Краткие теоретические сведения о работе мультивибратора

Мультивибратором называется релаксационный генератор, вырабатывающий электрические импульсы, форма которых близка к прямоугольной.

G

Название этого генератора отражает тот факт, что в спектральный состав сигнала, существенно отличающегося от гармонического (в данном случае – сигнал прямоугольной формы), входит большое число (мульти) гармонических составляющих. Это важно знать для оценки влияния такого сигнала на различные электрические цепи.

Длительность импульса у релаксационных генераторов определяется временем исчезновения (по латыни relaxatio) электрического или магнитного поля в одном из входящих в состав генераторов накопителе энергии, например, конденсаторе. Управление процессом накопления и расхода энергии осуществляется с помощью электронных ключей.

Форма выходных импульсов мультивибратора зависит от номиналов элементов схемы и может отличаться от прямоугольной. Ниже на рис.1 приводится общее представление реальных прямоугольных импульсов и основные их параметры.

Рис.1. Характерные участки и параметры импульсов

Импульсы имеют следующие характерные участки: 1-2 - фронт, 2-3 - вершина, 3-4 - срез (задний фронт). При работе с импульсами используют их параметры:

1. Амплитуда (высота) U _m (I _m ) - наибольшее значение напряжения (тока) импульса данной формы.

2. Длительность импульса t _И - это время от начала действия импульса до его завершения. Измеряется по основанию импульса или на уровне 0,1 U _m, если границы импульса сильно скруглены. Имеет размерность времени.

3. Длительность фронта t _Ф, определяется временем нарастания импульса от 0 до U _m. В инженерной практике для импульсов скругленной формы под t_Ф понимают время нарастания импульса от 0,1 U _m до 0,9 U _m.

4. Длительность среза t _С, определяется временем спада импульса (в пределах 0,9...0,1 U _m). Чем меньше величины t _Ф и t _С тем ближе форма импульса к прямоугольной.

5. Период повторения Т – временной интервал между началами или окончаниями двух однополярных импульсов.

6. Частота повторения импульсов F - величина, обратная периоду (F = 1/Т). Измеряется в импульсах в секунду.

7. Пауза t _П - интервал времени между импульсами: t _П= Т - t _И

8. Скважность Q - отношение периода колебаний к длительности импульса, Q = Т / t _И . Если длительность импульса равна длительности паузы (t _И = t _П), то Q =2 и такой сигнал носит название меандр.

9. Коэффициент заполнения g - величина, обратная скважности g = 1/ Q

10. Крутизна фронта S _ф или среза S _С, - отношение амплитуды импульса к длительности фронта или среза: S _Ф = U _m / t _Ф, S _С = U _m / t _С, (В/с). Характеризует скорость нарастания или спада импульса.

Наиболее распространенная схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями представлена на рис. 2.

Особенностью схемы является то, что транзисторы работают здесь в ключевом режиме. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов. Длительность импульса определяется временем нахождения транзистора в закрытом состоянии (когда на его коллекторе присутствует напряжение)[5]. Обычно схема мультивибратора выполняется симметричной на транзисторах с одинаковыми параметрами и при R _K1= R _K2= R _K, R _Б1= R _Б2= R _Б, С ₁= С ₂= С.

Современная схемотехника в основном базируется на транзисторных структурах n-p-n типа, для которых протекание токов и падения напряжений происходят сверху вниз (от плюса источника питания к его минусу по схеме), что удобно для анализа. Однако, лабораторная база построена на транзисторах p-n-p типа, поэтому все дальнейшие рассуждения будут отнесены именно к этому типу транзисторов.

Рис 2. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми

емкостными связями

Мультивибратор представляет собой автоколебательную систему с положительной обратной связью, которая реализуется с помощью конденсаторов C 1 и С 2. Однако в режиме отсечки (транзистор закрыт) положительная обратная связь будет практически разорвана. Поэтому она существует при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то есть в активном режиме работы транзисторов. Последнее обуславливает большую скорость переключения транзисторов за счет значительного коэффициента усиления по току и действия положительной обратной связи. Графики изменения во времени коллекторных и базовых напряжений транзисторов показаны на рис. 3. Здесь же стрелками показаны направления воздействия сигналов.

