Мультивибратор в автоколебательном режиме
Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным усилителем на резисторах с положительной обратной связью, в котором выход каждого каскада соединен со входом другого. Само название "мультивибратор" происходит от двух слов: "мульти" — много и "вибратор" — источник колебаний, поскольку колебания мультивибратора содержат большое число гармоник. Мультивибратор может работать в автоколебательном режиме, режиме синхронизации и ждущем режиме. В автоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, в режиме синхронизации на мультивибратор действует извне синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов, ну а в ждущем режиме мультивибратор работает как генератор с внешним возбуждением.
Мультивибратор в автоколебательном режиме
На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями, на рисунке 2 — графики, поясняющие принцип его работы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов на резиках. Выход каждого каскада соединен со входом другого каскада через кондеры С1 и С2.
Рис. 1 — Мультивибратор на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями
Мультивибратор, у которого транзисторы идентичны, а параметры симметричных элементов одинаковы, называется симметричным. Обе части периода его колебаний равны и скважность равна 2. Если кто забыл, что такое скважность, напоминаю: скважность — это отношение периода повторения к длительности импульса Q=Tи/tи. Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения. Так вот, если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным.
Мультивибратор в автоколебательном режиме имеет два состояния квазиравновесия, когда один из транзисторов находится в режиме насыщения, другой — в режиме отсечки и наоборот. Эти состояния не устойчивые. Переход схемы из одного состояния в другое происходит лавинообразно из-за глубокой ПОС.
Рис. 2 — Графики, поясняющие работу симметричного мультивибратора
Допустим, при включении питания транзистор VT1 открыт и насыщен током, проходящим через резик R3. Напряжение на его коллекторе минимально. Кондер С1 разряжается. Транзистор VT2 закрыт и кондер С2 заряжается. Напряжение на кондере С1 стремится к нулю, а потенциал на базе транзистора VT2 постепенно становится положительным и VT2 начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается и кондер С2 начинает разряжаться, транзистор VT1 закрывается. Далее процесс повторяется до бесконечности.
Параеметры схемы должны быть следующими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Длительность импульсов определяется по формуле:
Период импульсов определяется:
Ну а чтобы определить частоту, надо единицу разделить на вот эту вот хренотень (см. чуть выше).
Выходные импульсы снимаются с коллектора одного из транзисторов, причем с какого именно — не важно. Другими словами, в схеме два выхода.
Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может быть достигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов, как показано на рисунке 3. Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам подключены дополнительные резики Rд1 и Rд2.
Рис. 3 — Мультивибратор с улучшенной формой выходных импульсов
В этой схеме после закрывания одного из транзисторов и понижения потенциалла коллектора подключенный к его коллектору диод также закрывается, отключая кондер от коллекторной цепи. Заряд кондера происходит через дополнительный резик Rд, а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится равным Eк. Максимальная длительность фронтов импульсов в коллекторных цепях определяется в основном частотными свойствами транзисторов.
Такая схема позволяет получить импульсы почти прямоугольной формы, но её недостатки заключаются в более низкой максимальной скважности и невозможностью плавной регулировки периода колебаний.
На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний.
Рис. 4 — Быстродействующий мультивибратор
В этой схеме резики R2, R4 подключены параллельно кондерам С1 и С2, а резики R1, R3 ,R4, R6 образуют делители напряжения, стабилизирующие потенциал базы открытого транзистора (при токе делителя, большем тока базы). При переключении мультивибратора ток базы насыщенного транзистора изменяется более резко, чем в ранее рассмотренных схемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выход транзистора из насыщения.
Ждущий мультивибратор
Мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме и не имеющий состояния устойчивого равновесия, можно превратить в мультивибратор, имеющий одно устойчивое положение и одно неустойчивое положение. Такие схемы называются ждущими мультивибраторами или одновибриторами, одноимпульсными мультивибраторами, релаксационными реле или кипп-реле. Перевод схемы из устойчивого состояния в неустойчивое происходит путем воздействия внешнего запускающего импульса. В неустойчивом положении схема находится в течение некоторого времени в зависимости от её параметров, а затем автоматически, скачком возвращается в первоначальное устойчивое состояние.
