Принцип работы мультивибратора на транзисторах

Симметричный мультивибратор на транзисторах

Принцип работы состоит в переходе из одного нестабильного состояния (Q1 закрыт, Q2 открыт) в другое (Q1 открыт, Q2 закрыт).

Начнем с первого состояния: Q1 закрыт, Q2 открыт.

Конденсатор С1 быстро заряжается идет через «меньший» резистор R4 и базовый переход Q2. Одновременно с этим через открытый Q2 через «больший» резистор R2 медленно разряжается C2, отрицательное напряжение на котором держит в запертом состоянии Q1.

В процессе дальнейшего перезаряда С2 на базе Q1 появляется уже положительное, отпирающее напряжение, и Q1 начинает открываться. Ток через него возрастает, снижается напряжение на коллекторе Q1 и базе Q2, что вызывает его запирание.

Напряжение на коллекторе Q2 увеличивается и через конденсатор C2 еще сильнее открывает Q1.

Процесс открывания Q1 ускоряет запирание Q2, и процесс происходит практически лавинообразно, и переход из одного состояния в другое происходит очень быстро.

Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2

В общем, транзисторы периодически друг друга открывают и закрывают.

Теперь немного о расчете элементов.

Период состоит из двух частей t1 и t2, зависящих от сопротивлений R2, R3 и емкостей C1, C2:

t1 = 0,7 x R3 x C1;

t2 = 0,7 x R2 x C2

Для примера, в схеме на картинке выше период равен t1 + t2 = 2*0,7*22 кОм*0,1 мкФ = 3,08 мс.

Период 3,3 мсПериод 3,3 мс

От сопротивления резисторов R1 и R4 зависит длительность спада импульсов: чем меньше сопротивление, тем быстрее спад.

При R1 = R4 = 470 ОмПри R1 = R4 = 470 Ом

Главный недостаток такой схемы — медленные спады. Этот недостаток исправляют в схеме:

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.

Multivibrator na KT315 water preview

Допустим, что VT1 закрыт, VT2 полностью открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода VT2 через R1 и VT2 практически до напряжения питания. Когда полностью заряжен конденсатор C1 через резистор R1 ток прекращается, напряжение на C1 = (ток базы VT2) ·R2, а на коллекторе VT1 — питающему напряжению.

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.

Процессы, происходящие в мультивибраторе

Давайте теперь более детально разберём, какие электронные процессы происходят в мультивибраторе. Но для начала перерисуем его схему более «традиционным» образом, подчёркивая симметричность:

Схема симметричного мультивибратора

Рис. 2. Та же схема, скомпонованная по-другому

Можете сравнить и убедиться, что это та же самая схема, что на предыдущем рисунке. Я оставил прежние обозначения элементов, чтобы легче было понять, к какому именно из двух каскадов относится та или иная деталь.

Частота мультивибратора

Отметим, что заряд конденсатора через Rб продолжается сравнительно долго по времени, а вот переключение транзисторов происходит практически мгновенно. Поэтому мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы. А их частота определяется временем заряда конденсаторов:

f = 1.443 / (C1*Rб1 + C2*Rб2)

где f — частота (Гц), C — ёмкость в фарадах, R — сопротивление в омах

Остаётся добавить парочку технических замечаний. Первое: у мультивибратора два выхода, сигнал можно снимать и с коллектора T1 и с коллектора T2. Эти два сигнала находятся в противофазе, в некоторых схемах используется это свойство и задействованы оба сигнала. При подключении нагрузки важно не зашунтировать транзистор, иначе есть риск внести искажения в работу мультивибратора, или даже вовсе сорвать генерацию. Лучше всего нагрузку подключать параллельно коллекторному сопротивлению.

Ну и второе замечание. Очевидное, но без его упоминания статья была бы неполная: мы разбираем здесь схему на основе транзисторов n-p-n, но точно также мультивибратор можно построить на транзисторах p-n-p, поменяв полярность питания. А также на радиолампах, операционных усилителях, логических элементах и т. д. — главное, чтобы были два усилительных каскада, охваченных ОС. Одна из таких схем будет приведена ниже.

