Електронні генератори мультивібратор
Електронні генератори: мультивібратор. Призначення, принцип дії, застосування.
Мультивібратори
Мультивібратор є релаксаційним генератором коливань майже прямокутної форми. Він є двокаскадним підсилювачем на резисторах з позитивним зворотним зв'язком, у якому вихід кожного каскаду з'єднаний із входом іншого. Сама назва "мультивібратор" походить від двох слів: "мульті" - багато і "вібратор" - джерело коливань, оскільки коливання мультивібратора містять велику кількість гармонік. Мультивібратор може працювати в авто коливальному режимі, режимі синхронізації та режимі очікування. В авто коливальному режимі мультивібратор працює як генератор із самозбудженням, у режимі синхронізації на мультивібратор діє ззовні синхронізуюча напруга, частота якого визначає частоту імпульсів, ну а в режимі очікування мультивібратор працює як генератор із зовнішнім збудженням.
Мультивібратор в автоколивальному режимі
На малюнку 1 показана найбільш поширена схема мультивібратора на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками, малюнку 2 - графіки, що пояснюють принцип його роботи. Мультивібратор складається із двох підсилювальних каскадів на резиках. Вихід кожного каскаду з'єднаний з входом іншого каскаду через кондер С1 і С2.
Мал. 1 - Мультивібратор на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками
Мультивібратор, який має транзистори ідентичні, а параметри симетричних елементів однакові, називається симетричним. Обидві частини періоду його коливань рівні і шпаруватість дорівнює 2. Якщо хтось забув, що таке шпаруватість, нагадую: шпаруватість - це відношення періодуповторення до тривалості імпульсу Q=Tі/tі. Величина, обернена шпаруватості називається коефіцієнтом заповнення. Так ось, якщо є відмінності в параметрах, мультивібратор буде несиметричним.
Мультивібратор в авто коливальному режимі має два стани квазірівноваги, коли один з транзисторів знаходиться в режимі насичення, інший - в режимі відсікання і навпаки. Ці стани не є стійкими. Перехід схеми з одного стану до іншого відбувається лавиноподібно через глибокий ПОС.
Мал. 2 - Графіки, що пояснюють роботу симетричного мультивібратора
Припустимо, при включенні живлення транзистор VT1 відкритий і насичений струмом, що проходить через резик R3. Напруга на його колекторі мінімальна. Кондер С1 розряджається. Транзистор VT2 закритий і кондер С2 заряджається. Напруга на кондері С1 прагне нулю, а потенціал з урахуванням транзистора VT2 поступово стає позитивним і VT2 починає відкриватися. Напруга на колекторі зменшується і кондер С2 починає розряджатися, транзистор VT1 закривається. Далі процес повторюється до безкінечності.
Параеметри схеми мають бути такими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Тривалість імпульсів визначається за такою формулою:
Період імпульсів визначається:
Ну а щоб визначити частоту, треба одиницю розділити на цю ось хренотень (див. трохи вище).
Вихідні імпульси знімаються з колектора одного з транзисторів, причому з якого саме – не має значення. Іншими словами, у схемі два виходи.
Поліпшення форми вихідних імпульсів мультивібратора, що знімаються з колектора транзистора, може бути досягнуто включенням розділових (відключаючих) діодів у ланцюги колекторів, як показано на малюнку 3. Через ці діоди паралельно колекторним навантаженням підключені додаткові резики Rд1 і Rд2.
Мал. 3 - Мультивібратор з покращеною формою вихідних імпульсів
У цій схемі після закривання одного з транзисторів і зниження потенціалу колектора підключений до колектора діод також закривається, відключаючи кондер від колекторного ланцюга. Заряд кондера відбувається через додатковий резик Rд , а не через резик в колекторному ланцюзі, і потенціал колектора транзистора, що замикається, майже стрибком стає рівним Eк . Максимальна тривалість фронтів імпульсів у колекторних ланцюгах визначається переважно частотними властивостями транзисторів.
Така схема дозволяє отримати імпульси майже прямокутної форми, але її недоліки полягають у нижчій максимальній шпаруватості та неможливістю плавного регулювання періоду коливань.
На малюнку 4 наведено схему швидкодіючого мультивібратора, що забезпечує високу частоту автоколивань.
Мал. 4 - Швидкодіючий мультивібратор
У цій схемі резики R2, R4 підключені паралельно кондерам С1 і С2, а резики R1, R3, R4, R6 утворюють дільники напруги, що стабілізують потенціал бази відкритого транзистора (при струмі дільника, більшому струму бази). При перемиканні мультивібратора струм бази насиченого транзистора змінюється різкіше, ніж у розглянутих схемах, що скорочує час розсмоктування зарядів у основі і прискорює вихід транзистора з насичення.