Для получения ждущего режима в мультивибраторе, схема которого была показана на рис. 1, надо выкинуть пару деталюшек и заменить их, как показано на рис. 5.
Рис. 5 — Ждущий мультивибратор
В исходном устойчивом состоянии транзистор VT1 закрыт. Когда на вход схемы приходит положительный запускающий импульс достаточной амплитуды, через транзистор начинает проходить коллекторный ток. Изменение напряжения на коллекторе транзистра VT1 передается через кондер С2 на базу транзистора VT2. Благодаря ПОС (через резик R4) нарастает лавинообразный процесс, приводящий к закрыванию транзистора VT2 и открыванию транзистора VT1. В этом состоянии неустойчивого равновесия схема находится до тех пор, пока кондер С2 не разрядится через резик R2 и проводящий транзистор VT1. После разряда кондера транзистор VT2 открывается, а VT1 закрывается и схема возвращается в исходное состояние.
Блокинг-генераторы
Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотен мкс. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е. длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность может быть от нескольких сотен до десятков тысяч. Транзистор, на котором собран блокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, а остальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течении которого транзистор открыт, много меньше времени, в течении которого он закрыт. Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой на коллекторе. Благодаря большой скважности в блокинг-генераторе можно получить очень большую мощность во время импульсов малой и средней мощности.
При большой скважности блокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляет энергию от источника питания только в течении небольшого времени формирования импульса. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.
Генераторы на ОУ: мультивибраторы
Всем доброго времени суток! Прошлая статья была посвящена компараторам и триггерам Шмитта на операционных усилителях. Я упоминал, что они служат основой для построения различных видов генераторов колебаний. Среди всех типов генерируемых сигналов можно выделить четыре основных формы импульса: прямоугольная, треугольная, пилообразная и синусоидальная. В соответствии с этими формами импульса получили названия и генераторы сигналов.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Принцип построения импульсных генераторов на ОУ
В предыдущих статьях я рассказывал об импульсных генераторах с различной формой импульсов, выполненных на транзисторах. Для простых устройств их, возможно, применять, но для создания сложных устройств с регулировкой различных параметров их схемы оказываются неоправданно трудоёмкими в настройке и разработке. Поэтому для упрощения схемотехнической реализации применяют генераторы импульсов в основе, которых лежат операционные усилители.
В общем случае для получения импульсов различной формы требуется замкнутая система, которая состоит из трёх основных частей: интегратора, компаратора и логической схемы.
Блок-схема генератора колебаний различной формы.
Хотя схема состоит из трех частей, но довольно часто в простых генераторах применяют один-два операционных усилителя. Для повышения гибкости и универсальности схем генераторов можно добавлять дополнительные ОУ.
Первой рассматриваемым генератором будет мультивибратор, то есть генератор прямоугольных импульсов.
Автоколебательный мультивибратор на ОУ
Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора на ОУ
Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе.
Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C1.
Рассмотрим работу мультивибратора. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается ПОС при помощи резисторов R2R3. Так как опорное напряжение триггера равно нулю, то напряжение верхнего порогового уровня будет равно
а нижнего порога переключения триггера
Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R2R3 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения.
Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С1, а следовательно и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входе будет расти, а следовательно будет происходить рост выходного напряжения.
В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе UC (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня UВП триггера Шмитта и выходное напряжение UВЫХ скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения UНАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения UВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения UНАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует график расположенный ниже
График напряжений в мультивибраторе: на выходе мультивибратора (верхний) и на конденсаторе С1 (нижний).
Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянной времени интегрирующей цепочки R1C1, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется следующим выражением
Не трудно заметить, что при
В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и R3 соотношения будут выглядеть следующим образом
Улучшение параметров мультивибратора
Стабильность частоты амплитуды генерирования простого мультивибратора, изображённого в начале статьи, во многом определяется стабильностью характеристик насыщения операционного усилителя, поэтому для улучшения параметров выходных импульсов (длительности и амплитуды) необходимо обеспечить стабильность амплитуды выходных импульсов и постоянной времени цепочки R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора, в которой сведены к минимуму недостатки предыдущей схемы.
