Как вычисляется частота следования импульсов симметричного мультивибратора

Всё о симметричном мультивибраторе

Симметричный мультивибратор — схема, которая встречалась практически каждому начинающему радиолюбителю. С одной стороны, схема очень проста. С другой, необходимо хорошо разбираться в принципах работы мультивибратора, потому что эта схема даёт основу многим другим электронным узлам: формирователям импульса, триггерам, делителям частоты и т.д.

Общие принципы работы мультивибратора

Как сказано в энциклопедии, «симметричный мультивибратор — это двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью». Посмотрим на схему:

Рис. 1. Двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью

Если Вы читали статью об усилительном каскаде на транзисторе, то все действующие лица на этой схеме Вам хорошо знакомы. Это разделительный конденсатор C, базовый резистор R_б, задающий ток смещения, и R_к в качестве нагрузки. И таких каскада здесь два, они абсолютно одинаковы.

Что необычно — это провод обратной связи (на схеме показан красным), который замыкает наш двухкаскадный усилитель в кольцо. Именно благодаря положительной обратной связи наш усилитель превращается в генератор, управляя сам собой и поддерживая незатухающие колебания.

Процессы, происходящие в мультивибраторе

Давайте теперь более детально разберём, какие электронные процессы происходят в мультивибраторе. Но для начала перерисуем его схему более «традиционным» образом, подчёркивая симметричность:

Рис. 2. Та же схема, скомпонованная по-другому

Можете сравнить и убедиться, что это та же самая схема, что на предыдущем рисунке. Я оставил прежние обозначения элементов, чтобы легче было понять, к какому именно из двух каскадов относится та или иная деталь.

Включение питания

В первый момент после включения питания оба транзистора начинают открываться. Откуда берётся открывающий ток? Рассмотрим на примере транзистора T₁

Рис. 3. Момент включения питания: токи, открывающие транзистор

Первый, очевидный путь — через R_б1, на рисунке синяя стрелка. Второй, не столь очевидный — через конденсатор C₁. Не будем забывать, что в первый момент времени конденсатор разряжен, его сопротивление практически нулевое, и в цепи возникает ток заряда через R_к2 — С₁ — эмиттерный переход T₁. Этот путь показан красной стрелкой.

Тут важно отметить, что коллекторные сопротивления R_к в этой схеме значительно меньше базовых R_б, как минимум на порядок, а то и на несколько. Значит, «красная» составляющая в первый момент будет давать больший вклад.

Борьба транзисторов

Однако полностью открыться оба транзистора не успевают. Дело в том, что, открываясь, транзистор начинает мешать своему коллеге. К примеру, как только у T₂ появляется коллекторный ток, потенциал на правой обкладке C₁ падает. По сути, ток через конденсатор начинает течь в обратном направлении: через R_б1 — C₁ — коллекторный переход T₂:

Рис. 4. Направление тока через открывающийся транзистор

Получается, что на базе T₁ потенциал падает, T₁ стремится закрыться. Но, закрываясь, он ускоряет открытие T₂, что приводит к ещё большему запиранию T₁.

Эти же рассуждения можно симметрично применить к T₂. То есть транзисторы борются друг с другом, стремясь открыться и при этом закрыть соседа.

Равновесие тут не наступает, обязательно в итоге один из транзисторов побеждает и полностью открывается, переходя в режим насыщения, а его коллега полностью закрывается. Дело в том, что, хоть транзисторы у нас и одинаковой модели, но физически невозможно создать два абсолютно идентичных транзистора. У одного из них коэффициент усиления будет чуточку выше, этот транзистор и выйдет победителем. Пусть для определённости у нас T₁ окажется закрыт, а T₂ открыт.

Генерация

Все вышеописанные процессы происходят очень быстро, они лимитируются только быстродействием транзисторов. После этого схема стабилизируется и находится в устойчивом состоянии. Однако, эта стабильность только кажущаяся, т. к. продолжаются некоторые процессы, связанные с зарядом-разрядом конденсаторов:

Рис. 5. После переключения транзисторов: быстрый заряд C₂ и медленный заряд C₁

Во-первых, конденсатор C₂ достаточно быстро заряжается — сопротивление R_к1 сравнительно мало. На рисунке путь его зарядки показан красной линией.

