или два инвертирующих ОУПТ.

Для возбуждения мультивибратора необходимо выполнение двух условий — баланса фаз и баланса амплитуд.

т.к. фактор обратной связи , и ,

то фазовый сдвиг усилителя , что и обеспечивается двумя каскадами по схеме с ОЭ.

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема транзисторного мультивибратора

Мультивибраторы на БПТ наиболее часто выполняются по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (см. рис 3.2). Симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов: резисторов , и конденсатора ; параметры транзисторов одинаковы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход последнего. В схеме приведённого мультивибратора использованы транзисторы p-n-p типа.

Рисунок 3.2 — Симметричная схема транзисторного мультивибратора

При подсоединении схемы к источнику питания оба транзистора открыты и обуславливают коллекторные токи. Их рабочие точки находятся в активной области, поскольку на базы через резисторы , подаётся отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме ПОС выполняется условие и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько уменьшается ток транзистора . При этом коллектор транзистора получит отрицательное приращение потенциала . Поскольку напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора , открывая его. Потенциал на базе отрицательный, ток возрос, потери на резисторе возросли, получит приращение и будет приложено на ( ), т.е. ток уменьшиться, а ток возрастёт. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор входит в режим насыщения, а транзистор в режим отсечки.

Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). Время нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии определяется процессами перезарядки ёмкостей (см. рис.3.3).

Пусть транзистор заперт, а транзистор открыт – первое временно устойчивое состояние. Конденсатор заряжен, цепь заряда: ЭБ2 , , , и на “–”. Т.к заперт, то . В предыдущем цикле был открыт и напряжение на нём было . По мере заряжения ёмкости ток уменьшается, потери на уменьшаются и .

В момент времени (предыдущий цикл) транзистор насыщен, а транзистор – в отсечке. Ёмкость была заряжена до . Начиная с момента времени , ёмкость начнёт разряжаться. Цепь разряда: “ ”, , , и на “–” .

Напряжение за счёт открытого транзистора приложено между Б и Э транзистора (“ ” на Б, а “–” на Э).

После перезаряда конденсатора, если бы мы схему оставили в включённом режиме, то напряжение на меняется в . Потенциал , транзистор открывается. Транзистор закрывается и начинается лавинный процесс перехода транзисторов из одного состояния в другое. В результате этого процесса транзистор открыт, а транзистор закрыт – наступает второе временно устойчивое состояние.

Рисунок 3.3 — Временные диаграммы напряжений автоколебательного мультивибратора

Начинается заряд конденсатора по цепи “ ”, БЭ , , , и на “–” . Напряжение достигает нуля, т.е. больше . После переходный процесс повторяется.

Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого из транзисторов, почти прямоугольной формы.

Светодиодная мигалка — мультивибратор

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 10 апреля 2013 · Обновлено 29 августа 2020

Здравствуйте дорогие друзья и все читатели моего блога popayaem.ru. 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.

Все это будет дальше по тексту, а пока я хочу рассказать небольшом изменении на блоге.

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».

Эта ссылка 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 технологией ЛУТ 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.

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 [urlspan] RSS [/urlspan] или по [urlspan] E-mail. [/urlspan] 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.

Мультивибратор на транзисторах

Мультивибратор на транзисторах представляет собой генератор импульсов практически прямоугольной формы, созданный в виде усилительного элемента с цепью положительно-обратной связью. Существуют два типа мультивибраторов.

Первым типом являются автоколебательные мультивибраторы, которые не имеют устойчивого состояния. Различают два типа: симметричный – у него транзисторы одинаковы и также одинаковы параметры симметричных элементов. В результате этого две части периода колебаний равны между собой, а скважность равна двум. Если же параметры элементов не равны, то это уже будет несимметричный мультивибратор.

Второй тип это ждущие мультивибраторы, которые обладают состоянием устойчивого равновесия и нередко их именуют еще одновибратором. Применение мультивибратора в различных радиолюбительских устройствах довольно распространено.

Описание работы мультивибратора на транзисторах

Принцип работы проанализируем на примере следующей схемы.

Легко заметить, что она практически копирует принципиальную схему симметричного триггера. Различие только в том, что связи между блоками переключения, как прямая, так и обратная, осуществлены по переменному току, а не по постоянному. Это кардинально изменяет особенности устройства, так как в сравнении с симметричным триггером у схемы мультивибратора нет стабильных состояний равновесия, в которых он мог бы находиться продолжительное время.

Взамен этого имеются два состояния квазиустойчивого равновесия, благодаря чему устройство находится в каждом из них строго определенное время. Каждый такой промежуток времени определяется переходными процессами, происходящими в схеме. Функционирование устройства заключается к постоянной смене данных состояний, что сопровождается появлением на выходе напряжения, очень напоминающее по форме прямоугольное.