Улучшенная схема мультивибратора.
В данной схеме мультивибратора введены дополнительные элементы: входные резисторы R1 и R3, повышающие входное сопротивление ОУ и двухсторонний параметрический стабилизатор R4VD1VD2, стабилизирующий амплитуду выходных импульсов. Введение резисторов R1 и R3 связано с тем, чтобы увеличить входное сопротивление ОУ, так как они снабжены защитой по входам при больших дифференциальных сигналах. Их величина выбирается на порядок больше, чем сопротивление резисторов R5 и R6 и имеет порядок сотен килом.
Ещё большего улучшения параметров мультивибратора можно добиться, если резистор в интегрирующей RC цепочке заметить транзисторным генератором тока.
Если ставится задача получения несимметричного мультивибратора, то резистор в цепи ООС заменяется двумя параллельными диодно-резисторными цепями, что изображено на рисунке ниже
Схема несимметричного мультивибратора на операционном усилителе.
Ждущий мультивибратор (одновибратор)
Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже
Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе.
Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.
Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.
Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (UНАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (UПП), которое определяется следующим выражением
На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).
Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (UВХ min) должна быть равна
В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (UНАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.
Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (UНАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением
Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.
Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.
Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ
Принцип работы мультивибратора
Мультивибратор — это простой генератор прямоугольных импульсов, который работает в режиме автогенератора. Для его работы необходимо лишь питание от батареи, или другого источника питания. Работа симметричного мультивибратора основана на зарядно-разрядных процессах конденсаторов, образующих совместно с резисторами RC-цепочки.
Как работает мультивибратор?
В начальный момент подачи питания конденсаторы С1 и С2 разряжены, поэтому их сопротивление току мало. Малое сопротивление конденсаторов приводит к тому, что происходит «быстрое» открывание транзисторов, вызванное протеканием тока:
— VT2 по пути (показано красным цветом): «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания»;
— VT1 по пути (показано синим цветом): «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление разряженного С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания».
Это является «неустановившимся» режимом работы мультивибратора. Длится он в течение очень малого времени, определяемого лишь быстродействием транзисторов. А двух абсолютно одинаковых по параметрам транзисторов , не существует. Какой транзистор откроется быстрее, тот и останется открытым — «победителем». Предположим, что на нашей схеме это оказался VT2. Тогда, через малое сопротивление разряженного конденсатора С2 и малое сопротивление коллекторно-эмиттерного перехода VT2, база транзистора VT1 окажется замкнута на эмиттер VT1. В результате транзистор VT1 будет вынужден закрыться — «стать побеждённым».
Поскольку транзистор VT1 закрыт, происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Этот заряд происходит почти до напряжения источника питания.
Одновременно происходит заряд конденсатора С2 током обратной полярности по пути: «+ источника питания > резистор R3 > малое сопротивление разряженного С2 > коллекторно-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Длительность заряда определяется номиналами R3 и С2. Они и определяют время, при котором VT1 находится в закрытом состоянии.
Когда конденсатор С2 зарядится до напряжения приблизительно равным напряжению 0,7-1,0 вольт, его сопротивление увеличится и транзистор VT1 откроется напряжением приложенным по пути: «+ источника питания > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». При этом, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. В результате VT2 закроется, а ток, который ранее проходил через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2 побежит по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». По этой цепи произойдёт быстрый перезаряд конденсатора С2. С этого момента начинается «установившийся» режим автогенерации.
Работа симметричного мультивибратора в «установившемся» режиме генерации
Начинается первый полупериод работы (колебания) мультивибратора.
При открытом транзисторе VT1 и закрытом VT2, как я только что написал, происходит быстрый перезаряд конденсатора С2 (от напряжения 0,7…1,0 вольта одной полярности, до напряжения источника питания противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». Кроме того, происходит медленный перезаряд конденсатора С1 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > — -источника питания».
