Электронные генераторы: мультивибратор. Назначение, принцип действия, применение.
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=T и /t и. 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 R д1 и R д2 .
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 R д, а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится равным E к. 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.
В данной статье описано устройство предназначенное просто для того чтобы начинающий радиолюбитель (электротехник, электронщик и т.д.) смог лучше разобраться в принципиальных схемах и набраться опыта в ходе сборки данного устройства. Хотя возможно данному простейшему мультивибратору, о котором написано ниже, можно найти и практическое применение. Рассмотрим схему:
Рисунок 1 - Простейший мультивибратор на реле
При подаче питания на схему конденсатор начинает заряжаться через резистор R1, контакты K1.1 при этом разомкнуты, когда конденсатор зарядиться до некоторого напряжения реле сработает и контакты замкнуться, при замкнутых контактах конденсатор начнёт разряжаться через эти контакты и резистор R2, когда конденсатор разрядится до некоторого напряжения контакты разомкнутся и процесс дальше будет повторяться циклически. Данный мультивибратор работает по тому что ток срабатывания реле больше тока удержания. Сопротивления резисторов НЕЛЬЗЯ изменять в широких пределах и это является недостатком данной схемы. Сопротивление источника питания влияет на частоту и из за этого данный мультивибратор будет работать не от всех источников питания. Ёмкость конденсатора можно увеличивать, частота замыкания контактов при этом будет уменьшаться. Если у реле имеется вторая группа контактов и использовать огромные значения ёмкости конденсатора то можно использовать данную схему для периодического автоматического включения/выключения приборов. Процесс сборки показан на фотографиях ниже:
Присоединение резистора R2
Присоединение конденсатора
Присоединение резистора R1
Соединение контактов реле с его обмоткой
Присоединение проводов для подачи питания
Реле можно купить в магазине радиодеталей или достать из старой сломанной техники например можно выпаивать реле из плат от холодильников:
Если у реле плохие контакты то их можно немного почистить.
Мультивибратор является, чуть ли не самым популярным устройством у начинающих радиолюбителей. И недавно мне пришлось собрать таковое по просьбе одного человека. Хотя мне это уже не интересно, но все-таки не поленился и оформил изделие в статью для начинающих. Хорошо когда в одном материале есть вся информация для сборки. очень простая и полезная штука, которая не требует отладки и позволяет наглядно изучить принципы работы транзисторов, резисторов, конденсаторов и светодиодов. А так же, если устройство не заработает, попробовать себя в роли регулировщика-отладчика. Схема не нова, строиться по типовому принципу, а детали можно найти где угодно. Уж очень они распространены.
Схема
Теперь что нам понадобиться из радиоэлементов для сборки:
- 2 резистора 1 кОм
- 2 резистора 33 кОм
- 2 конденсатора 4.7 мкФ на 16 вольт
- 2 транзистора КТ315 с любыми буквами
- 2 светодиода на 3-5 вольт
- 1 источник питания типа «крона» 9 вольт
Если вам не удалось найти нужных деталей, не огорчайтесь. Данная схема не критична к номиналам. Достаточно поставить приближённые значения, на работе в целом это никак не скажется. Влияет лишь на яркость и частоту мигания светодиодов. Время мигания напрямую зависит от ёмкости конденсаторов. Транзисторы можно установить подобные маломощные n-p-n структуры. Печатную плату делаем . Размер кусочка текстолита 40 на 40 мм, можно взять и с запасом.
Файл для печати формата.lay6 качаем . Для того чтоб при монтаже было допущено как можно меньше ошибок, нанёс позиционные обозначения на текстолит. Это помогает не путаться при сборке и добавляет красоты в общий вид. Так выглядит готовая печатная плата, протравленная и просверленная:
Производим монтаж деталей в соответствии со схемой, это очень важно! Главное не перепутать цоколевку транзисторов и светодиодов. Пайке тоже стоит уделить должное внимание.
Поначалу она может быть не такой изящной как промышленная, но это и не нужно. Главное обеспечить хороший контакт радиоэлемента с печатным проводником. Для этого детали перед пайкой обязательно лудим. После того как компоненты установлены и запаяны, ещё раз всё проверяем и протираем плату от канифоли спиртом. Примерно так должно смотреться готовое изделие:
Если всё было сделано грамотно, то при подаче питания мультивибратор начинает мигать. Цвет светодиодов вы выбираете сами. Для наглядности предлагаю посмотреть видео.
