Размещено на http://www.Allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Способы подключения нагрузки к симметричному мультивибратору

2. Как работает мультивибратор

3. Схема автоколебательного мультивибратора и принцип её работы

4. Мультивибраторы на биполярных транзисторах

5. Автоколебательный мультивибратор

6. Ждущий мультивибратор

7. Мультивибратор в генераторах и электронных переключателях

8. Мультивибраторы на полевых транзисторах КР504НТ

9. Мультивибратор на двух элементах микросхемы К155ЛА

10. Мультивибратор на полевых транзисторах

11. Гибридный мультивибратор

12. Симметричный Мультивибраторы на логических элемент

13. Симметричный мультивибратор на операционном усилителе

14. Симметричный мультивибратор RT1006B

Заключения

Список



ВВЕДЕНИЕ

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. При работе в режиме автоколебаний мультивибратор без внешнего воздействия вырабатывает импульсы, период повторения и длительность которых определяется параметрами схемы мультивибратора.

В режиме синхронизации на мультивибратор действует извне синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов. В ждущем режиме мультивибратор при отсутствии внешних импульсов запуска находится в состоянии покоя (в состоянии устойчивого равновесия) и не генерирует никаких импульсов. Лишь при воздействии импульсов запуска, поступавших от внешнего генератора, мультивибратор вырабатывает только один рабочий импульс, после чего возвращается в исходное состояние.

Таким образом, частота следования пульсов, генерируемых ждущим мультивибратором, задается не параметрами схемы, а частотой следования импульсов запуска. Параметры же схемы определяют длительность вырабатываемых импульсов.

Мультивибраторы применяются в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники (в т.ч. В реальном в ремни (метроном - это часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды), задающих устройствах, формирователях ЭВМ и радиотехнических игрушках), в устройствах радиотехники в качестве задающих генераторов и формирователей импульсов, делителей частоты, бесконтактных переключателей тока и т.д.



1. 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 сверх ярким 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.

Вывод

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.

2. 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-эмиттерной переход VT2 > - источника питания»;

VT1 по пути (показано синим цветом): «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление разряженного С2 > базово-эмиттерной 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-эмиттерной 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-эмиттерной 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-эмиттерной переход VT1 > - источника питания». По этой цепи произойдёт быстрый перезаряд конденсатора С2. С этого момента начинается «установившийся» режим автогенерации.

Вывод

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 ». 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

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-эмиттерной переход VT1 > - источника питания»

3. 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 на картинке.

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.

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.

Вывод

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

4. Симметричные мультивибраторы на биполярных транзисторах

Мультивибраторы на биполярных транзисторах наиболее часто выполняют по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (рис. 1,а). Как и для триггера, симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов, т.е.

RK1 = RK2, RБ1 = RБ2, СБ1 = СБ2,

параметры транзисторов одинаковы.

Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. В схеме мультивибратора использованы транзисторы р-п-р-типа.

При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки, поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие вКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации -- быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2, подзапирая его.

Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 -- в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние).

При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 -- положительным напряжением на конденсаторе СБ1, который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база -- эмиттер транзистора VT2.

На временных диаграммах рис. 1,б описанные процессы соответствуют моменту времени t = 0. Теперь конденсатор СБ2 быстро заряжается по цепи +ЕK -- эмиттер -- база транзистора VTl -- CБ2 -- RК2 -- ЕK до напряжения Ек. Конденсатор СБ1 заряженный в предыдущий период, перезаряжается через резистор RБ2 и открытый транзистор VT1 током источника питания Ек и напряжение на нем стремится уменьшиться до -- Ек (см. график для UБ2). В момент времени t1 напряжение СБ1 меняет знак, что вызывает отпирание транзистора VT2 и появление IK2. Увеличение тока IK2 приводит к процессу, аналогичному описанному ранее при увеличении тока IK1. В результате транзистор VT2 входит в режим насыщения, а транзистор VT1 -- в режим отсечки (второе временно устойчивое состояние равновесия).

В промежутке времени tx -- 12 происходит заряд конденсатора СБ1 и перезаряд конденсатора СБ2.Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор, формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого транзистора, почти прямоугольной формы. Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 2а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмита, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Когда напряжение uc достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 2б). Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

При начальных условиях uc(0) = -Uп решение этого уравнения имеет вид:

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта (условие uc(t) = Uп), будет достигнуто спустя время

t1 = RCln[1 + 2R1/R2]

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

T = 2t1 = 2RCln[1 + 2R1/R2] (2)

Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения Uм, которое, в свою очередь определяется напряжением питания Uпит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения. Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз. Схема мультивибратора приведена на рисунке 3.



Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = tзар1 + tзар2,

где tзар1 = R2C2 ln(U1/Uпор);

tзар2 = R4C1 ln(U1/Uпор)

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. Так как при реализации схемы генератора нас интересует максимальный петлевой коэффициент усиления, то последовательный резистор мы тоже можем исключить. Для обеспечения автоматического запуска генератора в схеме остается резистор, включенный с выхода на вход первого инвертора. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 4.



В этой схеме возможно задавать только частоту генерируемых импульсов. Она будет определяться произведением R1 C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента.

Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = RC (Т = а t, где а обычно имеет значение 1...2). Частоту следования импульсов можно оценить (с точностью до 10%) из выражения f = 1/2RC.Достаточно часто требуется получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап или полевой транзистор. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 5.

Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже может изменяться в десятки и сотни раз. Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности.

Примером специализированных микросхем - генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1. В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты

При применении такой схемы кварцевого генератора следует учитывать, что кварцевый резонатор в ней работает на частоте последовательного резонанса, которая отличается от частоты параллельного резонанса, используемого в осцилляторной схеме генератора

Вывод

При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки, поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие вКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации -- быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора. Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2,подзапирая его.

5. Автоколебательный мультивибратор

Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. Спектр колебаний, генерируемых мультивибратором, содержит множество гармоник - тоже электрических колебаний, но кратных колебаниям основной частоты, что и отражено в его названии: "мульти - много", "вибро - колеблю".

Рассмотрим схему, показанную на (рис. 1,а). Узнаете? Да, это схема двухкаскадного транзисторного усилителя 3Ч с выходом на головные телефоны. Что произойдет, если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией? Между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором колебаний звуковой частоты, и в телефонах мы услышим звук низкого тона.

С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.



1. Двухкаскадный усилитель охваченный, положительной обратной связью, становится мультивибратором

Теперь посмотрите рисунок

На нем вы видите схему того же усилителя, охваченного положительной обратной связью, как на (рис. 1, а), только начертание ее несколько изменено. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов. Опыт - самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. В этом вы убеждались не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора - автомата, предлагаю провести опыт с ним. Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов вы видите на (рис. 2,а). Смонтируйте его на макетной плате. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39-МП42), так как у высокочастотных транзисторов очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электролитические конденсаторы С1 и С2 - типа К50-6, К50-3 или их импортные аналоги на номинальное напряжение 10-12В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов Rl, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используйте батарею "Крона" или БП. В коллекторную цепь любого из транзисторов включите миллиамперметр (РА) на ток 10-15 мА, а к участку эмиттер - коллектор того же транзистора подключите высокоомной вольтметр постоянного тока (PU) на - напряжение до 10В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключите к мультивибратору источник питания. Что показывают измерительные приборы? Миллиамперметр - резко увеличивающийся до 8-10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение. О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора.

Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитайте, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно раз 15-20. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3 - 4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытайтесь изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывайте в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной - соответствующий этим состояниям коллекторный ток. У вас получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 2,б.



Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами длительностью паузы Тn - Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность Тn которых равна паузам между ними, называют симметричными. Следовательно, собранный вами опытный мультивибратор - симметричный. Замените конденсаторы С1 и С2 другими конденсаторами емкостью по 10 15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3 - 4 раза - до 60-80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Стрелки измерительных приборов еле успевают следовать за изменениями токов и напряжений в цепях транзисторов. А если конденсаторы С1 и С2 заменить бумажными емкостью по 0,01-0,05 мкФ? Как теперь будут вести себя стрелки измерительных приборов? Отклонившись от нулевых отметок шкал, они стоят на месте. Может быть, сорвана генерация? Нет! Просто частота колебаний мультивибратора увеличилась до нескольких сотен герц.

Это колебания диапазона звуковой частоты, фиксировать которые приборы постоянного тока уже не могут. Обнаружить их можно с помощью частотомера или головных телефонов, подключенных через конденсатор емкостью 0,01-0,05 мкФ к любому из выходов мультивибратора или включив их непосредственно в коллекторную цепь любого из транзисторов вместо нагрузочного резистора. В телефонах услышите звук низкого тона. Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 2,а.