По сути своей симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель, причем схема построена, так что выход первого каскада соединен с входом второго. Вследствие этого после подачи питания на схему, обязательно получается, так что один из транзисторов открыт, а другой находится в закрытом состоянии.

Допустим, что транзистор VT1 открыт и находится в состоянии насыщения током, идущим через резистор R3. Транзистор VT2, как уже было сказано выше, закрыт. Теперь в схеме происходят процессы, связанные с перезарядом конденсаторов C1 и C2. Первоначально конденсатор C2 абсолютно разряжен и вслед за насыщением VT1 происходит постепенная зарядка его через резистор R4.

Поскольку конденсатор C2 шунтирует коллектор-эммитерный переход транзистора VT2 через эммитерный переход транзистора VT1, то скорость его заряда определяет скорость изменения напряжения на коллекторе VT2. После заряда C2 транзистор VT2 закрывается. Продолжительность этого процесса (длительность фронта напряжения коллектора) можно вычислить по формуле:

Также в работе схемы протекает и второй процесс, связанный с разрядом ранее заряженного конденсатора C1. Его разряд происходит через транзистор VT1, резистор R2 и источник питания. По мере разряда конденсатора на базе VT1 появляется положительный потенциал, и он начинает открываться. Данный процесс заканчивается после полного разряда C1. Длительность этого процесса (импульса) равна:

По прошествии времени t2a транзистор VT1 будет заперт, а транзистор VT2 будет в насыщении. После этого процесс повторится по аналогичной схеме и длительность интервалов следующих процессов можно рассчитать также по формулам:

t1b = 2,3*R4*C2 и t2b = 0,7*R3*C2

Для определения частоты колебаний мультивибратора справедливо следующее выражение:

Мультивибраторы на биполярных транзисторах

Мультивибраторы на биполярных транзисторах наиболее часто выполняют по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (рис. 17.1,а). Как и для триггера, симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов, т. е. RK1=RK2, RБ1=RБ2, СБ1Б2, параметры транзисторов одинаковы. Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. В схеме мультивибратора использованы транзисторы р-п-р-типа.

При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки (их рабочие точки находятся в активной области 3, см. рис. 3.10, а), поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие вКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2, подзапирая его. Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 — в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 — положительным напряжением на конденсаторе СБ1 ( = UБ2 > 0), который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база — эмиттер транзистора VT2.

Рис. 17.1 Симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах:

a — схема; б — временные диаграммы

На временных диаграммах рис. 17.1, б описанные процессы соответствуют моменту времени t = 0. Теперь конденсатор СБ2 быстро заряжается по цепи +ЕK — эмиттер — база транзистора VTl — CБ2 — RК2 — ЕK до напряжения Ек. Конденсатор СБ1 заряженный в предыдущий период, перезаряжается через резистор RБ2 и открытый транзистор VT1 током источника питания Ек и напряжение на нем стремится уменьшиться до — Ек (см. график для UБ2). В момент времени t1 напряжение = UБ2 меняет знак, что вызывает отпирание транзистора VT2 и появление IK2. Увеличение тока IK2 приводит к процессу, аналогичному описанному ранее при увеличении тока IK1. В результате транзистор VT2 входит в режим насыщения, а транзистор VT1 — в режим отсечки (второе временно устойчивое состояние равновесия). В промежутке времени tx —12 происходит заряд конденсатора СБ1 и перезаряд конденсатора СБ2.

Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор, формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого транзистора, почти прямоугольной формы.

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис.33а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рис. 33. Схема мультивибратора (а) и временнaя диаграмма его работы (б)

Когда напряжение uc достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 33б).

Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

При начальных условиях uc(0) = -Uп решение этого уравнения имеет вид:

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта (условие uc(t)=Uп), будет достигнуто спустя время

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения Uм, которое, в свою очередь определяется напряжением питания Uпит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения.

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз. Схема мультивибратора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. Так как при реализации схемы генератора нас интересует максимальный петлевой коэффициент усиления, то последовательный резистор мы тоже можем исключить. Для обеспечения автоматического запуска генератора в схеме остается резистор, включенный с выхода на вход первого инвертора. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 — Упрощённая схема мультивибратора.

В этой схеме возможно задавать только частоту генерируемых импульсов. Она будет определяться произведением R1 C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента.

Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = RC (Т = а t, где а обычно имеет значение 1. 2). Частоту следования импульсов можно оценить (с точностью до 10%) из выражения f = 1/2RC.

Достаточно часто требуется получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап или полевой транзистор. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема генератора, управляемого напряжением

Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже может изменяться в десятки и сотни раз. Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности. Примером специализированных микросхем — генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1.

В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты

При применении такой схемы кварцевого генератора следует учитывать, что кварцевый резонатор в ней работает на частоте последовательного резонанса, которая отличается от частоты параллельного резонанса, используемого в осцилляторной схеме генератора.

Добавить комментарий