Видеоролик мультивибратора
Ток потребления нашей «мигалки» составляет всего лишь 7,3 мА. Это позволяет питать данный экземпляр от «кроны » довольно длительное время. В целом всё безотказно и познавательно, а главное предельно просто! Желаю добра и успехов в ваших начинаниях! Готовил материал Даниил Горячев (Alex1 ).
Обсудить статью СИММЕТРИЧНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ
В данной статье расскажем про мультивибратор, как он работает, способы подключения нагрузки на мультивибратор и расчёт транзисторного симметричного 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?
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.
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.
Решение:
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.
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.
Ну вот, собственно и всё!
Мультивибраторы – это еще одна форма осцилляторов. Генератор представляет собой электронную схему, которая способна поддерживать сигнал переменного тока на выходе. Он может генерировать прямоугольные, линейные или импульсные сигналы. Для колебания генератор должен удовлетворять двум условиям Баркгаузена:
Т коэффициент усиления контура он должен быть немного больше единицы.
Сдвиг фазы цикла должен быть 0 градусов или 360 градусов.
Для выполнения обоих условий генератор должен иметь некоторую форму усилителя, и часть его выхода должна быть регенерирована на вход. Если коэффициент усиления усилителя меньше единицы, схема не будет колебаться, а если она больше единицы, схема будет перегружена и будет давать искаженную форму волны. Простой генератор может генерировать синусоидальную волну, но не может генерировать прямоугольную волну. Прямоугольная волна может быть сформирована с помощью мультивибратора.
Мультивибратор – это форма генератора, которая имеет две ступени, благодаря которым мы можем получить выход из любого из состояний. Это в основном две схемы усилителя, скомпонованные с регенеративной обратной связью. При этом ни один из транзисторов не проводит одновременно. Одновременно только один транзистор проводит, а другой находится в выключенном состоянии. Некоторые схемы имеют определенные состояния; состояние с быстрым переходом называется процессами переключения, где происходит быстрое изменение тока и напряжения. Это переключение называется триггерным. Следовательно, мы можем запустить цепь внутри или снаружи.
Схемы имеют два состояния.
Одним из них является стабильное состояние, в котором цепь остается навсегда без какого-либо запуска.
Другое состояние является нестабильным: в этом состоянии схема остается в течение ограниченного периода времени без какого-либо внешнего запуска и переключается в другое состояние. Следовательно, использование многовибарторов осуществляется в двух состояниях цепей, таких как таймеры и триггеры.
Нестабильный мультивибратор с использованием транзистора
Это свободно работающий генератор, который непрерывно переключается между двумя нестабильными состояниями. При отсутствии внешнего сигнала транзисторы поочередно переключаются из состояния отключения в состояние насыщения на частоте, определяемой постоянными времени RC цепей связи. Если эти постоянные времени равны (R и C равны), то будет генерироваться прямоугольная волна с частотой 1 / 1,4 RC. Следовательно, нестабильный мультивибратор называется генератором импульсов или генератором прямоугольных импульсов. Чем больше значение базовой нагрузки R2 и R3 по отношению к нагрузке коллектора R1 и R4, тем больше коэффициент усиления по току и острее будет край сигнала.
Основным принципом работы нестабильного мультивибратора является небольшое изменение электрических свойств или характеристик транзистора. Это различие приводит к тому, что один транзистор включается быстрее, чем другой, когда питание подается в первый раз, что вызывает колебания.
Схема Объяснение
нестабильный мультивибратор состоит из двух поперечных связи усилителей RC.
Схема имеет два нестабильных состояния
Когда V1 = НИЗКИЙ и V2 = ВЫСОКИЙ, тогда Q1 ВКЛ и Q2 ВЫКЛ
Когда V1 = ВЫСОКИЙ и V2 = НИЗКИЙ, Q1 ВЫКЛ. и Q2 ВКЛ.
При этом R1 = R4, R2 = R3, R1 должно быть больше, чем R2
C1 = C2
При первом включении цепи ни один из транзисторов не включен.
