Мультивибратор - это релаксационный генератор, регенеративный процесс в котором осуществляется путем двух усилителей с взаимной междукаскадной положительной обратной связью. Релаксационными называются генераторы, которые не имеют ни одного или имеют только одно состояние устойчивого равновесия. Они имеют в своем составе времязадающие элементы, которые определяют параметры генерируемых импульсов или (и) частоту их повторения. Регенеративный процесс - это процесс, приводящий к образованию в схеме быстрых перепадов тока и напряжения. Регенеративные устройства предназначены для образования быстрых перепадов напряжения или тока в нужные моменты времени. Для возникновения колебаний необходимо выполнение в широком диапазоне условий k 1 * k 2 1 и = 1 + 2 m, где k 1 и k 2 – коэффициенты усиления усилителей; 1 + 2 - сдвиг фаз в усилителях.
Схема мультивибратора может выглядеть так:
Описание элементов: – Резисторы R1 и R4 – это нагрузка, на их месте могут стоять светодиоды, лампочки, реле или просто сниматься с них сигнал для дальнейшего использования. – Резисторы R2 и R3 – это смещение базы транзистора, ими задаются режимы работы транзисторов, номинал этих резисторов должен быть в несколько раз больше R1 и R4. – Конденсаторы С1 и С2 – это время задающие (частотно-задающие) элементы. – Транзисторы Т1 и Т2 – это непосредственно ключи. Два одинаковых транзисторных ключа (или 2 каскада усилителя с общим эмиттером). Оба “ключа” имеют между собой связь, которая взаимно друг для друга является положительной.
Транзисторы тут работают в ключевом режиме – т.е. большую часть времени они или открыты, или закрыты. Для более легкого понимания резисторы R1 и R4 заменим на светодиоды. На первом этапе или на старте один из транзисторов откроется, сразу после подачи питания и предположим это будет Т2. Загорится красный светодиод. А почему вообще должен открыться хоть один транзистор – схема полностью симметрична, условия равны и равновесие должно сохраниться, пока кто-то не “подтолкнет”.
Транзистор Т2 открыт и конденсатор С1 оказывается подключен к “минусу” через открытый транзистор Т2, второй конец конденсатора подключен к плюсу через резистор R2 и в результате конденсатор С1 начнет заряжаться. И будет заряжаться конденсатор до тех пор пока напряжение на нем не достигнет порога открывания транзистора Т1, который базой подключен туда же к конденсатору С1. Условием открытия транзистора является подтягивание его базы к коллектору. А номиналы резисторов R2 и R3 тут великоваты и транзисторы сразу не открываются. Характеристики резисторов, транзисторов и конденсаторов имеют отличающиеся друг от друга характеристики при одинаковых номиналах. Эти отличия и “подталкивают” схему к пуску в момент включения.
В момент открытия транзистора Т1 конденсатор С1 разрядится через “красный” светодиод и переход база-эмиттер транзистора Т1, и загорится “зеленый” светодиод. Конденсатор С2 окажется подключенным к минусу через открытый транзистор Т1 и начнет заряжаться, а транзистор Т2 – закроется, светодиод “красный” – потухнет.
Весь описанный выше процесс повторится только с другой стороны схемы.
Процесс повторится по кругу и так будет повторяться до бесконечности, пока не отключат питание. Результатом работы этой схемы будет поочередное мигание светодиодов. Частота миганий будет напрямую зависеть от следующих факторов: емкости конденсаторов, сопротивления резисторов (R2, R3), напряжения питания и коэффициента передачи транзисторов. В некоторых источниках можно встретить формулу расчета частоты работы мультивибратора, но чаще всего она не учитывает напряжение питания, а только сопротивление (R2 или R3) и емкость конденсатора (С1 или С2). Исходя из сказанного становится понятно, что транзисторы это просто ключи и работают в ключевом режиме, а схема является ничем иным как генератором.
Последний вывод - на выходе будет меандр, т.е. сигнал близкий по форме к прямоугольникам с амплитудой, близкой к напряжению питания: Какие бывают мультивибраторы и для чего они нужны: – в схеме можно применять любые транзисторы, к примеру в схеме выше можно поменять указанные транзисторы на транзисторы другой проводимости и схема так же будет работать, правда нужно еще поменять полярность питания, развернуть конденсаторы (если они полярные или электролитические), и перевернуть светодиоды. Естественно могут стоять и полевые транзисторы.
