Мультивибратор - это... Принцип работы, характеристики
Мультивибратор - удивительное устройство, способное генерировать электрические колебания разнообразной формы. Хотя его принцип действия прост, мультивибратор находит широкое применение в самых разных областях - от медицинской техники до космических ракет. Давайте разберемся, как же устроен этот полезный прибор и почему он так популярен.
История создания мультивибратора
Термин "мультивибратор" был предложен в 1920-х годах голландским физиком Балтхасар ван дер Полем. Он отражал тот факт, что в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»), в спектре сигнала мультивибратора присутствует множество гармоник.
Мультивибратор produces numerous vibrations, whereas a sinusoidal oscillator produces but one - van der Pol, 1926.
Впервые мультивибратор как электронная схема был описан в 1918 году американскими инженерами W.H. Eccles и F.W. Jordan. Их статья в журнале Physical Review положила начало практическому применению этого устройства.
Мультивибратор есть релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Мультивибратор является одним из самых распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы, используемый в электронике и радиотехнике. Обычно представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, охваченный глубокой положительной обратной связью.
За прошедшее столетие схемотехника мультивибратора претерпела значительную эволюцию. Первые мультивибраторы строились на электронных лампах, затем последовали полупроводниковые варианты на транзисторах и микросхемах. Современные мультивибраторы реализуются преимущественно на интегральных микросхемах различной степени интеграции.
Принцип работы мультивибратора
Мультивибратор это - устройство, способное генерировать электрические колебания прямоугольной формы. Рассмотрим принцип работы на примере классической схемы симметричного мультивибратора на двух транзисторах (Рисунок 1).
Рисунок 1. Схема симметричного мультивибратора.
Мультивибратор может находиться в одном из двух неустойчивых состояний. Переход из одного состояния в другое происходит благодаря процессам заряда и разряда конденсаторов C1 и C2 через резисторы R1-R4. При этом происходит переключение транзисторов из открытого состояния в закрытое и обратно.
Например, в состоянии 1 транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт. Конденсатор C1 заряжается через резистор R1, а C2 разряжается через R3. Как только C2 разрядится, произойдет переключение - VT1 закроется, а VT2 откроется. Начнется обратный процесс - разряд C1 и заряд C2. Эти переключения происходят циклически, формируя на выходе периодические электрические колебания прямоугольной формы.
Таким образом, мультивибратор может работать в автоколебательном режиме. Однако он способен и к внешней синхронизации - если подать на вход синхронизирующие импульсы, мультивибратор будет переключаться синхронно с ними.
Длительность импульсов и пауз задается постоянными времени заряда C1·R1 и разряда C2·R3 конденсаторов. А частота переключений рассчитывается по формуле:
f = 1/(T1 + T2) = 1/(R1·C1 + R2·C2)
Таким образом, изменяя параметры R и C, можно регулировать частотно-временные характеристики генерируемого мультивибратором сигнала.
Основные типы мультивибраторов
Существует несколько разновидностей мультивибраторов, отличающихся режимом работы и параметрами генерируемого сигнала:
Автоколебательный мультивибратор
Работает в автоколебательном режиме, самостоятельно генерируя периодические электрические колебания заданной частоты и скважности. Не требует внешних синхронизирующих импульсов.
Ждущий мультивибратор
Ждущий мультивибратор генерирует выходные импульсы только при наличии входных синхроимпульсов. Частота следования выходных импульсов синхронизирована с частотой входного сигнала.
Мультивибратор со связанными колебаниями
Выходная частота кратна частоте входного синхросигнала. Реализует режим захвата частоты внешним опорным колебанием.
Симметричный и несимметричный мультивибратор
В симметричном мультивибраторе длительность импульсов и пауз одинакова. Несимметричный мультивибратор генерирует импульсы с неравными длительностями импульса и паузы.
Одновибратор
Генерирует одиночный выходной импульс фиксированной длительности при подаче входного синхроимпульса. Также называется моностабильным мультивибратором.
Применение мультивибратора
Благодаря простоте и универсальности, мультивибраторы нашли широчайшее применение в различных областях техники.
Измерительные приборы
Мультивибраторы применяются как генераторы прямоугольных импульсов в осциллографах, частотомерах, измерителях фазового сдвига и другой контрольно-измерительной аппаратуре.
Радиоэлектронная аппаратура
Мультивибраторы служат для формирования опорных колебаний, синхронизации узлов, преобразования формы сигналов.
Медицинские приборы
Импульсы мультивибратора используются для электростимуляции мышц, нервов, сердца. Примеры приборов - электрокардиостимулятор, электромиостимулятор.
Бытовая техника
Схемы на мультивибраторах применяются для коммутации, переключения режимов, управления индикацией в различных устройствах - стиральных машинах, пылесосах, микроволновках.
Советы по практическому применению мультивибраторов
Рассмотрим некоторые практические рекомендации по работе с мультивибраторами.
Выбор типа мультивибратора
При выборе схемы мультивибратора для конкретного применения следует учитывать:
- Необходимость автономного или синхронного режима работы
- Требования к параметрам выходного сигнала
- Доступность электронных компонентов для реализации
Подбор компонентов
Для получения нужных характеристик выходного сигнала тщательно подбирайте номиналы резисторов и емкостей конденсаторов в соответствии с расчетными формулами.
Настройка параметров
Используйте переменные резисторы для плавной подстройки частоты и длительности импульсов мультивибратора.
Измерение характеристик
Для измерения параметров выходного сигнала мультивибратора потребуются осциллограф и частотомер. Соблюдайте технику безопасности при работе с измерительными приборами.
Устранение неисправностей
Проверяйте исправность и параметры всех элементов схемы. Учитывайте влияние паразитных параметров при высоких частотах. При сбоях обращайтесь к принципиальным схемам.
Советы для начинающих
На первых порах выбирайте простейшие схемы мультивибраторов. Используйте макетные платы и демонстрационные модели. Изучайте влияние элементов на выходные характеристики.
Ошибки при работе с мультивибраторами и их устранение
Рассмотрим типичные ошибки, возникающие при работе с мультивибраторами, и способы их устранения.
Отсутствие генерации
Причины:
- Неисправность элементов схемы
- Неверный выбор компонентов
- Нарушение полярности подключения
Устранение:
- Проверить исправность элементов
- Проверить соответствие компонентов расчетным значениям
- Проверить правильность сборки схемы
Нестабильность частоты
Возможные причины:
- Плохое качество элементов
- Влияние внешних факторов (температура, влажность)
- Наводки от других цепей
Решения:
- Использовать элементы с лучшей стабильностью параметров
- Применить термостатирование и экранирование
- Устранить источники наводок
Искажение формы сигнала
Причины:
- Неправильный выбор элементов
- Паразитные параметры схемы
- Перегрузка по току и напряжению
Устранение:
- Подобрать элементы в соответствии с расчетами
- Учесть паразитные параметры на высоких частотах
- Исключить перегрузки транзисторов