Что такое симметричный мультивибратор

Мультивибратор

Симметричный мультивибратор

Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.

От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.

Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.

Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.

Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными.

На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.

В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (t_и) = t паузы (t_п). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.

Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:

Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.

Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:

Частота. Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.

Длительность импульса. Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.

Амплитуда. В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.

Скважность. Отношение периода (Т) к длительности импульса (t). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.

Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.

Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.

Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.

Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.

Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.

При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.

Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.

Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.

Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.

Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром.

Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов, которым можно измерить ёмкость конденсатора.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

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.

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

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

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 без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Что такое мультивибратор и как он работает

Как работает мультивибратор на транзисторах

Мультивибратор на самом деле работает просто. Во время подключения питания два светодиода периодически загораются и потухают. Частоту переменного переключения светодиодов возможно изменять при помощи емкостей конденсаторов или сопротивления резисторов, подключенных к транзисторам и светодиодам.

Это устройство находится в одном из двух противоположных нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и снова обратно. Фаза перехода довольно мала относительно большой длительности нахождения в состояниях за счет положительной обратной связи (ПОС), которая охватывает два каскада усиления.

Электрическое напряжение на коллекторе VT2 достаточно невелико (что в свою очередь будет равно падению электрического напряжения на насыщенном транзисторе). C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии (полярность как по схеме), медленно начинает разряжаться через открытый транзистор VT2 и резистор R3. Текущее напряжение на базе у транзистора VT1 отрицательно и благодаря этому напряжению он прочно удерживается в закрытом состоянии. Закрытое от напряжения состояние транзистора VT1 сохраняется до того, пока конденсатор C2 не будет перезаряжаться через R3 и напряжение на базе VT1 не начнет достигать порога его полного отпирания (около +0,6 В).

При этом VT1 начинает незамедлительно приоткрываться, и напряжение его коллектора начинает стремительно снижаться, что в свою очередь вызывает необратимое начало запирания VT2, напряжение коллектора транзистора VT2 начинает стремительно увеличиваться, что в свою очередь через конденсатор C2 еще больше открывает VT1. По итогу в транзисторном мультивибраторе происходит лавинообразный регенеративный повторяющийся процесс, приводящий к тому, что VT1 переходит в открытое насыщенное состояние, а VT2 в свою очередь запирается.

Электрические колебательные процессы в схеме будут постоянно и периодически повторяться, в зависимости от емкости и сопротивления компонентов и коэффициентов используемых транзисторов.

Какие параметры возможны у деталей

Параметры резисторов R1 и R4 выбираются меньше, чем у пары R3 и R2. Это нужно для того, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была побыстрее, чем разрядка через R3 и R2. Если дольше будет время зарядки конденсаторов, тогда аналогичными будут фронты импульсов. Но соотношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем текущие коэффициенты усиления используемых транзисторов. В противном случае транзисторы перестанут полностью открываться.

Можно ли собрать схему самостоятельно

Да, можно. Это устройство отлично подойдет для начинающих и для тех, кто интересуется электроникой.

На этой схеме мало деталей, но работает она просто и надежно. Можно собрать схему и навесным монтажом, на монтажной плате или же попробовать свои силы в изготовлении печатной платы — лазерно утюжная технология (ЛУТ).

По поводу настройки частоты. Можно поменять частоту при помощи емкости и сопротивления. При помощи резисторов намного проще. Достаточно просто поменять обычный резистор на переменный (не подстроечный). Достаточно из контактов 1-2-3 использовать 1-2 или 3-1.

Чем больше сопротивление — тем меньше шаг регулировки. От переменного резистора можно провести провода и визуально наблюдать за изменением частоты.

Печатная плата мультивибратора

Список используемых деталей

Как еще можно собрать мультивибратор

Эту схему можно спаять и на обычной макетной плате

Или навесным монтажом, но будьте внимательны, чтобы не произошло короткого замыкания — делайте соединения ровными и прямолинейными.

Питание схемы

Схему можно включить как от 12 В, так и от 9 В кроны и даже одного аккумулятора 18650.

Источник

Электроника

учебно-справочное пособие

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:

Автоколебательные мультивибраторы делятся на:

В данной статье рассматривается симметричный мультивибратор.

Принцип работы симметричный мультивибратора на транзисторах

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

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.

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:

Способы 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 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.

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

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).

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

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

Источники

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2021

Источник