– резисторы R2 и R3 могут быть разного номинала, тогда светодиоды будут мигать не одинаково, а можно сделать смещение и регулировку (1к у резистора R4 указан условно):
– мультивибратор может быть на 3 и более плеч (каналов), транзисторы можно поставить любые маломощные, светодиоды буду загораться по очереди:
Практическое применение: Это генератор и применять кроме различных мигающих игрушек можно везде, где нужен генератор, если форма сигнала устраивает: генераторы звуковых частот (различные пищалки и пробники, индикаторы и сигнализаторы). Дальше рассмотрим немного теории…
Обобщенная структура регенеративного устройства на транзисторном каскаде с общим эмиттером показана на рисунке. Условие возникновения колебаний для данной схемы имеет вид k 1 *k 2 (где k 1 и k 2 коэффициенты усиления транзисторов). Мультивибраторы на биполярных транзисторах широко используются для получения импульсов напряжения прямоугольной формы.
Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем (заторможенном), синхронизации (деления). В режиме автоколебаний мультивибратор имеет два состояния квазиустойчивого равновесия, во время которых в схеме происходят относительно медленные изменения токов и напряжений. Квазиустойчивые состояния заканчиваются лавинообразными изменениями токов и напряжений - скачками в схеме. Мультивибратор без воздействия внешних сил поочередно переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое и наоборот. Параметры генерируемых импульсов и период их следования определяются только параметрами элементов схемы.
В ждущем режиме одно состояние является устойчивым - другое квазиустойчивым. Перевод схемы в квазиустойчивое состояние осуществляется внешним запускающим импульсом, а возврат в исходное состояние происходит в результате внутренних процессов. Во время цикла генерируется один импульс, параметры которого определяются параметрами элементов схемы. При подаче на вход последовательности запускающих импульсов частота выходных импульсов равна частоте входных. Эти мультивибраторы обычно используют для формирования импульсов заданной длительности и формы. Их называют также одновибраторами, кипп-реле, ждущими мультивибраторами, однотактными релаксаторами и т.д. В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подают внешнее синхронизирующее напряжение. В результате этого частота повторения импульсов на выходе мультивибратора становится кратной частоте синхронизирующего напряжения.
Симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями Т.о., мультивибратор обладает компонентом, запасающим энергию и представленным обычно конденсатором, и электронным ключом, коммутация которого происходит за счет энергии, запасенной в накопителе. Принципиальная схема симметричного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями, выполненного на двух биполярных транзисторах структуры р-п-р, изображена на рис. 12.10. Симметричный мультивибратор причисляют к группе генераторов колебаний сложной формы — релаксационным генераторам. Реальные колебания, вырабатываемые симметричным мультивибратором с коллекторно-базовыми связями, близки к прямоугольной форме.
Рис. 12.10. Схема симметричного мультивибратора
На рисунке показано, что разрядные цепи с накопительными конденсаторами C1, С2 и резисторами баз R2, R3 задают длительность цикла переключения и потому носят название частотозадающих, причем постоянные времени τ 1 и τ 2 частотозадающих цепей соответственно равны: Мультивибратор может быть симметричным или несимметричным. Особенностью симметричного мультивибратора является равенство сопротивлений в обоих коллекторных плечах, равенство сопротивлений и емкостей в цепях каждой из баз.
Предположим, что транзистор VT1 закрыт, транзистор VT2 открыт, а конденсатор С1 уже заряжен до напряжения U c1, примерно равного напряжению источника питания. В начальный момент времени происходит открывание транзистора VT1 и перевод его в насыщенное состояние, идет запирание транзистора VT2 и переключение его в отсечку. В данный момент времени все запасенное напряжение, присутствующее на выводах конденсатора С1, станет приложено положительным потенциалом к базе биполярного транзистора VT2, что инициирует начало запирания компонента VT2. Ток разряда конденсатора С1 протекает по резистору R2 и затрачен на поддержание положительного потенциала базы транзистора VT2, под действием которого компонент VT2 пребывает в состоянии отсечки. Симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями.
1.Основным времязадающим элементом является конденсаторы С1, С2. 2. Базовые резисторы R2,R4 можно использовать как подстроечные и изменять в небольших пределах, так как они определяют режим работы транзисторов.
Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (одновибратор) Ждущий мультивибратор (или одновибратор) предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности, которые вырабатываются в определённые моменты времени. Он имеет одно устойчивое состояние равновесия. Это достигается благодаря тому, что усилительный элемент в одном из плеч мультивибратора запирается напряжением смещения дополнительного источника питания. Поэтому схема ждущего мультивибратора не может опрокинуться без внешнего запуска. Запускающий импульс должен иметь определённую амплитуду и длительность. До подачи управляющего импульса система ждёт «запуска», поэтому устройство называется ждущим мультивибратором.
