Одновибраторы широко используются в схемах автоматики и вычислительной техники для формирования импульсов определенной длительности. Давайте разберемся, как устроен одновибратор на транзисторах, изучим его схему и принцип работы. Это поможет вам самостоятельно спроектировать и собрать такое устройство.
Назначение и области применения одновибратора
Одновибратор используется как генератор импульсов с фиксированной длительностью. Он формирует на своем выходе импульсы заданной ширины при подаче коротких сигналов на вход управления. Благодаря этому одновибратор находит широкое применение в схемах автоматики и вычислительной техники.
Вот несколько примеров устройств и систем, где используются одновибраторы:
- Схемы управления электроприводами
- Импульсные источники питания
- Электронные таймеры и реле времени
- Генераторы линейной развертки в осциллографах
- Системы синхронизации в вычислительной технике
Принцип работы одновибратора
Рассмотрим, как устроен одновибратор и каков его принцип действия. Основу одновибратора составляет триггер - схема с двумя устойчивыми состояниями. При подаче управляющего импульса на вход триггер переключается из одного состояния в другое. За счет цепи обратной связи триггер может поддерживать каждое из этих состояний сколь угодно долго после снятия управляющего сигнала.
В отличие от обычного триггера, одновибратор имеет одно стабильное (устойчивое) состояние, в которое он всегда возвращается после срабатывания. А второе состояние является нестабильным (неустойчивым) - триггер не может в нем долго находиться.
При подаче короткого управляющего импульса на вход одновибратор переходит в нестабильное состояние. Цепь обратной связи поддерживает его в этом состоянии некоторое время, определяемое постоянной времени RC-цепи. По истечении этого времени одновибратор возвращается обратно в стабильное состояние и остается в нем до следующего импульса управления.
Схема одновибратора на транзисторах
Рассмотрим типовую схему одновибратора, выполненного на двух транзисторах. Обычно для этого используются маломощные биполярные транзисторы средней частоты.
Схема может быть построена по типу транзисторного триггера Шмитта или мультивибратора. Наиболее распространен вариант на транзисторах с общим эмиттером, приведенный на рисунке ниже.
Здесь транзисторы VT1 и VT2 выполняют роль триггера, а конденсатор C1 и резистор R3 образуют RC-цепь задержки. Резисторы R1 и R2 ограничивают токи базы транзисторов, R4 и R5 - токи коллектора. Диод VD1 разряжает конденсатор в исходном состоянии.
Рассмотрим принцип работы этой схемы подробнее.
Выбор элементов для схемы
Чтобы собрать работоспособный одновибратор, нужно правильно подобрать все его элементы. Для транзисторов важно выбрать модели, рассчитанные на соответствующие токи и напряжения в схеме.
Резисторы цепей базы должны ограничивать ток до безопасных значений. Резисторы в цепях коллектора рассчитываются из максимальной рассеиваемой мощности транзисторов.
Емкость конденсатора C1 определяет длительность выходных импульсов одновибратора. Он должен быть рассчитан на рабочее напряжение схемы с запасом.
Параметры диода VD1 выбираются из условия максимального обратного напряжения в цепи и допустимого тока. Рассмотрим методику расчета элементов одновибратора подробнее.
Расчет параметров одновибратора
Для обеспечения стабильной работы одновибратора необходимо произвести расчет основных его параметров. В первую очередь требуется определить длительность формируемых импульсов.
Длительность импульса \(\tau\) на выходе одновибратора рассчитывается по формуле:
\(\tau = k \cdot R \cdot C\)
где R и C - номиналы резистора и конденсатора в цепи задержки, \textit{k} - коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы (обычно 0.6...0.8).
Так, для получения импульсов длительностью 10 мс с точностью 5% можно взять R = 100 кОм, C = 1 нФ. С учетом коэффициента k = 0.7 будем иметь:
\(\tau = 0.7 \cdot 100 000 \cdot 0.000001 = 0.007\text{ с} = 7\text{ мс}\)
что удовлетворяет заданному диапазону 9.5...10.5 мс.
Далее производится проверочный расчет токов и напряжений во всех цепях для подбора номиналов резисторов и предельных параметров других элементов.
Результаты расчета позволяют убедиться, что схема будет работать надежно в заданном режиме. Рассмотрим далее порядок сборки одновибратора и проверки его работы.
Сборка и настройка одновибратора
После выполнения расчетов и подбора элементов можно переходить к сборке схемы одновибратора. Рекомендуется начать с макетирования на монтажной плате или прототипирования на печатной плате.
Сборку выполняют в следующем порядке:
- Установить резисторы, конденсаторы
- Установить транзисторы, соблюдая полярность
- Установить диод
- Выполнить монтаж и пайку выводов
- Проверить правильность сборки по схеме
После сборки нужно настроить одновибратор и проверить его работу. Для этого:
- Подать питание на схему
- Собрать генератор опорных импульсов
- Подать сигнал от генератора на вход одновибратора
- Зарегистрировать выходной сигнал на осциллографе
- Измерить длительность и амплитуду импульсов
- При необходимости откорректировать элементы схемы
После успешной настройки одновибратор готов к использованию в конкретной схеме устройства. Далее рассмотрим возможные неисправности и способы их устранения.