Если C₂ быстро зарядился и ток через него прекратился, что же поддерживает транзистор T₂ открытым? Ответ: ток через R_б2. Этот ток хоть и поменьше, чем через C₂ в первый момент, но его вполне достаточно, чтобы транзистор был полностью открыт (находился в режиме насыщения).

Во-вторых, конденсатор C₁ тоже заряжается, но помедленнее из-за относительно большого сопротивления R_б1 — см. синюю линию на рисунке. Заметим, что напряжение на C₁ приложено плюсом к базе T₁, и по мере заряда С₁ оно растёт. В какой-то момент (при достижении значения порядка 0.6 В) оно станет достаточным для открытия T₁, и этот транзистор откроется.

А тут в засаде поджидает C₂, уже давно полностью заряженный и уставший от безделья. После открытия T₁ получается так, что весь накопленный потенциал C₂ оказывается приложен к эмиттерному переходу T₂, причём в запирающей полярности, из-за чего T₂ мгновенно закрывается:

Рис. 6. В момент открытия T₁ конденсатор C₂ запирает T₂

Пояснение: ток не течёт по красной линии, это только показано направление потенциала. Дело в том, что эмиттерный переход T₂ запирается этим потенциалом и его сопротивление очень велико. Более того, закрываясь, T₂ ускоряет открытие T₁, т.к. потенциал на его коллекторе растёт, и заставляет конденсатор C₁ ещё больше разряжаться через эмиттерный переход T₁, открывая его. Получается такой лавинообразный самоусиливающийся процесс одновременного переключения транзисторов в противоположное состояние.

Ну а дальше события начинают повторяться симметрично: C₂ потихоньку перезаряжается в противоположной полярности, через R_б2 и только что открывшийся T₁, пока его потенциал не становится достаточным для открытия T₂, и снова происходит переключение транзисторов и так далее.

Частота мультивибратора

Отметим, что заряд конденсатора через R_б продолжается сравнительно долго по времени, а вот переключение транзисторов происходит практически мгновенно. Поэтому мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы. А их частота определяется временем заряда конденсаторов:

где f — частота (Гц), C — ёмкость в фарадах, R — сопротивление в омах

Остаётся добавить парочку технических замечаний. Первое: у мультивибратора два выхода, сигнал можно снимать и с коллектора T₁ и с коллектора T₂. Эти два сигнала находятся в противофазе, в некоторых схемах используется это свойство и задействованы оба сигнала. При подключении нагрузки важно не зашунтировать транзистор, иначе есть риск внести искажения в работу мультивибратора, или даже вовсе сорвать генерацию. Лучше всего нагрузку подключать параллельно коллекторному сопротивлению.

Ну и второе замечание. Очевидное, но без его упоминания статья была бы неполная: мы разбираем здесь схему на основе транзисторов n-p-n, но точно также мультивибратор можно построить на транзисторах p-n-p, поменяв полярность питания. А также на радиолампах, операционных усилителях, логических элементах и т. д. — главное, чтобы были два усилительных каскада, охваченных ОС. Одна из таких схем будет приведена ниже.

Работающая схема

Чтобы наглядно продемонстрировать работу мультивибратора, я собрал схемку на макетной плате. Последовательно с R_к1 и R_к2 поставил по светодиоду.

Номиналы деталей следующие:

• T1, T2 — С1815
• Rк1, Rк2 — 1 кОм
• Rб1, Rб2 — 47 кОм
• C1, C2 — 10 мкФ (электролитические, подключаются плюсом к коллектору, минусом к базе)
• Напряжение питание — 5 В.

Рис. 7. Работающая модель мультивибратора

Альтернативные схемы

Рассмотрим несколько альтернативных схем, а также некоторые способы улучшить характеристики мультивибратора.