В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 - через эмиттерной переход транзистора V2 и резистор R1; С2 - через эмиттерной переход транзистора V1 и резистор R4. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы.

Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое положительное напряжение, например, из-за разницы коэффициентов передачи токов h21э номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются.

Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2, а открытым - транзистор V1. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1, сопротивление участка эмиттер - коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разрядки конденсатора С1 положительное напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д.

Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что вами уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем вы можете убедиться сейчас же. Попробуйте, например, базовые резисторы R2 и R3 заменить резисторами больших сопротивлений. Частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключите верхние (по схеме) выводы резисторов R2 и R3 от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включите реостатом переменный резистор сопротивлением 30 - 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, вы в довольно широких пределах сможете изменять частоту колебаний мультивибраторов. Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле:

F = 700/(RC),

где f - частота в герцах,

R - сопротивления базовых резисторов в килоомах,

С - емкости конденсаторов связи в микрофарадах.

Пользуясь этой упрощенной формулой, подсчитайте, колебания каких частот генерировал ваш мультивибратор. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2,а). Конденсатор С2 замените конденсатором емкостью 2-3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора V2 включите миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразите графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора V2 будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2,в).

Длительность импульсов Тh будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами Тh, во сколько уменьшилась емкость конденсатора С2 по сравнению с его прежней емкостью. А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включите в коллекторную цепь транзистора V1. Что показывает измерительный прибор? Тоже импульсы тока, но их длительность значительно больше пауз между ними (рис. 2,г). Что же произошло?

Уменьшив емкость конденсатора С2, вы нарушили симметрию плеч мультивибратора - он стал несимметричным. Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными: в коллекторной цепи транзистора V1 ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора V2 - короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 - длинные импульсы напряжения. Временно поменяйте местами конденсаторы С1 и С2. Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные - на Выходе 2. Сосчитайте (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличьте емкость конденсатора С1, подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 - 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится.

А если, наоборот, емкость этого конденсатора уменьшать? Частота следования импульсов должна увеличиваться. Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов - изменением сопротивления резистора R2: с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3-5 кОм, иначе транзистор V2 будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться. Проверьте опытным путем - так ли это?

Подберите резистор такого номинала, чтобы число импульсов в 1 мин составляло точно 60. Стрелка миллиамперметра будет колебаться с частотой 1 Гц. Мультивибратор в этом случае станет как бы электронным механизмом часов, отсчитывающих секунды.

Вывод

О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора. Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитайте, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое.

6. Ждущий мультивибратор

Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 включить резистор (на рис. 3-R3) сопротивлением 10-15 кОм; между базой транзистора V1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 (G1 или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7-5,1 кОм (R5), но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора V1 подключить конденсатор (на рис. 3 - С2) емкостью 1-5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора V1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора V2 - открытое. Проверьте - так ли это?

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2-0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора V1 включите миллиамперметр на ток 10-15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один - два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Только не перепутайте:, отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту Uвх. При этом стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала.

Повторите этот опыт несколько раз. Миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8-10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора V1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвых. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, - на выходе мультивибратора появится только один импульс. Попробуйте!



И еще один эксперимент: коснитесь вывода базы транзистора V1 каким - либо металлическим предметом, взятым в руку. Возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает - от электростатического заряда вашего тела. Повторите такие же опыты, но включив миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора V2. При подаче управляющего сигнала коллекторный ток этого транзистора должен резко уменьшиться почти до нуля, а затем так же резко увеличиться до значения тока открытого транзистора. Это тоже импульс тока, но отрицательной полярности. Каков же принцип действия ждущего мультивибратора?

В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3. На базу транзистора V2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же V1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии они могут находиться сколько угодно времени. Но вот на базе транзистора V1 появился импульс напряжения отрицательной полярности. С этого момента транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор V1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор V2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор V1, сопротивление которого в это время мало).

Как только конденсатор разрядится, транзистор V2 тут же откроется, а транзистор V1 закроется. С этого момента мультивибратор вновь оказывается в исходном, устойчивом ждущем режиме. Таким образом, ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое и одно неустойчивое состояние. Во время неустойчивого состояния он генерирует один прямоугольный импульс тока (напряжения), длительность которого зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость этого конденсатора, тем больше длительность импульса. Так, например, при емкости конденсатора 50 мкФ мультивибратор генерирует импульс тока длительностью около 1,5 с, а с конденсатором емкостью 150 мкФ - раза в три больше. Через дополнительные конденсаторы - положительные импульсы напряжения можно снимать с выхода 1, а отрицательные с выхода 2. Только ли импульсом отрицательного напряжения, поданным на базу транзистора V1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора V2.