Когда, в результате перезаряда С1, напряжение на базе VT2 достигнет значения +0,6 вольта относительно эмиттера VT2, транзистор откроется. Поэтому, напряжение заряженного конденсатора С2, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT1 обратной полярностью. VT1 закроется.
Начинается второй полупериод работы (колебания) мультивибратора.
При открытом транзисторе VT2 и закрытом VT1 происходит быстрый перезаряд конденсатора С1 (от напряжения 0,7…1,0 вольта одной полярности, до напряжения источника питания противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление С1 > базо-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Кроме того, происходит медленный перезаряд конденсатора С2 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «правая обкладка С2 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT2 > — источника питания > + источника питания > резистор R3 > левая обкладка С2». Когда напряжение на базе VT1 достигнет значения +0,6 вольта относительно эмиттера VT1, транзистор откроется. Поэтому, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. VT2 закроется. На этом, второй полупериод колебания мультивибратора заканчивается, и снова начинается первый полупериод.
Процесс повторяется до момента отключения мультивибратора от источника питания.
Способы подключения нагрузки к симметричному мультивибратору
Прямоугольные импульсы снимаются с двух точек симметричного мультивибратора – коллекторов транзисторов. Когда на одном коллекторе присутствует «высокий» потенциал, то на другом коллекторе – «низкий» потенциал (он отсутствует), и наоборот – когда на одном выходе «низкий» потенциал, то на другом — «высокий». Это наглядно показано на временном графике, изображённом ниже.
Нагрузка мультивибратора должна подключаться параллельно одному из коллекторных резисторов, но ни в коем случае не параллельно транзисторному переходу коллектор-эмиттер. Нельзя шунтировать транзистор нагрузкой. Если это условие не выполнять, то как минимум — изменится длительность импульсов, а как максимум – мультивибратор не будет работать. На рисунке ниже показано, как подключить нагрузку правильно, а как не надо это делать.
Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.
На примере показано подключение низкоомной динамической головки к мультивибратору. Добавочный резистор повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора мультивибратора.
Для подключения к мультивибратору высокоомной динамической головки буферный каскад не нужен. Головка подключается вместо одного из коллекторных резисторов. Должно выполняться единственное условие – ток, идущий через динамическую головку не должен превышать максимальный ток коллектора транзистора.
Если вы хотите подключить к мультивибратору обычные светодиоды – сделать «мигалку», то для этого буферные каскады не требуются. Их можно подключить последовательно с коллекторными резисторами. Связано это с тем, что ток светодиода мал, и падение напряжения на нём во время работы не более одного вольта. Поэтому они не оказывают никакого влияния на работу мультивибратора. Правда это не относится к сверхярким светодиодам, у которых и рабочий ток выше, и падение напряжения может быть от 3,5 до 10 вольт. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора.
Обратите внимание, что оксидные (электролитические) конденсаторы подключаются плюсами к коллекторам транзисторов. Связано это с тем, что на базах биполярных транзисторов напряжение не поднимается выше 0,7 вольта относительно эмиттера, а в нашем случае эмиттеры – это минус питания. А вот на коллекторах транзисторов напряжение изменяется почти от нуля, до напряжения источника питания. Оксидные конденсаторы не способны выполнять свою функцию при их подключении обратной полярностью. Естественно, если вы будете применять транзисторы другой структуры (не N-P-N, a P-N-P структуры), то кроме изменения полярности источника питания, необходимо развернуть светодиоды катодами «вверх по схеме», а конденсаторы – плюсами к базам транзисторов.
Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора?
На что влияют номиналы коллекторных резисторов? Я встречал в некоторых бездарных интернетовских статьях, что номиналы коллекторных резисторов незначительно, но влияют на частоту мультивибратора. Всё это полная чушь! При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений этих резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит частоты мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. Но зато, номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность мультивибратора прямого влияния не оказывают. А вот длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).
Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.