На рис. приведена схема ждущего мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. Ждущий мультивибратор отличается от схемы мультивибратора тем, что в схему введён источник смещения Е Б который запирает транзистор VT 1. Транзистор VT 1 может быть открыт подачей на его базу отрицательного запускающего импульса постороннего источника Е зап, включённого в базы транзистора VT 1 через разделительный конденсатор С Р. После подачи запускающего импульса схема переходит в состояние квазиустойчивого равновесия, в котором она находится некоторое время, после чего возвращается в устойчивое состояние и вновь ждёт запускающего импульса.
Рис. 18.9.1
Для генерации импульса схему выводят из устойчивого состояния, для чего на базу n-типа закрытого р-п-р транзистора VT 1 подают запускающий импульс отрицательной полярности. Оба транзистора оказываются открытыми, поэтому в цепи развивается лавино-образный процесс изменения токов i K1 и i K2 в коллекторных резисторах соответственно R k1 и R k2. В результате схема опрокидывается, то еcть транзистор VT 1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT 2 закрывается и переходит в режим отсечки. Параметры элементов схемы Rк1, Rк2 и R выбирают так, чтобы в исходном состоянии транзистор VT1 был закрыт напряжением +Еб, а транзистор VT2 - открыт и насыщен. Конденсатор С1 может заряжаться по контуру «0» - транзистор VT2, находящийся в режиме насыщения -конденсатор С1 – резистор RK1 - источник питания - Ек.
При этом конденсатор С 1 подключён к источнику Е к по другой цепи: «0» - открытый транзистор VT 1 – конденсатор С 1 - резистор R б2 – источник - Е к - и перезаряжается с постоянной времени τ =R б2* С 1. В процессе перезарядки по мере разрядки конденсатора С 1 как только напряжение на конденсаторе упадёт до нуля, потенциал базы транзистора VT 2 станет равным нулю, и транзистор VT 2 откроется. Транзистор VT2 удерживается в режиме отсечки запирающим напряжением коллекторного источника Ек, которое подаётся через открытый транзистор VT1 и конденсатор С1.
Поскольку оба транзистора открыты, в схеме вновь развивается лавинообразный процесс, в результате которого схема опрокидывается: транзистор VT 1 закрывается, а транзистор VT 2 переходит в режим насыщения. При этом напряжение на конденсаторе С 1 равно нулю, а не Е к, как это было в исходном состоянии. Поэтому после опрокидывания схемы конденсатор C 1 будет заряжаться по контуру: « 0»- открытый транзистор VT 2 - конденсатор С 1 – резистор R K1 – источник Е к с постоянной времени: τ =R K1 *С 1. Процесс зарядки конденсатора происходит в течение интервала времени, равного приблизительно 4 τ =4R K1 C 1. После завершения процесса зарядки конденсатора до исходного напряжения, равного Е к, схема перейдёт в исходное устойчивое состояние.
На выходе ждущего мультивибратора (рис. 18.9.1) формируется почти прямоугольный импульс, длительность которого определяется длительностью закрытого состояния транзистора VT 2. Поэтому следующий запускающий импульс должен подаваться не ранее того времени, когда закончится зарядка конденсатора С 1. Промежуток времени, в течение которого напряжение на конденсаторе С 1 увеличится от нуля до исходного значения Е к, называется временем восстановления (t вoc ). На рис. 18.9.2 приведены временные диаграммы процессов изменения напряжения на базе транзистора VT 2, а также потенциалов базы первого и второго транзистора.
Т.о., работа мультивибратора в ждущем режиме может быть разделена на три этапа: исходное состояние, рабочий период и период восстановления. Еще раз обобщим и систематизируем общие сведения о релаксационных генераторах и мультивибраторах, как частном случае релаксационных генераторов.
Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, форма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования: одиночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхронизирующего сигнала и т. д.
Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания накопите-м и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Накопитель переключается с процесса накопления на выделение энергии с помощью коммутирующего устройства при достижении определ-енного уровня энергии. Управление коммутирующим устройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит: источник энергии, накопитель, коммутирующее устройство, цепь обратной связи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.
Релаксационный генератор может работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты. 1. В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генерато-ра, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некото -рое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров генератора. 2. В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора. 3. В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет два квазиустойчивых состоя- ния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.
Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы блокинг-генераторы. 1. Мультивибратор - двухкаскадное устройство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью конденсаторов. 2. Блокинг-генератор - устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.