Итак, вам остается экспериментально проверить, как влияет емкость конденсатора С1 на длительность импульсов и возможность управления ждущим мультивибратором импульсами положительного напряжения. Как практически можно использовать ждущий мультивибратор? По-разному. Например, для преобразования синусоидального напряжения в импульсы напряжения (или тока) прямоугольной формы такой же частоты, или включения на какое - то время другого прибора путем подачи на вход ждущего мультивибратора кратковременного электрического сигнала.

Вывод

Каков же принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3. На базу транзистора V2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же V1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии они могут находиться сколько угодно времени. Но вот на базе транзистора V1 появился импульс напряжения отрицательной полярности. С этого момента транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор V1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор V2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор V1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор V2 тут же откроется, а транзистор V1 закроется. С этого момента мультивибратор вновь оказывается в исходном, устойчивом ждущем режиме

7. Мультивибратор в генераторах и электронных переключателях

Электронный звонок. Мультивибратор можно применить для квартирного звонка, заменив им обычный электрический. Собрать же его можно по схеме, показанной на (рис. 4). Транзисторы V1 и V2 работают в симметричном мультивибраторе, генерирующем колебания частотой около 1000 Гц, а транзистор V3 - в усилителе мощности этих колебаний.

Усиленные колебания преобразуются динамической головкой В1 в звуковые колебания. Если для звонка использовать абонентский громкоговоритель, включив первичную обмотку его переходного трансформатора в коллекторную цепь транзистора V3, в его футляре разместится вся электроника звонка, смонтированная на плате. Там же разместится и батарея питания.

Рис. 1. Электронный звонок на основе мультивибратора

Электронный звонок можно установить в коридоре и соединив его двумя проводами с кнопкой S1. При нажатии кнопки - в динамической головке появится звук. Так как питание на прибор подается только во время вызывных сигналов, двух батарей 3336Л соединенных последовательно или "Крона", хватит на несколько месяцев работы звонка. Желательный тон звука устанавливайте заменой конденсаторов С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Мультивибратор, собранный по такой же схеме, может быть использован для изучения и тренировки в приеме на слух телеграфной азбуки - азбуки Морзе. В этом случае надо только кнопку заменить телеграфным ключом.

Электронный переключатель

Этот прибор, схема которого показана на (рис. 2), можно использовать для коммутации двух елочных гирлянд, питающихся от сети переменного тока. Сам же электронный переключатель можно питать от двух батарей 3336Л, соединенных последовательно, или от выпрямителя, который бы давал на выходе постоянное напряжение 9-12В.

Рис. 2. Электронный переключатель на основе мультивибратора

Схема переключателя очень схожа со схемой электронного звонка. Но емкости конденсаторов С1 и С2 переключателя во много раз больше емкостей аналогичных конденсаторов звонка. Мультивибратор переключателя, в котором работают транзисторы V1 и V2, генерирует колебания частотой около 0,4 Гц, а нагрузкой его усилителя мощности (транзистор V3) является обмотка электромагнитного реле К1. Реле имеет одну пару контактных пластин, работающих на переключение. Подойдет, например, реле РЭС-10 (паспорт РС4.524.302) или другое электромагнитное реле, надежно срабатывающее от напряжения 6-8 В при токе 20-50 мА. При включении питания транзисторы V1 и V2 мультивибратора попеременно открываются и закрываются, генерируя сигналы прямоугольной формы.

Когда транзистор V2 открыт, отрицательное питающее напряжение через резистор R4 и этот транзистор подается на базу транзистора V3, вводя его в насыщение. При этом сопротивление участка эмиттер - коллектор транзистора V3 уменьшается до нескольких ом и почти все напряжение источника питания прикладывается к обмотке реле К1 - реле срабатывает и своими контактами подключает к сети одну из гирлянд. Когда транзистор V2 закрыт, цепь питания базы транзистора V3 разорвана, и он также закрыт, через обмотку реле ток не течет. В это время реле отпускает якорь и его контакты, переключаясь, подключают к сети вторую елочную гирлянду. Если вы захотите е изменить время переключения гирлянд, то заменяйте конденсаторы С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Данные резисторов R2 и R3 оставьте прежними, иначе нарушится режим работы транзисторов по постоянному току.