Длительность перезаряда конденсаторов определяется простой формулой, где Тау – длительность импульса в секундах, R – сопротивление резистора в Омах, С – ёмкость конденсатора в Фарадах:
Таким образом, если вы уже не забыли написанное в этой статье на пару абзацев ранее:
При равенстве R2=R3 и С1=С2, на выходах мультивибратора будет «меандр» — прямоугольные импульсы с длительностью равной паузам между импульсами, который вы видите на рисунке.
Полный период колебания мультивибратора – T равен сумме длительностей импульса и паузы:
Частота колебаний F (Гц) связана с периодом Т (сек) через соотношение:
Как правило, в интернете если и есть какие либо расчёты радиоцепей, то они скудные. Поэтому произведём расчёт элементов симметричного мультивибратора на примере.
Как и любые транзисторные каскады, расчёт необходимо вести с конца — выхода. А на выходе у нас стоит буферный каскад, потом стоят коллекторные резисторы. Коллекторные резисторы R1 и R4 выполняют функцию нагрузки транзисторов. На частоту генерации коллекторные резисторы никакого влияния не оказывают. Они рассчитываются исходя из параметров выбранных транзисторов. Таким образом, сначала рассчитываем коллекторные резисторы, потом базовые резисторы, потом конденсаторы, а затем и буферный каскад.
Мультивибратор в автоколебательном режиме
На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями, на рисунке 2 — графики, поясняющие принцип его работы.
Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов на резиках. Выход каждого каскада соединен со входом другого каскада через кондеры С1 и С2.
Рис. 1 — Мультивибратор на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями
Мультивибратор, у которого транзисторы идентичны, а параметры симметричных элементов одинаковы, называется симметричным. Обе части периода его колебаний равны и скважность равна 2. Если кто забыл, что такое скважность, напоминаю: скважность — это отношение периода повторения к длительности импульса Q=Tи /tи . Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения. Так вот, если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным.
Мультивибратор в автоколебательном режиме имеет два состояния квазиравновесия, когда один из транзисторов находится в режиме насыщения, другой — в режиме отсечки и наоборот. Эти состояния не устойчивые. Переход схемы из одного состояния в другое происходит лавинообразно из-за глубокой ПОС.
Рис. 2 — Графики, поясняющие работу симметричного мультивибратора
Допустим, при включении питания транзистор VT1 открыт и насыщен током, проходящим через резик R3. Напряжение на его коллекторе минимально. Кондер С1 разряжается. Транзистор VT2 закрыт и кондер С2 заряжается. Напряжение на кондере С1 стремится к нулю, а потенциал на базе транзистора VT2 постепенно становится положительным и VT2 начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается и кондер С2 начинает разряжаться, транзистор VT1 закрывается. Далее процесс повторяется до бесконечности.
Параеметры схемы должны быть следующими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Длительность импульсов определяется по формуле:
Период импульсов определяется:
Ну а чтобы определить частоту, надо единицу разделить на вот эту вот хренотень (см. чуть выше).
Выходные импульсы снимаются с коллектора одного из транзисторов, причем с какого именно — не важно. Другими словами, в схеме два выхода.
Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может быть достигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов, как показано на рисунке 3. Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам подключены дополнительные резики Rд1 и Rд2 .
Рис. 3 — Мультивибратор с улучшенной формой выходных импульсов
В этой схеме после закрывания одного из транзисторов и понижения потенциалла коллектора подключенный к его коллектору диод также закрывается, отключая кондер от коллекторной цепи. Заряд кондера происходит через дополнительный резик Rд , а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится равным Eк . Максимальная длительность фронтов импульсов в коллекторных цепях определяется в основном частотными свойствами транзисторов.
Такая схема позволяет получить импульсы почти прямоугольной формы, но её недостатки заключаются в более низкой максимальной скважности и невозможностью плавной регулировки периода колебаний.
На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний.