Работу мультивибратора рассмотрим с момента времени t ₁, когда после очередного опрокидывания транзистор VT 1 открылся (перешел в режим насыщения, при этом – U _КЭ1 » 0, см. рис. 3, б) и через него начался разряд конденсатора C 1 (см. рис. 3, в), заряженного ранее до напряжения U _Cm ≈ E к, разрядный ток которого протекает по цепи (см. рис. 2):

+ С 1 ® R _Б2 ® - E к ® R _Ек » 0 ® + Е _К ® э-к VT 1 ® - C 1

G

Поскольку в режиме насыщения сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT 1 практически равно нулю, можно считать, что в момент t ₁ левая, отрицательно заряженная, обкладка конденсатора С 1 соединится с общим проводом (эмиттером VT 2) и все напряжение заряда конденсатора U _C2 = + E _К приложится к переходу база-эмиттер транзистора VT 2 (плюсом к базе, т.е. U _БЭ2 = + U _C2), переводя его в режим отсечки (U _КЭ2 = – Е _К).

Если пренебречь влиянием на процесс разряда конденсатора С 1 входной цепи закрытого транзистора VT 2 (напряжение U _С1 является обратным для p-n перехода база-эмиттер) и сопротивления эмиттер - коллектор

Рис.3. Временные зависимости коллекторных (выходных)

и базовых напряжений симметричного мультивибратора

открытого (насыщенного) транзистора VT 1, то его разряд происходит с постоянной времени

t _Р = С ₁× R _Б2 = С× R _Б. (1)

При этом изменение напряжения на конденсаторе С 1 отзначения U _Cm ≈ E _К при разряде определяется выражением:

, (2)

Одновременно в момент времени t₁ начинается заряд конденсатора C 2 (см. рис. 3, а) по цепи (см. рис. 2):

+ Е _К ® э-б VT 1 ® С 2 ® R _К2 ® - E _К

Постоянная времени заряда конденсатора

t _З = С ₂× R _К2 = С× R _К (3)

Изменение напряжения на конденсаторе С2 при заряде определяется выражением:

, (4)

Для обеспечения автоколебательного режима работы необходимо, чтобы выполнялось условие t_Р > t_З. В симметричном мультивибраторе это условие схемно реализуется путем выбора R _Б> R _К.

Во время заряда конденсатора С 2 ток базы открытого транзистора VT 1 состоит из двух составляющих: тока через резистор R _Б1 и тока заряда конденсатора С 2, т.е.

I _Б1 = I _RБ1 + I _{ЗАР С2}. (5)

Этим объясняется отрицательный пик напряжения на базе транзистора VT1 (см. рис. 3, а) в момент его открывания t ₁, поскольку

U _БЭ1 = I _Б1× R _БЭ1. (6)

M

Наличие зарядного тока I _{ЗАР С2} приводит к искажению фронта импульса на коллекторе закрытого транзистора VT2 (см. рис. 3, г), что следует из выражения

– U _KЭ2 = – (E _K – I _ЗАР.С2 R _K2). (7)

Поскольку ток I _ЗАР.С2 = , то при t =0 (в момент времени начала заряда t ₁) этот ток имеет наибольшее значение, равное Е _К / R _К2, при котором (из (5.6)) напряжение на коллекторе U _КЭ2 = 0 (точка А на рис. 3, г ), вместо U _КЭ2 =– Е _К (точка В), соответствующего закрытому состоянию транзистора VT 2.

С ростом времени (в промежутке t ₁ – t ₂) ток заряда уменьшается до нуля, что приводит (см. (7)) к возрастанию напряжения на коллекторе VT 2 до значения U _КЭ2 = – Е _К (см. рис. 3, г)).