Мультивибраторы с регулировкой частоты и скважности

Рис. 8. Схема мультивибратора с регулировкой частоты (слева) и скважности (справа)

В левой схеме за счёт переменного резистора меняются величины R_б, значит, и частота генератора. В правой сумма R_б1 + R_б2 остаётся неизменной, но меняется соотношение сопротивлений в базовых цепях. Таким образом, частота фиксирована, зато меняется скважность (соотношение длины импульса и паузы). Строго говоря, это уже несимметричный мультивибратор.

Мультивибратор с улучшенной формой сигнала

Если Вы внимательно читали объяснение работы мультивибратора выше, Вы помните, что после переключения транзисторов происходит быстрый перезаряд одного из конденсаторов через коллекторный резистор R_к (см. рис. 5, красная линия). Однако, поскольку полезный сигнал снимается именно с коллектора, меняющееся на конденсаторе напряжение вносит в этот сигнал совершенно ненужные помехи. В схеме на следующем рисунке введён дополнительный резистор, через который и происходит тот самый заряд конденсатора:

Рис. 9. Разделяем пути заряда и разряда конденсаторов: улучшаем форму сигнала

От коллектора конденсатор отделён диодом, который не даёт конденсатору искажать фронт импульса в момент переключения транзисторов. Но этот же диод прекрасно позволяет конденсатору заряжаться во время квази-стабильного состояния мультивибратора между переключениями через R_б — диод — открытый транзистор.

Мультивибратор на логических элементах

Рис. 10. Мультивибратор на элементах 2И-НЕ

Альтернативную схему мультивибратора на логике смотрите в этой статье.

Трёхфазный мультивибратор

Рис. 11. Схема трехкаскадного мультивибратора

Здесь последовательно включены не два каскада, а три. Работает схема таким образом, что в каждый момент времени 2 транзистора открыты, один закрыт. Вы можете сами попробовать разобраться в работе этой схемы, взяв за основу описание симметричного мультивибратора выше.

Рис. 12. Рабочая моделька

Комментарии (1)

Вечный вопрос: как работает мультивибратор, у которого Rб1 и Rб2 соединяют базу с эмиттером (а не с плюсом)?

Симметричный мультивибратор. Расчёт и схема мультивибратора

Радиоэлементы и радиосхемы, принципы работы

схема мультивибратора

Мультивибратор — это простой генератор прямоугольных импульсов, который работает в режиме автогенератора. Для его работы необходимо лишь питание от батареи, или другого источника питания. Рассмотрим самый простой симметричный мультивибратор на транзисторах. Схема его представлена на рисунке. Мультивибратор может быть усложнён в зависимости от необходимых выполняемых функций, но все элементы, представленные на рисунке, являются обязательными, без них мультивибратор работать не будет.

Работа симметричного мультивибратора основана на зарядно-разрядных процессах конденсаторов, образующих совместно с резисторами RC-цепочки.

О том, как работают RC-цепочки, я писал ранее в своей статье Конденсатор, которую вы можете почитать на моём сайте. На просторах интернета если и находишь материал о симметричном мультивибраторе, то он излагается кратко, и не доходчиво. Это обстоятельство не позволяет начинающим радиолюбителям что-либо понять, а только помогает опытным электронщикам что-либо вспомнить. По просьбе одного из посетителей моего сайта я решил исключить этот пробел.

Как работает мультивибратор?

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».

Мультивибратор на транзисторах

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.

Симметричный мультивибратор. Расчёт мультивибратора

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.

Работа симметричного мультивибратора в «установившемся» режиме генерации

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.

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

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.

Способы и схема подключения нагрузки к симметричному мультивибратору

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.

подключить к мультивибратору обычные светодиоды

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 может вырабатывать как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы

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.

Порядок и пример расчёта транзисторного симметричного мультивибратора

Исходные данные:

Питающее напряжение Uи.п. = 12 В.

Необходимая частота мультивибратора F = 0,2 Гц (Т = 5 секунд), причём длительность импульса равна 1 (одной) секунде.

В качестве нагрузки используется автомобильная лампочка накаливания на 12 вольт, 15 ватт.