Базовое напряжение обоих транзисторов начинает увеличиваться. Любой из транзисторов включается первым из-за разницы в легировании и электрических характеристиках транзистора.
Рис. 1: Принципиальная схема работы транзисторного нестабильного мультивибратора
Мы не можем сказать, какой транзистор проводит первым, поэтому мы предполагаем, что Q1 проводит первым, а Q2 выключен (C2 полностью заряжен).
Q1 проводит, а Q2 отключен, следовательно, VC1 = 0 В, так как весь ток на землю из-за короткого замыкания Q1, и VC2 = Vcc, так как все напряжение на VC2 падает из-за разомкнутой цепи TR2 (равно напряжению питания).
Из-за высокого напряжения VC2 конденсатор C2 начинает заряжаться через Q1 через R4, а C1 начинает заряжаться через R2 через Q1. Время, необходимое для зарядки C1 (T1 = R2C1), больше, чем время, необходимое для зарядки C2 (T2 = R4C2).
Так как правая пластина C1 подключена к базе Q2 и заряжается, значит, у этой пластины высокий потенциал, и когда она превышает напряжение 0,65 В, она включается Q2.
Поскольку C2 полностью заряжен, его левая пластина имеет напряжение -Vcc или -5V и подключена к базе Q1. Следовательно, он выключается Q2
TR Теперь TR1 выключен, и Q2 проводит, следовательно, VC1 = 5 В и VC2 = 0 В. Левая пластина C1 ранее находилась под напряжением -0,65 В, которое начинает подниматься до 5 В и подключается к коллектору Q1. C1 сначала разряжается от 0 до 0,65 В, а затем начинает заряжаться через R1 через Q2. Во время зарядки правая пластина С1 имеет низкий потенциал, который выключает Q2.
Правая пластина C2 подключена к коллектору Q2 и предварительно находится на + 5В. Таким образом, C2 сначала разряжается от 5 В до 0 В, а затем начинает заряжаться через сопротивление R3. Левая пластина C2 во время зарядки находится под высоким потенциалом, который включает Q1, когда достигает напряжения 0,65 В.
Рис. 2: Принципиальная схема работы транзисторного нестабильного мультивибратора
Теперь Q1 проводит, а Q2 выключен. Вышеуказанная последовательность повторяется, и мы получаем сигнал на обоих коллекторах транзистора, который не в фазе друг с другом. Для получения идеальной прямоугольной волны любым коллектором транзистора мы принимаем как сопротивление коллектора транзистора, базовое сопротивление, то есть (R1 = R4), (R2 = R3), а также то же значение конденсатора, что делает нашу схему симметричной. Следовательно, рабочий цикл для низкого и высокого значения выходного сигнала является тем же, который генерирует прямоугольную волну
Constant Постоянная времени формы сигнала зависит от базового сопротивления и коллектора транзистора. Мы можем рассчитать его период времени по: Постоянная времени = 0.693RC
Принцип действия мультивибратора на видео c объяснением
В этом видеоуроке канала Паяльник TV покажем, как взаимосвязаны элементы электрической цепи и познакомимся с происходящими в ней процессами. Первой схемой, на основе которой будет рассмотрен принцип работы, является схема мультивибратора на транзисторах. Схема может находиться в одном из двух состояний и периодически переходит из одного в другое.
Анализ 2-х состояний мультивибратора.
Всё, что мы наблюдаем сейчас, это два светодиода, которые поочерёдно мигают. Почему это происходит? Рассмотрим сначала первое состояние.
Первый транзистор VT1 закрыт, а второй транзистор полностью открыт и не препятствует протеканию коллекторного тока. Транзистор в этот момент находится в режиме насыщения, что позволяет снизить на нём падение напряжения. И поэтому правый светодиод горит в полную силу. Конденсатор C1 в первый момент времени был разряжен, и ток беспрепятственно проходил на базу транзистора VT2, полностью открывая его. Но спустя мгновение конденсатор начинает быстро заряжаться базовым током второго транзистора через резистор R1. После того, как он полностью зарядится (а как известно, полностью заряженный конденсатор не пропускает ток), то транзистор VT2 вследствие этого закрывается и светодиод гаснет.