Самовозбуждающийся мультивибратор с коллекторно-базовыми связями и улучшенной формой импульсов Для улучшения формы генерируемых импульсов в мультивибрато-рах, т.е. получения импульсов прямоугольной формы, применяют отсекающие, или развязывающие, цепи, выполненные на диод-ных ключах. Принципиальная схема мультивибратора с улучшенной формой выходных импульсов представлена на рис. 11.57. Цепи заряда конденсаторов С1 и С2 с помощью диодных ключевых схем отсечены (изолированы) от коллектора транзистора — выхода схемы. Конденсатор С1 отделен от коллектора транзистора VT1 диодным ключом на элементах VD1 и R5, где R5 образует новую цепь заряда конденсатора, ранее проходившую через R2. Для конденсатора С2 служит диодный ключ из элементов VD2 и R6.
Принцип действия схемы с развязывающими цепями аналогичен принципу работы схемы, рассмотренной на рис. 11.55. Рис. 11.55. Принципиальная схема самовозбуждающегося мульти-вибратора с коллекторно-базовыми связями
Рис. 11.57. Принципиальная схема самовозбуждающегося мульти-вибратора с коллекторно-базовыми связями и развязывающими диодами для улучшения формы выходных импульсов
Так же, как и в предыдущей схеме, в начальный момент времени, когда на эмиттерные переходы подано напряжение прямого смещения, равное U K, текут базовые токи I б1 и I б2. Благодаря им создается падение напряжения на базовых резисторах U R1 и U R4, которое создает обратное смещение на коллекторных переходах транзисторов и действует на RC-цепи, состоящие из элементов С2, R6, С1, R5. По законам функционирования RC-цепей в начальный момент времени все напряжение падает на резисторах R6 и R5. Напряжение на резисторах R6 и R5 действует как обратное смещение на диоды VD1 и VD2, что приводит к их закрытию и отключению коллекторов транзисторов от RC-цепей. В результате отсутствует напряжение на коллекторных резисторах R2 и R3 и на коллекторном переходе транзисторов не создается прямое смещение, ко-рое создавалось в схеме без отсекающих диодов (см. рис. 11.55).
Таким образом, в схеме с развязывающими цепями на коллектор-ных переходах в начальный момент при включении напряжения источника питания действует только напряжение обратного смещения на коллекторные переходы транзисторов, что ускоряет экстракцию при достаточном накоплении носителей зарядов в базе транзисторов. В дальнейшем напряжения с базовых резисторов R1 и R4 поступают на конденсаторы, т.е. происходит их заряд. Предположим, что в базе VT1 накопилось достаточно носителей зарядов для экстракции, что способствует протеканию коллекторного тока в транзисторе. Скорость нарастания тока I К1 велика, так как существует только напряжение обратного смещения, не зависящее от заряда конденсатора С1.
Коллекторный ток I К1 создает падение напряжения U R2 на коллек-торном резисторе R2, которое прикладывается через диод VD1 к RC-цепи, состоящей из элементов С1 и R5, и создает условия для разряда конденсатора С1. Одновременно с этим происходит под-заряд конденсатора С2 через резистор R6, а не через коллекторный резистор R3, что исключает прямое смещение на коллекторном переходе VT2. Ток разряда С1 увеличивает обратное смещение на коллекторном переходе U R4 транзистора VT2 и уменьшает прямое смещение на эмиттерном переходе этого транзистора. Из-за отсутствия напряжения на коллекторном резисторе R3 коллектор-ный переход транзистора VT2 находится только под обратным сме-щением, что также ускоряет закрытие транзистора VT2. Время за-крытия транзистора VT2 также не зависит от времени заряда кон-денсатора С2, цепь которого отключена диодным ключом на VD2.
Следовательно, длительность переднего фронта положительного импульса ( t 1 - t 2 на рис.11.56, г) уменьшается практически мгновенно, что позволяет считать импульс по переднему фронту прямоугольным (длительность переднего фронта равна нулю, показана на рис. 11.56, г штрихами), так как процесс закрытия VT2 не зависит от заряда конденсатора С2, т.е. ток не проходит через коллекторную цепь транзистора. Аналогично работает и диодный ключ VD1 при заряде конденсатора С1. Рис. 11.56. Временные диаграммы напряжений в схеме симметричного самовозбуждающегося мультивибратора
На скорость открытия транзистора влияет то, что при открытии транзистора, предположим VT1, коллекторный ток I К1 протекает через параллельно включенные резисторы: коллекторный R2 и ключевой R5. При параллельном соединении резисторов резко снижается общее сопротивление цепи и возрастает коллекторный ток. Резкое возрастание коллекторного тока I К1 также вызывает скачок (возрастание) потенциала коллектора открытого и скачок (уменьшение) потенциала закрытого транзистора по цепи емкостной связи.