Как вы догадались, мы будем рассчитывать «мигалку», которая будет мигать один раз за пять секунд, а длительность свечения – 1 секунда.

Выбираем транзисторы для мультивибратора. Например, у нас имеются самые распространенные в Советские времена транзисторы КТ315Г.

Для них: Pmax=150 мВт; Imax=150 мА; h21>50.

Транзисторы для буферного каскада выбирают исходя из тока нагрузки.

Для того, чтобы не изображать схему дважды, я уже подписал номиналы элементов на схеме. Их расчёт приводится далее в Решении.

Расчёт с схема транзисторного симметричного мультивибратора

1. Прежде всего, необходимо понимать, что работа транзистора при больших токах в ключевом режиме наиболее безопасна для самого транзистора, чем работа в усилительном режиме. Поэтому расчёт мощности для переходного состояния в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку «В» статического режима транзистора — перехода из открытого состояния в закрытое и обратно проводить нет необходимости. Для импульсных схем, построенных на биполярных транзисторах, обычно рассчитывают мощность для транзисторов, находящихся в открытом состоянии.

Сначала определим максимальную рассеиваемую мощность транзисторов, которая должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике. Но для чего нам загонять мультивибратор в жёсткие рамки больших токов? Да и от повышенной мощности потребление энергии от источника питания будет большим, а пользы мало. Поэтому определив максимальную мощность рассеивания транзисторов, уменьшим её в 3 раза. Дальнейшее снижение рассеиваемой мощности нежелательно потому, что работа мультивибратора на биполярных транзисторах в режиме слабых токов – явление «не устойчивое». Если источник питания используется не только для мультивибратора, либо он не совсем стабильный, будет «плавать» и частота мультивибратора.

Определяем максимальную рассеиваемую мощность:Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 150мВт = 120мВт

Определяем номинальную рассеиваевую мощность: Pрас.ном. = 120 / 3 = 40мВт

2. Определим ток коллектора в открытом состоянии: Iк0 = Pрас.ном. / Uи.п. = 40мВт / 12В = 3,3мА

Примем его за максимальный ток коллектора.

3. Найдём значение сопротивления и мощности коллекторной нагрузки: Rк.общ=Uи.п./Iк0 = 12В/3,3мА= 3,6 кОм

Выбираем в существующем номинальном ряде резисторы максимально близкие к 3,6 кОм. В номинальном ряде резисторов имеется номинал 3,6 кОм, поэтому предварительно считаем значение коллекторных резисторов R1 и R4 мультивибратора: Rк = R1 = R4 = 3,6 кОм.

Мощность коллекторных резисторов R1 и R4 равна номинальной рассеиваемой мощности транзисторов Pрас.ном. = 40 мВт. Используем резисторы мощностью, превышающей указанную Pрас.ном. — типа МЛТ-0,125.

4. Перейдём к расчёту базовых резисторов R2 и R3. Их номинал находят исходя из коэффициента усиления транзисторов h21. При этом, для надёжной работы мультивибратора значение сопротивления должно быть в пределах: в 5 раз больше сопротивления коллекторных резисторов, и меньше произведения Rк * h21.В нашем случае Rmin = 3,6 * 5 = 18 кОм, а Rmax = 3,6 * 50 = 180 кОм

Таким образом, значения сопротивлений Rб (R2 и R3) могут находиться в пределах 18…180 кОм. Предварительно выбираем среднее значение = 100 кОм. Но оно не окончательно, так как нам необходимо обеспечить требуемую частоту мультивибратора, а как я писал ранее, частота мультивибратора напрямую зависит от базовых резисторов R2 и R3, а также от ёмкости конденсаторов.

5. Вычислим ёмкости конденсаторов С1 и С2 и при необходимости пересчитаем значения R2 и R3.

Значения ёмкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT2. Именно во время действия этого импульса наша лампочка должна загораться. А в условии было задана длительность импульса 1 секунда.

Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С1 = 1сек / 100кОм = 10 мкФ

Конденсатор, ёмкостью 10 мкФ имеется в номинальном ряде, поэтому он нас устраивает.

