Что такое мультивибратор и для чего он нужен

Мультивибратор

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

Мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 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, ждущие 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 синхронизирующие сигналы. Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся подстроить частоту колебаний мультивибратора под частоту синхронизирующего напряжения или сделать кратной ей (захват частоты) для автоколебательных мультивибраторов.

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

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные колебания со скважностью 2 «типа меандр», то есть сигнал, в течение периода 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. Работу этой схемы легко понять и она очевидна, а также не требует для своей реализации неудобных индуктивностей и трансформаторов.

Существуют три типа схем мультивибратора в зависимости от режима работы:

Приведенная схема мультивибратора на двух транзисторах сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и не очень крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации до единиц МГц. На более высоких частотах оба транзистора запираются и для восстановления работы устройство надо перезапускать, что во многих случаях неприемлемо.

Содержание

Принцип действия

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

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, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый Q2 и R3. Пока он не разрядился, 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 (Q1 открыт и насыщен, Q2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет ноля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе Q1 не достигнет примерно 0,6 В.

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 перезаряженным 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 разряда 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 на много меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Частота мультивибратора

Длительность одной из двух частей периода равна

Длительность периода из двух частей равна:

В особом случае когда

Выходные формы импульса

Защитные компоненты

Мультивибратор на операционном усилителе

Источник

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