Мультивибратор

Схема мультивибратора

Мультивибратор — релаксационный генератор электрических колебаний прямоугольного типа с крутыми фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»).

Мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1919 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущий синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают специальные запускающие сигналы. Режим синхронизации отличается от автоколебательного лишь тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) напряжения можно изменять частоту генерируемых колебаний.

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует сигнал «меандрового» типа, то есть сигнал, в периоде которого длительность импульса и длительность паузы одинакова.

Симметричный мультивибратор по «классической» схеме (см. рисунок) широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве простейшего по устройству генератора электрических колебаний. Данная схема обладает понятностью и очевидностью, а также не требует для реализации неудобных в расчётах и сборке индуктивностей и трансформаторов.

Практическое применение мультивибраторов на двух транзисторах ограничено сверху частотами в единицы мегагерц. На более высоких частотах оба транзистора с большой вероятностью запираются и для восстановления работы устройство надо отключать от источника питания и запускать заново, что во многих случаях неприемлемо.

Принцип действия

Схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

2 Нетастабильных состояния.

Состояние 1: Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током Q2 через R1 и Q2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)* R2, а на коллекторе Q1 — питанию.

Напряжение на коллекторе Q2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2 заряжен ранее в предыдущем состоянии 2, полярность по схеме. Получаем напряжение на базе Q1 = (небольшое напряжение на коллекторе Q2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, наглухо запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении.

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 начинает медленно перезаряжаться через открытый Q2 и R3. Отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет, пока через довольно длительное время не достигнет положительного значения.

Это приведет к началу открытия Q1, появлению коллекторного тока через R1 и Q1 и падению напряжения на коллекторе Q1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе Q2 и началу закрытия Q2.

Закрытие Q2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезарядкой C2 это ещё более повышает напряжение на базе Q1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению Q1 и полному закрытию Q2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени перезаряда C1 через открытый Q1 и R2.

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются как много меньшие, чем R2 и R3. Зарядка конденсаторов через R1 и R4 должна быть быстрее, чем перезарядка через R2 и R3.

Частота мультивибратора

Длительность одной из двух частей периода равна

$t = \ln2 \cdot R C$

Длительность периода из двух частей равна:

$T = t_1 + t_2 = \ln2 \cdot R_2 C_1 + \ln2 \cdot R_3 C_2$

$f = \frac1{T} = \frac1{\ln2 \cdot (R_2 C_1 + R_3 C_2)} \approx \frac1{0.693 \cdot (R_2 C_1 + R_3 C_2)}$

где

• f частота в Гц.

• R₂ и R₃ величины резисторов в Омах.

• C₁ и C₂ величины конденсаторов в Фарадах.

• T — длительность периода (В этом случае, сумма двух частей периода).

В особом случае когда

• t₁ = t₂ (50 % цикл)

• R₂ = R₃

• C₁ = C₂

$f = \frac1{T} = \frac1{\ln2 \cdot 2RC} \approx \frac{0.721}{RC}$

Ждущие мультивибраторы

Моностабильный (одностабильный) мультивибратор

Рис.2. Одностабильный мультивибратор.

Разновидность ждущего мультивибратора, имеющего одно стабильное состояние и одно неустойчивое. При поступлении переключающего импульса одностабильный мультивибратор переключается в неустойчивое состояние на период времени $t=\ln(2)\cdot R_2 \cdot C_1$ (для схемы на рис. 2), а затем возвращается в устойчивое состояние. Иногда также называется одновибратором.

Одновибраторы применяются для преобразования формы импульсов в расширителях импульсов

Бистабильный мультивибратор

Рис.3. Бистабильный мультивибратор (триггер)

Бистабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, который имеет два стабильных состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, переключаются эти состояния сигналами, поданными на разные входы, как показано на рис. 3. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS-типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который подаются импульсы различной либо одной полярности.

Бистабильный мультивибратор кроме выполнения функции триггера применяется также для построения генераторов, синхронизированных с внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определенного времени с момента последнего переключения и происходит в момент поступления синхронизирующего сигнала.

На рис. 4 показан пример синхронизированного генератора, выполненного с использованием синхронного D-триггера. Переключение мультивибратора происходит при положительном перепаде напряжения на входе (по фронту импульса). Рис. 4. Бистабильный мультивибратор в роли синхронизированного генератора

См. также

• Триггер
• Операционный усилитель
• Генератор электронный

Ссылки

• http://www.falstad.com/circuit/e-multivib-a.html - Java-апплет
• http://digteh.ru/digital/Mult.php - Мультивибраторы
• http://www.radiokot.ru/articles/07/ - Практическое применение операционных усилителей. Часть третья. Мультивибратор.
• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/op/funop_14_1_1.htm - Автоколебательный мультивибратор
• http://www.radioland.net.ua/contentid-368-page2.html - Мультивибраторы