Значения ёмкости конденсатора С2 и сопротивления резистора R3 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT1. Именно во время действия этого импульса на коллекторе VT2 действует «пауза» и наша лампочка не должна светиться. А в условии был задан полный период 5 секунд с длительностью импульса 1 секунда. Следовательно, длительность паузы равна 5сек – 1сек = 4 секунды.

Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С2 = 4сек / 100кОм = 40 мкФ

Конденсатор, ёмкостью 40 мкФ отсутствует в номинальном ряде, поэтому он нас не устраивает, и мы возьмём максимально близкий к нему конденсатор ёмкостью 47 мкФ. Но как вы понимаете, изменится и время «паузы». Чтобы этого не произошло, мы пересчитаем сопротивление резистора R3 исходя из длительности паузы и ёмкости конденсатора С2: R3 = 4сек / 47 мкФ = 85 кОм

По номинальному ряду, ближайшее значение сопротивления резистора равно 82 кОм.

Итак, мы получили номиналы элементов мультивибратора:

R1 = 3,6 кОм, R2 = 100 кОм, R3 = 82 кОм, R4 = 3,6 кОм, С1 = 10 мкФ, С2 = 47 мкФ.

6. Рассчитаем номинал резистора R5 буферного каскада.

Сопротивление добавочного ограничительного резистора R5 для исключения влияния на мультивибратор выбирается не менее чем в 2 раза больше сопротивления коллекторного резистора R4 (а в некоторых случаях и более). Его сопротивление вместе с сопротивлением эмиттерно-базовых переходов VT3 и VT4 в этом случае не будет влиять на параметры мультивибратора.

R5 = R4 * 2 = 3,6 * 2 = 7,2 кОм

По номинальному ряду ближайший резистор равен 7,5 кОм.

При номинале резистора R5 = 7,5 кОм, ток управления буферным каскадом будет равен:

Iупр. = (Uи.п. – Uбэ) / R5 = (12в – 1,2в) / 7,5кОм = 1,44 мА

Кроме того, как я писал ранее, номинал коллекторной нагрузки транзисторов мультивибратора не влияет на его частоту, поэтому если у вас нет такого резистора, то вы можете его заменить на другой «близкий» номинал (5 … 9 кОм). Лучше, если это будет в сторону уменьшения, чтобы не было падения управляющего тока на буферном каскаде. Но учтите, что добавочный резистор является дополнительной нагрузкой транзистора VT2 мультивибратора, поэтому ток, идущий через этот резистор, складывается с током коллекторного резистора R4 и является нагрузочным для транзистора VT2: Iобщ = Iк + Iупр. = 3,3мА + 1,44мА = 4,74мА

Общая нагрузка на коллектор транзистора VT2 в пределах нормы. В случае её превышения максимального тока коллектора указанного по справочнику и умноженное на коэффициент 0,8 , увеличьте сопротивление R4 до достаточного снижения тока нагрузки, либо используйте более мощный транзистор.

7. Нам необходимо обеспечить ток на лампочке Iн = Рн / Uи.п. = 15Вт / 12В = 1,25 А

Но ток управления буферным каскадом равен 1,44мА. Ток мультивибратора необходимо увеличить на значение, равное отношению:

Iн / Iупр. = 1,25А / 0,00144А = 870 раз.

Как это сделать? Для значительного усиления выходного тока используют транзисторные каскады, построенные по схеме «составного транзистора». Первый транзистор обычно маломощный (мы будем использовать КТ361Г), он имеет наибольший коэфициент усиления, а второй должен обеспечивать достаточный ток нагрузки (возьмём не менее распространённый КТ814Б). Тогда их коэффициенты передачи h21 умножаются. Так, у транзистора КТ361Г h21>50, а у транзистора КТ814Б h21=40. А общий коэффициент передачи этих транзисторов, включённых по схеме «составного транзистора»: h21 = 50 * 40 = 2000. Эта цифра больше, чем 870, поэтому этих транзисторов вполне достаточно для управления лампочкой.