После быстрого заряда конденсатора С2 (т.к. t_З << t_Р) к моменту времени t ₂ ток базы транзистора VT 1 уменьшается (спад пика U _БЭ1 при I _{ЗАР С2} = 0, (см. (5.5) и (5.6)), однако транзистор VT 1 остается в открытом (насыщенном) состоянии за счет тока базы I _Бнас= Е _К / R _Б1(см. рис.2 и 3, а), протекающего через резистор R _Б1.

С течением времени (в промежутке t ₁… t ₃) напряжение конденсатора С 1 уменьшается (см. (5.2)), следовательно, положительное напряжение на базе транзистора VT 2 понижается. К моменту t ₃ конденсатор С 1 полностью разрядится до U _С1 = U _БЭ2 = 0 и начнется его перезарядка по цепи:

+ E _К ® э-к VT 1 ® С 1 ® R _Б2 ® – Е _К

Как только напряжение на конденсаторе С 1 сменит знак (U _С1= U _БЭ2 £ 0, после момента t ₃, см. пунктир на рис. 3, в), появляется ток базы I _Б2 и транзистор VT 2 начинает открываться. Появляется ток коллектора I _К2 и происходит повышение (уменьшение отрицательного) потенциала на коллекторе транзистора VТ 2 за счет увеличения падения напряжения на R _К2 в соответствии с выражением:

– U _КЭ2 = – (Е _К – I _К2 R _K2). (8)

Это повышение потенциала через конденсатор связи С 2 передается на базу транзистора VT 1 и приводит после его выхода из насыщения к уменьшению тока коллектора I _К1. Потенциал на коллекторе транзистора VT 1 понижается (становится более отрицательным, см. (8) для U _КЭ1). Это понижение потенциала на коллекторе транзистора VT 1, через конденсатор связи С 1 передается на базу транзистора VT 2 и вызывает его дальнейшее открывание. При этом потенциал на коллекторе VT 2 еще более возрастает и это изменение потенциала через конденсатор С 2 передается на базу транзистора VT 1, вызывая его дальнейшее закрывание и т.д.

За счет положительной обратной связи процесс изменения состояния транзисторов носит лавинообразный характер, происходит скачком. В результате этого процесса в момент t₃ транзистор VT 1 перейдет в состояние отсечки, а транзистор VT 2 полностью откроется и перейдет в насыщение.

В дальнейшем процессы будут происходить аналогично рассмотренным выше для момента t _1, только теперь начнет разряжаться конденсатор С 2 и заряжаться конденсатор С 1. На графиках (см. рис. 3) стрелками показаны причинно-следственные связи процессов, происходящих в схеме.

Анализ протекающих в мультивибраторе процессов показывает, что в каждом цикле колебаний длительность импульса t _И, формируемого на коллекторе закрытого транзистора, определяется временем разря­да конденсатора, соединенного с его базой (в процессе перезаряда) отнапряжения U _С = + Е _К до U _С £ 0.

Найдем это время, а значит и длительность выходного импульса. Перезаряд конденсатора от + Е _К до – Е _К (пунктирная линия на графике) не происходит, так как при достижении U _C £ 0 транзисторы переключаются и конденсатор опять быстро заряжается до + Е _К.

Приняв двойную амплитуду напряжения от + Е _К до – Е _К за U _m (т.е. U _m = 2 E _K, см. рис.3, а), можно записать выражение для изменения напряжения, к моменту разряда конденсатора от + E _К до U _С = 0, соответствующего 0,5 U _m:

0,5 U _m = U _m , (9)

откуда 0,5 = .

Прологарифмируем это выражение, откуда найдем искомое t _И:

ln = – ,

t _И = – t _Р · ln = – t _Р · ln 1 + t _Р · ln 2 = 0,69 t _Р (10)

t И = t РАЗР С®0» 0,7∙ t Р,

Таким образом, длительность импульса (на закрытом VT) равна:

(11)

где t _Р = R _Б C - постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Пауза между импульсами t _П = T – t _И формируется на коллекторе транзистора, когда VT – открыт (U _KЭ» 0) и определяется временем закрытого состояния другого транзистора (т.е. t _П2 = t _И1).