Советуем к прочтению:   Микросхема L7805CV, характеристики, параметры, даташит, аналоги

Выходные формы импульса

Выходное напряжение имеет форму, приблизительно квадратной формы волны. Считается ниже транзистора Q1. В состоянии 1 , Q2 база-эмиттер в обратном направлении и конденсатор С1 «отцепленный» от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро меняется от высокого(пределы: более 1кВ) к низкому(пределы: до 250 В), так как это низко-резистивного выход, то загружается высокий импеданс нагрузки (последовательно соединенных конденсаторов С1 и высокоомных базу резистор R2). Во время состояния 2 , Q2 база-эмиттер в прямом смещением и конденсатор С1 «подключили» к земле. Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого до высокого, так как это относительно высокий резистивный выход, то загружается низкий импеданс нагрузки (емкость C1). Это для выходного напряжения R 1 C 1 интегрирующей цепи. Чтобы приблизиться к необходимой площади сигнала,нужно, чтобы ток коллектора резисторов был ниже сопротивления. База резисторов должна быть достаточно низкой, чтобы насытить транзисторы в конце восстановления (R B <β.r c=»»></β.r>

Начальное питание

Однако, если схема временного хранения и с высокой базы, длиннее, чем требуется для полной зарядки конденсаторов, то схема будет оставаться в стабильном состоянии, как с базы на 0,6 В, и коллекторы на 0 В, и оба конденсатора разряжаются до -0,6 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и С и очень мало.

Защитные компоненты

Хотя это и не основополагающее значение для работы схемы, диоды соединенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов необходимы, чтобы предотвратить переход база-эмиттер, их гонят в обратном направлении пробоя, когда напряжение питания превышает V EB напряжение пробоя, как правило, около 5 -10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения.

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.

sposoby i shema podkljuchenija nagruzki k simmetrichnomu multivibratoru

Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.

На примере показано подключение низкоомной динамической головки к мультивибратору. Добавочный резистор повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора мультивибратора.

Для подключения к мультивибратору высокоомной динамической головки буферный каскад не нужен. Головка подключается вместо одного из коллекторных резисторов. Должно выполняться единственное условие – ток, идущий через динамическую головку не должен превышать максимальный ток коллектора транзистора.

Если вы хотите подключить к мультивибратору обычные светодиоды– сделать «мигалку», то для этого буферные каскады не требуются. Их можно подключить последовательно с коллекторными резисторами. Связано это с тем, что ток светодиода мал, и падение напряжения на нём во время работы не более одного вольта. Поэтому они не оказывают никакого влияния на работу мультивибратора. Правда это не относится к сверхярким светодиодам, у которых и рабочий ток выше, и падение напряжения может быть от 3,5 до 10 вольт. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора.

Обратите внимание, что оксидные (электролитические) конденсаторы подключаются плюсами к коллекторам транзисторов. Связано это с тем, что на базах биполярных транзисторов напряжение не поднимается выше 0,7 вольта относительно эмиттера, а в нашем случае эмиттеры – это минус питания. А вот на коллекторах транзисторов напряжение изменяется почти от нуля, до напряжения источника питания. Оксидные конденсаторы не способны выполнять свою функцию при их подключении обратной полярностью. Естественно, если вы будете применять транзисторы другой структуры (не N-P-N, a P-N-P структуры), то кроме изменения полярности источника питания, необходимо развернуть светодиоды катодами «вверх по схеме», а конденсаторы – плюсами к базам транзисторов.

Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора?

На что влияют номиналы коллекторных резисторов? Я встречал в некоторых бездарных интернетовских статьях, что номиналы коллекторных резисторов незначительно, но влияют на частоту мультивибратора. Всё это полная чушь! При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений этих резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит частоты мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. Но зато, номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность мультивибратора прямого влияния не оказывают. А вот длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).

Советуем к прочтению:   Виды резисторов, для чего нужны, как проверить, обозначение, соединение

Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.

Длительность перезаряда конденсаторов определяется простой формулой, где

Тау– длительность импульса в секундах,
R– сопротивление резистора в Омах,
С– ёмкость конденсатора в Фарадах:

Таким образом, если вы уже не забыли написанное в этой статье на пару абзацев ранее:

При равенстве R2=R3

и
С1=С2, на выходах мультивибратора будет «меандр» — прямоугольные импульсы с длительностью равной паузам между импульсами, который вы видите на рисунке.

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

Частота колебаний F (Гц) связана с периодом Т(сек) через соотношение:

Как правило, в интернете если и есть какие либо расчёты радиоцепей, то они скудные. Поэтому произведём расчёт элементов симметричного мультивибратора на примере.

Как и любые транзисторные каскады, расчёт необходимо вести с конца — выхода. А на выходе у нас стоит буферный каскад, потом стоят коллекторные резисторы. Коллекторные резисторы R1 и R4 выполняют функцию нагрузки транзисторов. На частоту генерации коллекторные резисторы никакого влияния не оказывают. Они рассчитываются исходя из параметров выбранных транзисторов. Таким образом, сначала рассчитываем коллекторные резисторы, потом базовые резисторы, потом конденсаторы, а затем и буферный каскад.

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).