Возможные неисправности и их устранение
При сборке и настройке одновибратора на транзисторах возможно возникновение следующих характерных неисправностей:
- Нет выходных импульсов
- Самопроизвольное переключение триггера
- Выходные импульсы нестабильной длительности
- Повышенный ток потребления по питанию
Рассмотрим причины возникновения таких неисправностей и способы их устранения.
При отсутствии выходных импульсов следует проверить:
- Наличие сигнала запуска на входе
- Исправность транзисторов VT1 и VT2
- Правильность монтажа схемы
- Напряжение питания и полярность подключения
Если импульсы нестабильны, возможно неправильно выбрана емкость конденсатора С1 или имеет место утечка. Необходимо проверить конденсатор и при необходимости заменить.
Повышенный ток потребления указывает на короткое замыкание в схеме. Необходимо проверить отсутствие замыканий и правильность монтажа.
Таким образом, анализ и устранение возможных неисправностей позволяет добиться стабильной работы схемы одновибратора.
Модификации схемы одновибратора
На основе базовой схемы одновибратора возможно создание различных модификаций для расширения функциональных возможностей или улучшения характеристик.
Например, можно добавить дополнительные цепи смещения для формирования импульсов заданной амплитуды. Или использовать транзисторы других типов: полевые, с более высокими частотными свойствами.
Возможно построение одновибраторов на оптопарах вместо диодов для гальванической развязки цепей. Или применение реле для коммутации мощных нагрузок.
Применение одновибраторов в схемах
Рассмотрим, где можно использовать одновибратор на транзисторах.
В схемах автоматики одновибраторы применяются для формирования управляющих импульсов заданной длительности, например в системах управления электроприводами, где нужны импульсы точной ширины для коммутации силовых ключей.
В импульсных источниках питания одновибраторы используются в генераторах, формирующих импульсы для управления транзисторами или тиристорами.
В осциллографах одновибраторы применяются в схемах развертки для генерации линейно изменяющегося напряжения.
Одновибраторы в интегральном исполнении
Существуют интегральные микросхемы готовых одновибраторов различных типов. Они имеют ряд преимуществ:
- Миниатюрные размеры
- Стабильные характеристики
- Широкий температурный диапазон
- Помехозащищенность
Интегральные одновибраторы удобны для применения в портативной технике, где важны габариты и надежность. Например, в электронных часах, игрушках, пультах управления.
Альтернативные способы формирования импульсов
Помимо одновибраторов, импульсы можно формировать другими способами:
- С помощью цифровых микросхем таймеров
- На мультивибраторах
- Цифровыми схемами с программируемой логикой
Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки. Выбор зависит от требований к параметрам импульсов, стоимости и сложности реализации.
Аналоговые одновибраторы просты и недороги, удобны для несложных схем. Цифровые решения дают лучшую стабильность и гибкость настройки.
Однопереходные транзисторы
Однопереходные транзисторы имеют упрощенную внутреннюю структуру по сравнению с обычными биполярными транзисторами. В них отсутствует база, а управление осуществляется подачей напряжения на затвор.
Однопереходные транзисторы обладают меньшими габаритами, повышенной надежностью и могут коммутировать бо́льшие токи. Но имеют более низкое усиление и часто требуют использования внешних схем управления.
Применение однопереходных транзисторов
Однопереходные транзисторы широко используются:
- В импульсных источниках питания
- Для управления мощными нагрузками
- В схемах коммутации и преобразования
- В устройствах с индуктивной нагрузкой
Например, однопереходный транзистор может использоваться вместо реле для включения мощного светодиода или электродвигателя.
Однопереходные транзисторы в одновибраторах
Однопереходные транзисторы редко применяются в классических схемах одновибраторов, требующих усилительных свойств.
Однако их можно использовать в модифицированных одновибраторах, например:
- Для коммутации мощной нагрузки на выходе
- В схеме преобразователя напряжений питания
- Как ключ в цепи разряда конденсатора
При этом необходима внешняя схема управления затвором транзистора.
Одновибраторы в световой сигнализации
Одновибраторы часто используются в световой сигнализации для формирования импульсов управления светодиодами.
Это позволяет получить режим мигания заданной частоты и скважности из постоянного напряжения питания.
Примеры применения:
- Аварийная сигнализация
- Светофоры
- Маячки
В таких устройствах одновибратор управляет транзистором или светодиодным драйвером, коммутирующим нагрузку.
Защита одновибраторов от помех
Для работы одновибраторов в условиях сильных электромагнитных помех может потребоваться дополнительная защита.
Для этого применяют:
- Фильтры на входе питания
- Развязывающие конденсаторы
- Экранирование корпуса
- Защиту от статического электричества
Также используют интегральные одновибраторы в помехозащищенных корпусах или оптроны для гальванической развязки.
Это позволяет обеспечить надежную работу одновибраторов в жестких условиях эксплуатации.