Напряжение на конденсаторе C1 равно произведению базового тока на сопротивление резистора R2. Перенесемся во времени назад. Пока транзистор VT2 был открыт и правый светодиод горел, конденсатор C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии, начинает медленно разряжаться через открытый транзистор VT2 и резистор R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе VT1 будет отрицательным, которое полностью запирает транзистор. Первый светодиод не горит. Получается, что к моменту затухания второго светодиода конденсатор C2 успевает разрядиться и переходит в готовность пропустить ток на базу первого транзистора VT1. К тому моменту, когда перестаёт гореть второй светодиод, загорается первый светодиод.
А во втором состоянии происходит всё то же самое, но наоборот, транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт. Переход в другое состояние происходит тогда, когда конденсатор C2 разряжается, напряжение на нём уменьшается. Разрядившись полностью, он начинает заряжаться в обратную сторону. Когда напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1 достигнет напряжения, достаточного для его открывания, примерно 0,7 В, этот транзистор начнёт открываться и первый светодиод загорится.
Снова обратимся к схеме.
Через резисторы R1 и R4 происходит зарядка конденсаторов, а через R3 и R2 происходит разрядка. Резисторы R1 и R4 ограничивают ток первого и второго светодиода. От их сопротивления зависит не только яркость свечения светодиодов. Они также определяют время зарядки конденсаторов. Сопротивление R1 и R4 подбирается намного меньшее, чем R2 и R3, чтобы зарядка конденсаторов происходила быстрее, чем их разрядка. Мультивибратор используется для получения прямоугольных импульсов, которые снимаются с коллектора транзистора. При этом нагрузка подключается параллельно одному из коллекторных резисторов R1 или R4.
На графике представлены прямоугольные импульсы, вырабатываемые данной схемой. Одна из областей называется фронт импульса. Фронт имеет наклон, и чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем этот наклон будет больше.
Если в мультивибраторе использованы одинаковые транзисторы, конденсаторы одинаковой ёмкости, и если резисторы имеют симметричные сопротивления, то такой мультивибратор называется симметричным. Он имеет одинаковую длительность импульсов и длительность пауз. А если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным. Когда мы подключаем мультивибратор к источнику питания, то в первый момент времени оба конденсатора разряжены, а значит на базу обоих конденсаторов поступит ток и появится неустановившийся режим работы, при котором должен открыться лишь один из транзисторов. Так как эти элементы схемы имеют некоторые погрешности номиналов и параметров, один из транзисторов откроется первым, и мультивибратор запустится.
Если вы захотите смоделировать данную схему в программе Multisim, то нужно выставить номиналы резисторов R2 и R3 так, чтобы их сопротивления отличались хотя бы на десятую часть Ома. То же самое проделайте с ёмкостью конденсаторов, иначе мультивибратор может не запуститься. При практической реализации данной схемы я рекомендую осуществлять питание напряжением от 3 до 10 Вольт, а параметры самих элементов сейчас вы узнаете. При условии, что используется транзистор КТ315. Резисторы R1 и R4 не оказывают влияния на частоту импульсов. В нашем случае они ограничивают ток светодиода. Сопротивление резисторов R1 и R4 можно взять от 300 Ом до 1кОм. Сопротивление резисторов R2 и R3 от 15 кОм до 200 кОм. Ёмкость конденсаторов от 10 до 100 мкФ. Представим таблицу со значениями сопротивлений и ёмкостей, в которой приведены примерная ожидаемая частота импульсов. То есть, чтобы получить импульс длительностью 7 секунд, то есть, длительность свечения одного светодиода, равная 7 секундам, нужно использовать резисторы R2 и R3 сопротивлением 100 кОм и конденсатора ёмкостью 100 мкФ.
Вывод.
Времязадающими элементами данной схемы являются резисторы R2, R3 и конденсаторы C1 и C2. Чем меньше их номиналы, тем чаще будут переключаться транзисторы, и тем чаще будут мерцать светодиоды.
Мультивибратор можно реализовать не только на транзисторах, но и на базе микросхем. Оставляйте свои комментарии, не забывайте подписаться на канал «Паяльник TV» на ютубе, чтобы не пропустить новые интересные видео.
Еще интересная о радиопередатчике.