Рис. 4 — Быстродействующий мультивибратор
В этой схеме резики R2, R4 подключены параллельно кондерам С1 и С2, а резики R1, R3 ,R4, R6 образуют делители напряжения, стабилизирующие потенциал базы открытого транзистора (при токе делителя, большем тока базы). При переключении мультивибратора ток базы насыщенного транзистора изменяется более резко, чем в ранее рассмотренных схемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выход транзистора из насыщения.
Ждущий мультивибратор
Мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме и не имеющий состояния устойчивого равновесия, можно превратить в мультивибратор, имеющий одно устойчивое положение и одно неустойчивое положение.
Такие схемы называются ждущими мультивибраторами или одновибриторами, одноимпульсными мультивибраторами, релаксационными реле или кипп-реле. Перевод схемы из устойчивого состояния в неустойчивое происходит путем воздействия внешнего запускающего импульса.
В неустойчивом положении схема находится в течение некоторого времени в зависимости от её параметров, а затем автоматически, скачком возвращается в первоначальное устойчивое состояние.
Для получения ждущего режима в мультивибраторе, схема которого была показана на рис. 1, надо выкинуть пару деталюшек и заменить их, как показано на рис. 5.
Рис. 5 — Ждущий мультивибратор
В исходном устойчивом состоянии транзистор VT1 закрыт. Когда на вход схемы приходит положительный запускающий импульс достаточной амплитуды, через транзистор начинает проходить коллекторный ток. Изменение напряжения на коллекторе транзистра VT1 передается через кондер С2 на базу транзистора VT2. Благодаря ПОС (через резик R4) нарастает лавинообразный процесс, приводящий к закрыванию транзистора VT2 и открыванию транзистора VT1. В этом состоянии неустойчивого равновесия схема находится до тех пор, пока кондер С2 не разрядится через резик R2 и проводящий транзистор VT1. После разряда кондера транзистор VT2 открывается, а VT1 закрывается и схема возвращается в исходное состояние.
Блокинг-генераторы
Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотен мкс. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е. длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность может быть от нескольких сотен до десятков тысяч. Транзистор, на котором собран блокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, а остальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течении которого транзистор открыт, много меньше времени, в течении которого он закрыт. Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой на коллекторе. Благодаря большой скважности в блокинг-генераторе можно получить очень большую мощность во время импульсов малой и средней мощности.
При большой скважности блокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляет энергию от источника питания только в течении небольшого времени формирования импульса. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.
Автоколебательный режим
Блокинг-генераторы могут быть собраны на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или по схеме с ОБ. Схему с ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшую длительность фронта), хотя схема с ОБ более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора.
Схема блокинг-генератора показана на рис. 1.
Рис. 1 — Блокинг-генератор
Работу блокинг-генератора можно разделить на две стадии. В первой стадии, занимающей большую часть периода колебаний, транзистор закрыт, а во второй — транзистор открыт и происходит формирование импульса. Закрытое состояние транзистора в первой стадии поддерживается напряжением на кондере С1, заряженным током базы во время генерации предыдущего импульса. В первой стадии кондер медленно разряжается через большое сопротивление резика R1, создавая близкий к нулевому потенциал на базе транзистора VT1 и он остается закрытым.
Когда напряжение на базе достигнет порога открывания транзистора, он открывается и через коллекторную обмотку I трансформатора Т начинает протекать ток. При этом в базовой обмотке II индуктируется напряжение, полярность которого должна быть такой, чтобы оно создавало положительный потенциал на базе. Если обмотки I и II включены неправильно, то блокинг-генератор не будет генерировать. Значится, концы одной из обмоток, неважно какой, необходимо поменять местами.
Мультивибратор на транзисторах
Мультивибратор на транзисторах – это генератор прямоугольных сигналов. Ниже на фото одна из осциллограмм симметричного мультивибратора.
Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы со скважностью два. Подробнее про скважность можно прочитать в статье генератор частоты. Принцип действия симметричного мультивибратора мы будем использовать для поочередного включения светодиодов.
Какую форму имеют импульсы напряжения на выходе автоколебательного мультивибратора
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
- Register
- Login
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 3 – R 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 2 – R 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: