Мультивибраторы широко используются в схемотехнике для генерации периодических прямоугольных импульсов. Благодаря простоте и надежности работы, они нашли применение в различных областях электроники. В этой статье мы подробно разберем устройство и принцип работы мультивибраторов, построенных на одном транзисторе.
Общие сведения о мультивибраторах на транзисторах
Мультивибратор представляет собой электронный генератор, формирующий на выходе периодические электрические колебания прямоугольной, пилообразной или треугольной формы. Основу мультивибратора составляет транзисторный каскад с положительной обратной связью, благодаря которой происходит усиление и генерация колебаний.
Принцип работы мультивибратора основан на поочередном переключении транзисторов из открытого состояния в закрытое. За счет емкостных и резистивных элементов в цепи обратной связи обеспечивается задержка между переключениями, определяющая частоту колебаний.
По сравнению с другими типами генераторов, мультивибраторы обладают следующими достоинствами:
- Простота схемы и надежность работы
- Возможность получения различной формы выходного сигнала
- Широкий диапазон регулировки частоты
- Небольшие габариты и потребляемая мощность
Недостатками являются:
- Относительно невысокая стабильность частоты
- Наличие паразитных гармоник в спектре сигнала
- Сложность получения очень низких или высоких частот
Мультивибраторы используются для генерации тактовых импульсов в импульсных источниках питания, электронных таймерах, мигающих индикаторах, датчиках, измерительных приборах и других устройствах.
Существует несколько разновидностей мультивибраторов, различающихся схемотехникой построения и параметрами выходного сигнала:
- Астабильный (неустойчивый) мультивибратор генерирует периодические колебания заданной частоты и скважности
- Моностабильный (одновибратор) формирует одиночный импульс фиксированной длительности при подаче внешнего сигнала запуска
- Бистабильный (триггер) имеет два устойчивых состояния, в которые переключается по внешнему сигналу
Устройство и работа однотранзисторного мультивибратора
Мультивибратор на одном транзисторе представляет собой простейшую схему генератора прямоугольных импульсов. Рассмотрим его устройство и принцип работы подробнее.
Структурная схема однотранзисторного мультивибратора приведена на рисунке:
Основными элементами являются:
- Транзистор VT1
- Резисторы R1, R2 (базовый и коллекторный)
- Конденсаторы C1, C2
- Источник питания Упит
Принцип работы мультивибратора основан на периодическом переключении транзистора VT1 из открытого состояния в закрытое и обратно. При этом на коллекторе VT1 формируется переменное прямоугольное напряжение.
Последовательность работы следующая:
- В начальный момент транзистор VT1 закрыт. Конденсатор C1 заряжен, а C2 разряжен.
- Конденсатор C2 через резистор R2 начинает заряжаться от источника питания.
- По мере заряда C2 на базе VT1 растет положительное напряжение, и транзистор начинает открываться.
- Открывшийся VT1 быстро разряжает конденсатор C1 через низкоомный резистор R1.
- Напряжение с разряженного C1 удерживает VT1 в открытом состоянии в течение некоторого времени.
- За это время C2 успевает зарядиться и напряжение на базе VT1 падает, транзистор закрывается.
- Цикл повторяется: C1 заряжается, открывая VT1, затем C2 заряжается, закрывая VT1 и т.д.
Таким образом, на коллекторе VT1 формируется переменное прямоугольное напряжение определенной частоты. Ее значение зависит от параметров цепей C1-R1 и C2-R2. Регулируя емкости и сопротивления, можно изменять частоту и скважность выходных импульсов.
К достоинствам схемы относится простота и надежность. Однако импульсы имеют неидеальную форму с пологими фронтами из-за заряда емкостей. Для улучшения формы сигнала применяют более сложные схемы с дополнительными элементами.
Регулировка частоты мультивибратора
Одно из главных преимуществ мультивибраторов - возможность плавной регулировки частоты выходного сигнала в широких пределах. Это позволяет использовать их в качестве генераторов с перестраиваемой частотой.
Существует несколько способов изменения частоты мультивибратора на транзисторах:
- Подстройка резисторов или конденсаторов в цепи обратной связи
- Применение варикапов или терморезисторов
- Цифровая регулировка с помощью микроконтроллера
- Автоматическая стабилизация частоты обратной связью
Наиболее простой способ - использование переменных резисторов или конденсаторов. Увеличивая их значение, можно плавно менять частоту в несколько раз.
Для более точной настройки применяют варикапы, управляемые напряжением емкости. Варьируя управляющее напряжение, добиваются высокой стабильности частоты.
Цифровые методы дают возможность перестройки с высоким разрешением и точностью под управлением микроконтроллера или ПЛИС.
А для получения стабильной независимой от внешних факторов частоты используют системы ФАПЧ или ФАПЧ с разомкнутым контуром.
Таким образом, регулируемые мультивибраторы на транзисторах могут генерировать сигналы в широком частотном диапазоне с высокой точностью для различных применений.
Расчет параметров однотранзисторного мультивибратора
Для получения от мультивибратора требуемых выходных характеристик необходимо правильно выбрать параметры его схемы. Рассмотрим последовательность расчета на примере простейшей однотранзисторной схемы.
Исходные данные:
- Напряжение питания Упит = 12 В
- Требуемая частота f = 1 кГц
- Скважность импульсов 1:1
Последовательность расчета:
- Выбираем транзистор по максимальному напряжению и току.
- Определяем мощность рассеяния транзистора с запасом 20%.
- По мощности рассеяния находим ток коллектора Ик.
- Рассчитываем коллекторный резистор: Рк = Упит / Ик
- Выбираем конденсаторы из ряда значений, исходя из частоты: Copy code
- C1 = 0,7 / (Рк * f)
- C2 = C1
- Рассчитываем базовые резисторы исходя из ктр х Рк.
- Проверяем расчет частоты для найденных R и C.
- При необходимости корректируем номиналы элементов.
Таким образом можно подобрать значения резисторов и конденсаторов мультивибратора для получения заданной частоты и скважности выходных импульсов с учетом параметров транзистора.
Более подробно о правилах и методиках расчета параметров мультивибратора на транзисторах будет рассказано далее.
Расчет параметров однотранзисторного мультивибратора
Для корректного расчета параметров мультивибратора на одном транзисторе необходимо придерживаться определенной последовательности. Рассмотрим ее более подробно.
- Выбор транзистора
В первую очередь определяем тип транзистора - биполярный или полевой. Затем по максимальному напряжению коллектор-эмиттер Укэ макс и максимальному току коллектора Ик макс выбираем подходящую модель с запасом.
- Расчет мощности рассеяния транзистора
Вычисляем максимальную мощность рассеяния Прас макс = 0,8 · Птр макс, где Птр макс - предельная мощность для данного транзистора. Для надежности берем Прас раб = 0,5 · Прас макс.
- Определение тока коллектора
Исходя из мощности рассеяния, находим рабочий ток коллектора: Ик раб = Прас раб / Укэ макс
- Расчет коллекторного резистора
Значение коллекторного резистора: Рк = Упит / Ик раб. Выбираем ближайшее стандартное значение.
- Выбор конденсаторов обратной связи
Емкости C1 и C2 рассчитываем по формуле: C1(2) = 0,7 / (Рк · f), где f - требуемая частота. Берем стандартные значения.
- Расчет базовых резисторов
Сопротивления Рб выбираем исходя из коэффициента усиления транзистора: Рб = (5..10) · Рк · h21, где h21 - коэффициент усиления тока.
- Проверка частоты
Подставляем в формулу расчета частоты выбранные значения Рк, С1(2) и сравниваем с требуемой частотой. При необходимости корректируем параметры.
Придерживаясь этого алгоритма, можно обеспечить правильный выбор элементов схемы мультивибратора на одном транзисторе для получения необходимых выходных характеристик.
Схема мультивибратора с улучшенными фронтами
Рассмотренная ранее простая схема мультивибратора имеет существенный недостаток - неидеальную форму выходных импульсов из-за плавного заряда и разряда конденсаторов. Чтобы улучшить форму сигнала, используют более сложные схемы.
Здесь для ускорения фронтов импульсов используются дополнительные элементы - резисторы R3, R4 и диоды VD1, VD2. Благодаря этому удается получить крутые фронты длительностью до единиц наносекунд.
Кроме того, подключение нагрузки через буферный эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 позволяет не вносить искажений в работу схемы. Такая конфигурация обеспечивает высокое быстродействие и качество выходного сигнала.
Мультивибратор на КМОП инверторах
Реализовать мультивибратор можно не только на дискретных транзисторах, но и с использованием микросхем. Например, на КМОП логических элементах.