Мультивібратор, що чекає
Мультивібратор, який працює в автоколивальному режимі і не має стану стійкої рівноваги, можна перетворити на мультивібратор, що має одне стійке положення та одне нестійке положення. Такі схеми називаються мультивібраторами або одновібриторами, що очікують, одноімпульсними мультивібраторами, релаксаційними реле або кипп-реле. Переклад схеми зстійкого стану в нестійке відбувається шляхом впливу зовнішнього імпульсу, що запускає. У нестійкому положенні схема знаходиться протягом деякого часу в залежності від її параметрів, а потім автоматично, стрибком повертається до початкового сталого стану.
Для отримання режиму очікування в мультивібраторі, схема якого була показана на рис. 1, треба викинути пару деталей і замінити їх, як показано на рис. 5.
Мал. 5 - мультивібратор, що чекає
У вихідному стані стійкий транзистор VT1 закритий. Коли на вхід схеми приходить позитивний імпульс достатньої амплітуди, що запускає, через транзистор починає проходити колекторний струм. Зміна напруги на колекторі транзистру VT1 передається через кондер С2 базу транзистора VT2. Завдяки ПІС (через резик R4) наростає лавиноподібний процес, що призводить до закривання транзистора VT2 і відкривання транзистора VT1. У цьому стані нестійкої рівноваги схема знаходиться до тих пір, поки кондер С2 не розрядиться через резик R2 і транзистор, що проводить, VT1. Після розряду кондера транзистор VT2 відкривається, а VT1 закривається та схема повертається у вихідний стан.
Блокінг-генератори
Блокінг-генератор являє собою однокаскадний релаксаційний генератор короткочасних імпульсів з сильним індуктивним позитивним зворотним зв'язком, що створюється імпульсним трансформатором. Вироблені блокінг-генератором імпульси мають велику крутість фронту і зрізу і формою близькі до прямокутним. Тривалість імпульсів може бути не більше кількох десятків нс до кількох сотень мкс. Зазвичай блокінг-генератор працює в режимі великої шпаруватості, тобто тривалість імпульсів набагато менша від періоду їх повторення. Добре може бути від кількохсотень до десятків тисяч. Транзистор, на якому зібраний блокінг-генератор, відкривається лише на час генерування імпульсу, а решту часу закрито. Тому при великій шпару час, протягом якого транзистор відкритий, набагато менше часу, протягом якого він закритий. Тепловий режим транзистора залежить від середньої потужності, що розсіюється на колекторі. Завдяки великій шпаруватості в блокінг-генераторі можна отримати дуже велику потужність під час імпульсів малої та середньої потужності.
При великій шпаруватості блокінг-генератор працює дуже економічно, тому що транзистор споживає енергію від джерела живлення тільки протягом невеликого часу формування імпульсу. Так само, як і мультивібратор, блокінг-генератор може працювати в авто коливальному, режимі очікування і режимі синхронізації.
Автоколивальний режим
Блокінг-генератори можуть бути зібрані на транзисторах, включених за схемою з ОЕ або схемою з ПРО. Схему з ОЕ застосовують частіше, оскільки вона дозволяє отримати кращу форму імпульсів, що генеруються (меншу тривалість фронту), хоча схема з ПРО більш стабільна по відношенню до зміни параметрів транзистора.
Схема блокінг-генератора показано на рис. 1.
Мал. 1 - Блокінг-генератор
Роботу блокінг-генератора можна поділити на дві стадії. У першій стадії, що займає більшу частину періоду коливань, транзистор закритий, а в другій - транзистор відкритий і відбувається формування імпульсу. Закритий стан транзистора в першій стадії підтримується напругою на кондері С1 зарядженим струмом бази під час генерації попереднього імпульсу. У першій стадії кондер повільно розряджається через великий опір резика R1, створюючи близький до нульового потенціал на базі транзистора VT1 і залишається закритим.
Коли напруга з урахуванням досягне порога відкривання транзистора, він відкривається і через колекторну обмотку I трансформатора Т починає протікати струм. При цьому в базовій обмотці II індуктується напруга, полярність якої має бути такою, щоб вона створювала позитивний потенціал на базі. Якщо обмотки I і II включені неправильно, блокінг-генератор не буде генерувати. Отже, кінці однієї з обмоток, будь-який, потрібно замінити місцями.