Что такое мультивибратор? Расчёт мультивибратора

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я писал о различных преобразователях и формирователях импульсных сигналов. Сегодня вы узнаете, как импульсы образуются, или генерируются.

Существует несколько типов генераторов импульсов различной формы, такие как мультивибратор, блокинг-генератор, ГЛИН, фантастотрон и другие. Все они имеют различное устройство и генерируют различные типы импульсов, и имеют следующие режимы работы:

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

• Автоколебательный режим. В данном режиме работы генератор непрерывно генерирует импульсы.
• Ждущий (или заторможенный) режим работы. В данном случае генератор находится в состоянии покоя и не вырабатывает импульсы, но если на его вход подать импульс, называемый запускающим, то генератор выработает свой импульс, параметры которого определятся параметрами схемы генератора.
• Режим синхронизации. Данный режим работы, так же как и автогенераторный характеризуется непрерывным генерированием импульсных сигналов, но на вход генератора поступают внешние (синхронизирующие) импульсы. В результате частота следования импульсов генератора равна частоте синхронизирующих импульсов.
• Режим деления частоты. Данный режим работы подобен режиму синхронизации, но частота импульсов на выходе генератора меньше частоты синхронизирующих импульсов в целое число раз.

В данной статье я расскажу об одном из простейших генераторов прямоугольных импульсов, который называется мультивибратором. Различают две основные схемы: автоколебательный мультивибратор (или просто мультивибратор) и ждущий мультивибратор.

Схема автоколебательного мультивибратора и принцип её работы

Чаще всего мультивибратор создают с использованием биполярных транзисторов, связь между которыми осуществляется за счёт коллекторно-базовых цепей. Схема симметричного мультивибратора показана ниже.

Схема мультивибратора.

Простейший мультивибратор состоит из следующих основных элементов: транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1 и R4 являются коллекторной нагрузкой транзисторов, резисторы R2 и R3 являются элементами частотозадающей цепи и конденсаторы C1 и C2 также являются элементами частотозадающей цепи и связи между транзисторами. По своей сути данная схема представляет собой двухкаскадный усилитель с ОЭ, который охвачен глубокой положительной обратной связью. Для правильного функционирования мультивибратора необходимо, чтобы плечи мультивибратора обладали идентичными параметрами. В частности должны быть одинаковыми транзисторы VT1 и VT2, а в случае симметричного мультивибратора также одинаковые параметры элементов R1 = R4, R2 = R3 и C1 = C2. Опишем принцип работы мультивибратора, основываясь на его временные диаграммы.

Временные диаграммы работы мультивибратора.

Как уже говорилось выше, мультивибратор функционирует в автоколебательном режиме, поэтому для описания работы выделим один период его колебаний. Условно период работы можно разделить на два промежутка: Х1 – Х2 и Х2 – Х3. Давайте рассмотрим их по отдельности, но прежде опишем начальные условия работы.

Как говорилось выше, мультивибратор имеет два плеча, которые обладают некоторой идентичностью, но она мнимая, так как практически невозможно подобрать одинаковые во всем элементы схемы. Поэтому в начальный момент времени, при подаче питания, допустим коллекторный ток транзистора VT1 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT2. Это вызовет увеличение напряжения на резисторе R1 и уменьшению коллекторного напряжения VT1, а через конденсатор C1 уменьшение на базе транзистора VT2, что в свою очередь уменьшит коллекторный ток транзистора и падение напряжения на резисторе R4. Уменьшение напряжения на R4, в свою очередь, через конденсатор C2 увеличит напряжение на базе VT1, что ещё больше увеличит коллекторный ток VT1, а соответственно и падение напряжения на резисторе R1. Таким образом, транзистор VT1 окажется, насыщен, и ток через него будет ограничен только коллекторным резистором R1, а транзистор VT2 – закрыт, а ток через него практически равен нулю.