Из деталей транзисторы КТ315 можно брать любые, близкие по аналогам. Резисторы 0,125 Вт, а конденсаторы — не меньше питающего напряжения. Питать можно от ЛБП (лабораторного блока питания) или от аккумулятора +12 В, зарядного устройства.

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.

shema2

Порядок и пример расчёта транзисторного симметричного мультивибратора

Исходные данные:

Питающее напряжение Uи.п. = 12 В.

Необходимая частота мультивибратора F = 0,2 Гц (Т = 5 секунд), причём длительность импульса равна 1
(одной) секунде.

В качестве нагрузки используется автомобильная лампочка накаливания на 12 вольт, 15 ватт.

Как вы догадались, мы будем рассчитывать «мигалку», которая будет мигать один раз за пять секунд, а длительность свечения – 1 секунда.

Выбираем транзисторы для мультивибратора. Например, у нас имеются самые распространенные в Советские времена транзисторы КТ315Г.

Для них: Pmax=150 мВт; Imax=150 мА; h21>50.

Транзисторы для буферного каскада выбирают исходя из тока нагрузки.

Для того, чтобы не изображать схему дважды, я уже подписал номиналы элементов на схеме. Их расчёт приводится далее в Решении.

raschjot shema tranzistornogo simmetrichnogo multivibratora

Решение:

1. Прежде всего, необходимо понимать, что работа транзистора при больших токах в ключевом режиме наиболее безопасна для самого транзистора, чем работа в усилительном режиме. Поэтому расчёт мощности для переходного состояния в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку «В» статического режима транзистора — перехода из открытого состояния в закрытое и обратно проводить нет необходимости. Для импульсных схем, построенных на биполярных транзисторах, обычно рассчитывают мощность для транзисторов, находящихся в открытом состоянии.

Сначала определим максимальную рассеиваемую мощность транзисторов, которая должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике. Но для чего нам загонять мультивибратор в жёсткие рамки больших токов? Да и от повышенной мощности потребление энергии от источника питания будет большим, а пользы мало. Поэтому определив максимальную мощность рассеивания транзисторов, уменьшим её в 3 раза. Дальнейшее снижение рассеиваемой мощности нежелательно потому, что работа мультивибратора на биполярных транзисторах в режиме слабых токов – явление «не устойчивое». Если источник питания используется не только для мультивибратора, либо он не совсем стабильный, будет «плавать» и частота мультивибратора.

Определяем максимальную рассеиваемую мощность:Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 150мВт = 120мВт

Определяем номинальную рассеиваевую мощность: Pрас.ном. = 120 / 3 = 40мВт

2. Определим ток коллектора в открытом состоянии: Iк0 = Pрас.ном. / Uи.п. = 40мВт / 12В = 3,3мА

Примем его за максимальный ток коллектора.

3. Найдём значение сопротивления и мощности коллекторной нагрузки: Rк.общ=Uи.п./Iк0 = 12В/3,3мА= 3,6 кОм

Выбираем в существующем номинальном ряде резисторы максимально близкие к 3,6 кОм. В номинальном ряде резисторов имеется номинал 3,6 кОм, поэтому предварительно считаем значение коллекторных резисторов R1 и R4 мультивибратора: Rк = R1 = R4 = 3,6 кОм

Советуем к прочтению:   Микросхема TDA2030A: характеристики, datasheet и аналоги

Мощность коллекторных резисторов R1 и R4 равна номинальной рассеиваемой мощности транзисторов Pрас.ном. = 40 мВт. Используем резисторы мощностью, превышающей указанную Pрас.ном. — типа МЛТ-0,125.

4. Перейдём к расчёту базовых резисторов R2 и R3

Их номинал находят исходя из коэффициента усиления транзисторов h21. При этом, для надёжной работы мультивибратора значение сопротивления должно быть в пределах: в 5 раз больше сопротивления коллекторных резисторов, и меньше произведения Rк * h21.В нашем случае
Rmin = 3,6 * 5 = 18 кОм, а Rmax = 3,6 * 50 = 180 кОм
Таким образом, значения сопротивлений Rб (R2 и R3) могут находиться в пределах 18…180 кОм. Предварительно выбираем среднее значение = 100 кОм. Но оно не окончательно, так как нам необходимо обеспечить требуемую частоту мультивибратора, а как я писал ранее, частота мультивибратора напрямую зависит от базовых резисторов R2 и R3, а также от ёмкости конденсаторов.

5. Вычислим ёмкости конденсаторов С1 и С2 и при необходимости пересчитаем значения R2 и R3

Значения ёмкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT2. Именно во время действия этого импульса наша лампочка должна загораться. А в условии было задана длительность импульса 1 секунда.

Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С1 = 1сек / 100кОм = 10 мкФ

Конденсатор, ёмкостью 10 мкФ имеется в номинальном ряде, поэтому он нас устраивает.