Здесь в качестве ключей используются КМОП инверторы DD1.1 и DD1.2 с емкостной связью между входом и выходом. Благодаря высокому входному сопротивлению и малой задержке переключения, такая схема может работать на частотах до единиц мегагерц.
DD1.3 - буферный инвертор, обеспечивающий согласование с нагрузкой и не влияющий на работу генератора. Регулировка частоты осуществляется подбором R и C.
К достоинствам такой реализации относится простота, надежность, стабильность параметров и возможность интеграции в БИС.
Мультивибратор с ждущим режимом
Ждущий мультивибратор на транзисторах - разновидность релаксационного генератора, который начинает формировать импульсы только после подачи внешнего сигнала запуска.
От обычного автоколебательного мультивибратора он отличается наличием дополнительного транзистора VT3, который удерживает схему в нерабочем состоянии.
Подача импульса запуска на базу VT3 приводит к отпиранию транзистора и запуску генерации мультивибратором. По окончании импульса VT3 снова закрывается, блокируя работу.
Такая схема используется в одновибраторах, таймерах, датчиках для формирования пачек импульсов после внешнего запускающего воздействия.
Цифровое управление частотой
Для точной регулировки частоты мультивибратора можно использовать цифровые методы с применением микроконтроллера.
Здесь для изменения частоты в микроконтроллере формируется ШИМ сигнал, далее преобразуемый в аналоговое напряжение, которое управляет варикапом в цепи генератора.
Такое решение обеспечивает высокую точность и разрешение регулировки частоты под управлением программы микроконтроллера с использованием ЦАП, ШИМ или ШИМ с ФНЧ.
К достоинствам относятся гибкость настройки, возможность автоматического управления частотой и интеграция в системы управления.
Стабилизация частоты мультивибратора
Для получения стабильной, не зависящей от внешних факторов частоты мультивибратора можно использовать систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Здесь часть выходного сигнала мультивибратора подается на вход ФАПЧ, которая сравнивает фазу с опорным генератором и вырабатывает управляющее напряжение для регулировки частоты.
Благодаря отрицательной обратной связи по фазе таким способом можно эффективно компенсировать отклонение частоты мультивибратора от заданного значения.
Мультивибратор с автоматическим рестартом
Для многих применений требуется, чтобы после включения питания мультивибратор автоматически начинал генерировать импульсы без дополнительного запуска.
Это можно реализовать с помощью схемы автоматического старта на транзисторе VT1. При подаче питания емкость C3 удерживает VT1 открытым, запуская мультивибратор. Затем VT1 закрывается и работа продолжается.
Такая схема обеспечивает надежный автозапуск мультивибратора при включении устройства, что удобно для различных применений.
Мультивибратор с регулируемой скважностью
Для возможности изменения не только частоты, но и скважности импульсов мультивибратора можно использовать схему с регулируемой симметрией.
Здесь в цепь положительной обратной связи добавлен регулируемый резистор R3, позволяющий плавно менять коэффициент связи и длительность импульсов относительно пауз.
Таким образом можно независимо изменять как частоту, так и скважность выходного сигнала мультивибратора для гибкой настройки.
Выбор оптимального режима работы
При проектировании мультивибратора важно правильно выбрать режим работы транзисторов с точки зрения обеспечения надежности и стабильности параметров.
Оптимальным является ключевой режим с максимальным током коллектора в открытом состоянии. Это обеспечивает минимальный нагрев транзисторов и нечувствительность частоты к напряжению питания и температуре.
Режим малых токов приводит к сильной зависимости частоты от внешних факторов. А режим больших токов - к чрезмерному нагреву и снижению надежности.
Поэтому оптимальное значение тока коллектора должно составлять 50-80% от максимального значения для выбранного транзистора.
Типовые неисправности
При эксплуатации мультивибратора могут возникнуть следующие типовые неисправности:
- Отсутствие генерации - проверить исправность транзисторов и питание схемы
- Неустойчивость частоты - заменить неисправные резисторы или конденсаторы
- Искажение формы сигнала - проверить режим работы транзисторов
- Повышенный уровень шумов - экранировать схему, фильтровать питание
- Снижение амплитуды - проверить нагрузку и выходной каскад
Своевременное обнаружение и устранение таких неисправностей позволит обеспечить нормальную работу мультивибратора в течение всего срока эксплуатации.