Итак мы подошли к моменту времени Х1 на временных диаграммах работы мультивибратора, когда конденсатор C1 начинает заряжаться через открытый транзистор VT1 и резистор R2, а конденсатор C2 начнёт разряжаться через p-n переход база-эмиттер VT1 и резистор R4. По мере заряжания конденсатора C1 напряжение на базе VT2 увеличивается, а напряжение на базе VT1 уменьшается, и в момент времени Х2 произойдёт отпирание транзистора VT2. Вместе с открыванием VT2 произойдёт закрытие транзистора VT1. И таким образом процесс открытия и закрытия транзисторов будет происходить периодически, а на коллекторах транзисторов будут периодически возникать импульсы прямоугольной формы. Параметры импульсов полностью определяются значениями элементов схемы.

Расчет автоколебательного мультивибратора

Для расчёта автоколебательного мультивибратора необходимо задать некоторые исходные параметры: частота импульсов f (или период колебаний T = 1/f), длительность генерируемых импульсов t_i, амплитуда импульса U_m.

Для примера рассчитаем симметричный автоколебательный мультивибратор с частотой выходных импульсов f_i = 1 МГц, амплитудой импульса U_m = 5 В.

1.Определим напряжение источника питания Е_К

Выберем Е_К = 6 В

2.Определим тип транзисторов, которые должны соответствовать следующим значениям

Данным параметрам соответствует транзистор КТ315 со следующими характеристиками: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).

3.Определяем сопротивления R1 и R4 в коллекторных цепях транзисторов

где I_{K imax} – максимально допустимый ток коллектора;

I_KBO – максимально допустимый обратный ток коллектора.

Исходя из практических соображений для маломощных транзисторов выбирают R_K больше (0,5 … 1) кОм, а для мощных транзисторов – не более (200 … 300) Ом.

Так как транзистор КТ315 маломощный, то выберем R_K = 3,3 кОм.

4.Выбираем сопротивление резисторов R2, R3 в цепях баз транзисторов

Выберем R2 = R3 = R_b = 4,7 кОм

5.Выбираем ёмкость конденсаторов С1 и С2

В случае если ведётся расчёт для несимметричного мультивибратора с разной длительностью импульсов t_i, то рассчитываются отдельно конденсаторы С1 и С2

Схема ждущего мультивибратора и принцип её работы

Наиболее распространённой схемой ждущего мультивибратора является схема на основе биполярных транзисторов с эмиттерной связью между ними. Данная схема представлена на рисунке ниже.

Схема ждущего мультивибратора.

В данной схеме в качестве активных элементов используются транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1 и R2 предназначены для установления режима работы транзистора VT1. Резисторы R3 и R6 – коллекторные нагрузки транзисторов, конденсатор C2 и резистор R5 используются для задания параметров импульса, через резистор R4 осуществляется обратная связь по току, конденсатор C1 – элемент цепи запуска ждущего мультивибратора.

Для понимания работы ждущего мультивибратора ниже представлены временные диаграммы его работы.

Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора.

При подаче питания на мультивибратор в нём устанавливается начальный режим работы, при котором транзистор VT1 закрыт, а VT2 находится в состоянии насыщения (открыт). Это достигается при помощи элементов цепей питания транзистора VT1 (резисторы R1, R2, R3 и R4). При этом на выходе мультивибратора присутствует небольшой постоянный уровень напряжения, который определяется в основном резистором R4.

Для того что бы ждущий мультивибратор запустился необходимо на его вход через конденсатор C1 подать импульс тока. Конденсатор C1 предназначен для формирования короткого импульса запуска с крутым фронтом. В результате поступления импульса запуска на базу транзистора VT1 в схеме начинает происходить лавинообразный процесс выработки импульса в следующем порядке: через открытый транзистор VT1 и резистор R5 начинает заряжаться конденсатор C2. Так как R5C2 является дифференцирующей цепочкой, то в момент начала заряда конденсатора на базе VT2 резко уменьшится потенциал, а, следовательно, транзистор закроется и на выходе схемы появится уровень напряжения примерно равный напряжению питания. После зарядки конденсатора C2 до уровня отпирания VT2, транзистор откроется и на выходе мультивибратора установится исходное напряжение. Параметры сформированного импульса полностью определятся параметрами схемы и вычисляются по тем же самым формулам, что и для автогенераторного мультивибратора.