Усилитель мощности, аналогичный усилителю на транзисторе V3, можно включить и в эмиттерную цепь транзистора V1 мультивибратора. В этом случае электромагнитные реле (в том числе - самодельные) могут иметь не переключающие группы контактов, а нормально разомкнутые или нормально замкнутые. Контакты реле одного из плеч мультивибратора будут периодически замыкать и размыкать цепь питания одной гирлянды, а контакты реле другого плеча мультивибратора - цепь питания второй гирлянды. Электронный переключатель можно смонтировать на плате из гетинакса или другого изоляционного материала и вместе с батареей питания поместить в коробку из фанеры. Во время работы переключатель потребляет ток не больше 30 мА, так что энергии двух батарей 3336Л или "Крона" вполне хватит на все новогодние праздники. Аналогичный переключатель можно использовать и для других целей. Например, для иллюминации масок, аттракционов. Представьте себе выпиленную из фанеры и разрисованную фигурку героя сказки "Кот в сапогах". Позади прозрачных глаз находятся лампочки от карманного фонаря, коммутируемые электронным переключателем, а на самой фигурке - кнопка. Стоит нажать кнопку, как кот тут же начнет подмигивать тебе. А разве нельзя использовать переключатель для электрификации некоторых моделей, например модели маяка? В этом случае в коллекторную цепь транзистора усилителя мощности можно вместо электромагнитного реле включить малогабаритную лампочку накаливания, рассчитанную на небольшой ток накала, которая станет имитировать вспышки маяка.

Если такой переключатель дополнить тумблером, с помощью которого в коллекторную цепь выходного транзистора можно будет включать поочередно две такие лампочки, то он может стать указателем поворотов вашего велосипеда. Метроном - это своеобразные часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды. Такие приборы используют, например, для выработки чувства такта при обучении музыкальной грамоте, во время первых тренировок по передаче сигналов телеграфной азбукой. Схему одного из таких приборов вы видите на (рис. 3).

Рис. 3. Метроном на основе мультивибратора



Это тоже мультивибратор, но несимметричный. В таком мультивибраторе использованы транзисторы разной структуры:

Vl - n - p - n (МП35-МП38),

V2 - p - n - p (МП39 - МП42)

Это позволило уменьшить общее число деталей мультивибратора. Принцип же его работы остается таким же - генерация возникает за счет положительной обратной связи между выходом и входом двухкаскадного усилителя 3Ч; связь осуществляется электролитическим конденсатором С1. Нагрузкой мультивибратора служит малогабаритная динамическая головка В1 со звуковой катушкой сопротивлением 4-10 Ом, например 0.1ГД - 6, 1ГД - 8 (или телефонный капсюль), создающая при кратковременных импульсах тока звуки, похожие на щелчки. Частоту следования импульсов можно регулировать переменным резистором R1 примерно от 20 до 300 импульсов в минуту.

Резистор R2 ограничивает ток базы первого транзистора, когда движок резистора R1 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, соответствующем наибольшей частоте генерируемых колебаний. Метроном можно питать от одной батареи 3336Л или трех элементов 332, соединенных последовательно. Ток, потребляемый им от батареи, не превышает 10 мА. Переменный резистор R1 должен иметь шкалу, отградуированную по механическому метроному. Пользуясь ею, простым поворотом ручки резистора можно установить нужную частоту звуковых сигналов метронома.

Вывод

При включении питания транзисторы V1 и V2 мультивибратора попеременно открываются и закрываются, генерируя сигналы прямоугольной формы. Когда транзистор V2 открыт, отрицательное питающее напряжение через резистор R4 и этот транзистор подается на базу транзистора V3, вводя его в насыщение. При этом сопротивление участка эмиттер - коллектор транзистора V3 уменьшается до нескольких ом и почти все напряжение источника питания прикладывается к обмотке реле К1 - реле срабатывает и своими контактами подключает к сети одну из гирлянд. Когда транзистор V2 закрыт, цепь питания базы транзистора V3 разорвана, и он также закрыт, через обмотку реле ток не течет. В это время реле отпускает якорь и его контакты, переключаясь, подключают к сети вторую елочную гирлянду.

...