Для симметричного мультивибратора, где С ₁ = С ₂ и R _Б1 = R _Б2 имеет место равенство t _И = t _П. Очевидно, что период колебаний симметричного мультивибратора

Т = t _И + t _П = 2 t _И» 1,4 R _Б C (12)

Прямоугольные колебания, для которых выполняется условие равенства t _И = t _П называются меандром, при этом скважность Q = Т / t _И = 2

Из формул (11) и (12) видно, что изменение длительности импульсов и частоты колебаний (величины, обратной периоду) возможно путем изменения величин емкостей С 1 и С 2 и резисторов R _Б1 и R _Б2, т.е. изменением параметров разрядных цепей конденсаторов.

В лабораторной работе исследуется мультивибратор, схема которого приведена на рис.4. В этой схеме предусмотрена возможность изменения сопротивлений резисторов в цепях баз транзисторов с помощью потенциометра R 4. Это позволяет изменять постоянную времени разряда конденсаторов t _р и тем самым менять скважность – соотношение длительностей импульса и паузы при неизменном периоде колебаний (Q = Т / t _И).

	Рис.4. Схема для исследования мультивибратора

С помощью резистора R 1 можно менять величину напряжения и тока смещения транзисторов, что дает возможность изменять период и частоту колебаний мультивибратора На рис. 5 приведены начальные рабочие точки В, С и Н, характеризующие состояние транзисторов соответственно при В ерхнем, С реднем и Н ижнем положениях движка потенциометра R 1

В верхнем положении потенциометра R1 имеет место максимальное смещение (точка В) транзисторов (их базовые цепи соединены через свои R _Б с – Е _К) и схема является аналогом схемы на рис. 2, протекание процессов в которой рассмотрено выше.

В крайнем нижнем положении R 1 (точка Н) базовые цепи замыкаются на общий провод. При этом начальные базовые напряжения и токи равны нулю и транзисторы находятся в режиме отсечки (закрыты). В этом случае работа мультивибратора отличается от рассмотренной. Зарядные цепи конденсаторов остались теми же, а разрядные изменились в принципе. Теперь разряд конденсатора происходит только через соответствующий R _Б и открытый транзистор (раньше в цепи было внутреннее сопротивление источника питания R _ИП). Кроме того, исчезли цепи перезаряда конденсаторов, которые теперь со стороны базы не имеют связи с – Е _К. Следовательно, знак напряжения (полярность) на конденсаторах никогда не изменяется.

В этом режиме, в отличие от режима В, работа мультивибратора определяется процессами заряда конденсаторов. Действительно, оба транзистора находятся в режиме отсечки, и только во время заряда одного из конденсаторов протекает базовый ток и соответствующий транзистор открывается. С уменьшением зарядного тока I _Б = I _ЗАР.С транзистор прикрывается и на его коллекторе возрастает отрицательное напряжение, способствующее заряду и, следовательно открыванию другой пары конденсатор-транзистор. Поскольку конструктивно t_З << t_Р и именно зарядные процессы управляют здесь переключениями транзисторов,то частота колебаний в этом режиме выше, чем в базовой схеме.

Режим С является промежуточным с элементами обоих рассмотренных. В среднем положении движка потенциометра R 1 в цепь разряда конденсаторов вводится половина R 1, что увеличивает время разряда (теперь t _Р = (R _Б + 0,5 R 1) С) и уменьшает частоту выходных колебаний ниже базовой. Кроме того, возрастание сопротивления в цепи базы открытого транзистора (на величину 0,5 R 1) приводит к уменьшению тока базы и, как следствие, к выводу транзистора из насыщения (при котором U _КЭ=const) в активную область. Этим объясняется появление “ступеньки” – снижение максимального напряжения импульса после завершения заряда соответствующего конденсатора.

Детально изучить работу мультивибратора помогут [ 2, 5, 6, 7, 11 ].