Значения ёмкости конденсатора С2 и сопротивления резистора R3 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT1. Именно во время действия этого импульса на коллекторе VT2 действует «пауза» и наша лампочка не должна светиться. А в условии был задан полный период 5 секунд с длительностью импульса 1 секунда. Следовательно, длительность паузы равна 5сек – 1сек = 4 секунды.

Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С2 = 4сек / 100кОм = 40 мкФ

Конденсатор, ёмкостью 40 мкФ отсутствует в номинальном ряде, поэтому он нас не устраивает, и мы возьмём максимально близкий к нему конденсатор ёмкостью 47 мкФ. Но как вы понимаете, изменится и время «паузы». Чтобы этого не произошло, мы пересчитаем сопротивление резистора R3

исходя из длительности паузы и ёмкости конденсатора С2:
R3 = 4сек / 47 мкФ = 85 кОм
По номинальному ряду, ближайшее значение сопротивления резистора равно 82 кОм.

Итак, мы получили номиналы элементов мультивибратора:

R1 = 3,6 кОм, R2 = 100 кОм, R3 = 82 кОм, R4 = 3,6 кОм, С1 = 10 мкФ, С2 = 47 мкФ

6. Рассчитаем номинал резистора R5 буферного каскада

Сопротивление добавочного ограничительного резистора R5 для исключения влияния на мультивибратор выбирается не менее чем в 2 раза больше сопротивления коллекторного резистора R4 (а в некоторых случаях и более). Его сопротивление вместе с сопротивлением эмиттерно-базовых переходов VT3 и VT4 в этом случае не будет влиять на параметры мультивибратора.

R5 = R4 * 2 = 3,6 * 2 = 7,2 кОм

По номинальному ряду ближайший резистор равен 7,5 кОм.

При номинале резистора R5 = 7,5 кОм, ток управления буферным каскадом будет равен:

Iупр. = (Uи.п. – Uбэ) / R5 = (12в – 1,2в) / 7,5кОм = 1,44 мА

Кроме того, как я писал ранее, номинал коллекторной нагрузки транзисторов мультивибратора не влияет на его частоту, поэтому если у вас нет такого резистора, то вы можете его заменить на другой «близкий» номинал (5 … 9 кОм). Лучше, если это будет в сторону уменьшения, чтобы не было падения управляющего тока на буферном каскаде. Но учтите, что добавочный резистор является дополнительной нагрузкой транзистора VT2 мультивибратора, поэтому ток, идущий через этот резистор, складывается с током коллекторного резистора R4 и является нагрузочным для транзистора VT2: Iобщ = Iк + Iупр. = 3,3мА + 1,44мА = 4,74мА

Общая нагрузка на коллектор транзистора VT2 в пределах нормы. В случае её превышения максимального тока коллектора указанного по справочнику и умноженное на коэффициент 0,8 , увеличьте сопротивление R4 до достаточного снижения тока нагрузки, либо используйте более мощный транзистор.

7.Нам необходимо обеспечить ток на лампочке
Iн = Рн / Uи.п. = 15Вт / 12В = 1,25 А
Но ток управления буферным каскадом равен 1,44мА. Ток мультивибратора необходимо увеличить на значение, равное отношению:

Iн / Iупр. = 1,25А / 0,00144А = 870 раз

Как это сделать? Для значительного усиления выходного тока

используют транзисторные каскады, построенные по схеме «составного транзистора». Первый транзистор обычно маломощный (мы будем использовать КТ361Г), он имеет наибольший коэфициент усиления, а второй должен обеспечивать достаточный ток нагрузки (возьмём не менее распространённый КТ814Б). Тогда их коэффициенты передачи h21 умножаются. Так, у транзистора КТ361Г h21>50, а у транзистора КТ814Б h21=40. А общий коэффициент передачи этих транзисторов, включённых по схеме «составного транзистора»:
h21 = 50 * 40 = 2000. Эта цифра больше, чем 870, поэтому этих транзисторов вполне достаточно для управления лампочкой.

Ну вот, собственно и всё!

Источники
  • https://zen.yandex.ru/media/electronic_scribbles/generatory-priamougolnyh-impulsov-multivibratory-6106496f4cf75301f0ce7ba1
  • https://tyt-sxemi.ru/kak-rabotaet-multivibrator/
  • https://all-electronic.ru/sxemy/generatory/vsyo-o-simmetrichnom-multivibratore
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/273143
  • https://hockey-samara.ru/elektronika/multivibrator-shema.html

Как вам статья?

Павел
Павел
Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Написать
Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы
Рейтинг
( 4 оценки, среднее 5 из 5 )
Записки радиолюбителя
Adblock
detector