Симметричный мультивибратор. Расчёт мультивибратора

 

      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.

 

Мультивибраторами называют устройства, предназначенные для генерации периодического напряжения в виде прямоугольной волны (меандр – греч.) с определенными параметрами (амплитудой, периодом следования, скважностью). Под скважностьюпонимают отношение периода Т волны к длительности прямоугольного импульса q = T/tи. Период колебаний представляет собой сумму временных отрезков генерируемого импульса и паузы: Т = tи + tп. Иногда оперируют понятием коэффициента заполнения γ = 1/ q = tи/Т. Одним из основных параметров мультивибраторов является частота f = 1/Т генерируемых колебаний.

Мультивибраторы могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах. Автоколебательный режим наступает сразу после подключения напряжения питания к устройству. Мультивибратор, работающий в ждущем режиме, генерирует одиночный прямоугольный импульс после подачи на него кратковременного запускающего импульса. Ждущий мультивибратор, имеющий одно устойчивое состояние, называется просто одновибратором (он же моностабильный мультивибратор). Ждущий мультивибратор может иметь и два устойчивых состояния (бистабильный мультивибратор). В современной аппаратуре мультивибраторы, работающие в различных режимах, получили настолько большое распространение, что выпускаются в виде отдельных функциональнозаконченных самостоятельных изделий интегрального исполнения. 

 

Симметричный мультивибратор (рис. 2.1) в автоколебательном режиме генерирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой длительностью импульса и паузы, то есть импульсов со скважностью, равной 2.

Идея работы такого мультивибратора (рис. 2.1) заключается в обеспечении заряда и разряда конденсатора, подключенного к инвертирующему входу компаратора DA, по одной и той же цепи.

Изменяющееся напряжение Uc на конденсаторе сравнивается  
в компараторе с напряжением положительной обратной связи –  
Uоc = Uвых·β = Uвых·R3/(R2+R3), возникающим на резисторе R3 и поступающим на неинвертирующий вход. Результатом этого сравнения является изменение состояния мультивибратора.  

 

Рис. 2.1

Работу мультивибратора поясним, используя диаграммы напряжений (рис.2 .2) на инвертирующем и неинвертирующем входах соответственно: Uи и Uн. Будем считать, что до подачи напряжения питания Е кон денсатор С был разряжен, то есть Uс(0) = 0. Компаратор, охваченный положительной обратной связью, обладает большим коэффициентом усиления и поэтому после подачи напряжения питания он быстро переходит в состояние насыщения. На его выходе устанавливается одно из максимальных по модулю напряжений. Допустим, установится напряжение Umin. Часть его, равная Uос, мгновенно поступит на неинвертирующий вход.

 

 

Различают синусоидальные (гармонические) и релаксационные (разрывные) колебания. В предыдущих главах были рассмотрены как раз генераторы гармонических колебаний, где используются колебательные контуры и различные фазовращающие цепи. Для получения релаксационных колебаний, которые могут быть почти прямоугольной формы, используется несколько иной принцип. Колебания возникают вследствие "освобождения" запаса энергии клапаном (ключом), отдающим энергию импульсами. Обычно в качестве клапанов или ключей применяют транзисторы, работающие в ключевом режиме, или приборы с отрицательным сопротивлением. Когда ключ закрыт, происходит накопление энергии, когда открыт - отдача энергии. При этом частота колебаний определяется параметрами схемы, режимом работы транзистора и напряжением источника питания. Колебания подобных генераторов легко и просто синхронизируются внешними импульсами различной формы.

Основное различие генераторов состоит в том, что в генераторах синусоидальных колебаний за период расходуется малая мощность, а в релаксационном генераторе - вся мощность, запасенная в реактивном элементе. Этим и объясняется разница в форме колебаний.Знакомство с релаксаторами начнем с мультивибраторов (не путать с вибратором).

Мультивибраторы

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.

Параметры 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 потенциала 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 одновибраторами, 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 транзистора 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.