Расчёт ждущего мультивибратора

Для расчёта ждущего мультивибратора необходимо задать некоторые исходные данные: амплитуда импульсов U_m, длительность импульсов t_i, частота запускающих импульсов f.

Для примера рассчитаем ждущий мультивибратор с эмиттерными связями со следующими параметрами: U_m = 5 В, длительность импульсов t_i = 100 нс, частота запускающих импульсов f = 500 кГц, ток коллектора VT2 I_k = 5 мA.

Определим напряжение питания мультивибратора Е_К

Выберем Е_К = 6 В

Выбираем тип транзисторов VT1 и VT2

По данным параметрам подходит транзистор КТ315Б со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).

Определим значение коллекторного резистора R6

Выберем R6 = 3,3 кОм

Определим значение базового резистора R5

Примем значение R5 = 100 кОм

Найдём значение сопротивления эмиттерного резистора R4

Определим значение сопротивление резистора R2

Примем значение R2 = 2,2 кОм

Вычислим значение сопротивления R1

Примем значение R1 = 12 кОм

Найдем значение сопротивления R3

Примем значение R3 = 4,7 кОм

Рассчитаем ёмкость конденсатора С2

Примем значение С2 = 1,5 нФ

Применение мультивибраторов

В практической деятельности мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы, при снятии напряжения с коллекторов транзисторов и пилообразной формы, при снятии напряжения с баз транзисторов. Ждущие мультивибраторы применяются для получения регулируемых по времени временных задержек и импульсов с регулируемой длительностью.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Симметричный мультивибратор

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

1. Автоколебательные мультивибраторы, которые не имеют устойчивого состояния.
2. Ждущие мультивибраторы(одновибраторы), которые обладают состоянием устойчивого равновесия.

Автоколебательные мультивибраторы делятся на:

• симметричные – у них транзисторы одинаковы и также одинаковы параметры симметричных элементов. В результате этого две части периода колебаний равны между собой, а скважность равна двум.
• несимметричные — параметры элементов не равны.

В данной статье рассматривается симметричный мультивибратор.

Принцип работы симметричный мультивибратора на транзисторах

Принцип работы симметричного мультивибратора рассмотрим на примере схемы на рис. 1.

Рис. 1 — Схема мультивибратора на транзисторах

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 биполярных транзисторов открыт, а другой находится в закрытом состоянии.

Допустим, что транзистор VT1 открыт и находится в состоянии насыщения током, идущим через резистор R3, а транзистор VT2 — 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:

Для определения частоты колебаний мультивибратора справедливо следующее выражение:

Рис. 2 — Временные диаграммы работы мультивибратора на транзисторах

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».

Рис. 3 — Выходы симметричного мультивибратора

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 4 показано, как подключить нагрузку правильно.

Рис. 4 — Подключение нагрузки к симметричному мультивибратору

Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.

На рис. 4 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.

Для подключения к мультивибратору обычных светодиодов (для «мигалки») 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 В. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора.

Рис. 5 — Подключение светодиодов к мультивибратору

Оксидные (электролитические) конденсаторы подключаются плюсами к коллекторам транзисторов. Связано это с тем, что на базах биполярных транзисторов напряжение не поднимается выше 0,7 В 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.

Влияние параметров элементов мультивибратора на частоту генерации

При правильном расчёте мультивибратора, сопротивление коллекторных резисторов должно быть меньше базовых резисторов, т.к. коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. . Длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).

Мультивибратор может вырабатывать 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 τ_и (в секундах) конденсаторов определяется формулой:

где
R – сопротивление резистора (Ом),
С – ёмкость конденсатора в (Фарада).

При равенстве R2=R3 и С1=С2, на выходах мультивибратора будет «меандр» — прямоугольные импульсы с длительностью равной паузам между импульсами (рис. 6).

Полный период колебания мультивибратора T равен сумме длительностей импульса и паузы:

Частота колебаний f (Гц) связана с периодом T (сек) через соотношение: