Расчетное задание № 3

ИЗУЧЕНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА

3.1. Цель работы

3.1.1. Изучить схему и принцип действия мультивибратора с коллекторно-базовыми конденсаторами.

3.1.2. Изучить особенности работы транзистора в ключевом режи­ме.

3.1.3.Получить навыки расчета импульсных схем на примере схе­мы автоколебательного мультивибратора.

3.2. Содержание расчетного задания

3.2.1. Выполнить расчет ключевого режима работы транзисторов
указанных в индивидуальном задании к работе № 1.

3.2.2. Выполнить расчет схемы симметричного мультивибратора.
Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 3.1
и указываются преподавателем.

3.3. Методические указания

3.3.1. Ключевой режим работы транзистора.

Основой сложных импульсных схем являются транзисторные ключи. Транзистор­ным ключом называют схему, основное назначение которой состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих вход­ных сигналов. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, когда транзистор открыт до насыщения, мини­мальным током в разомкнутом состоянии, когда транзистор полностью закрыт, и скоростью перехода из од­ного состояния в другое.

Насыщенные ключи работают в режиме отсечки и насыщения, скачком переходя из одного режима в другой (точки А и В на рис. 3.1).

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме отсечки, рассчитывается по формуле:

Р _отс = Е _к × I _кбо, (3.1)

где I _кбо- обратный ток с коллектора на базу,

Е _к = Е _пит - приведены для всех вариантов в таблице 3.1.

Мощность рассеиваемая транзистором в режиме насыщения

Р _нас = I _кн × U _кэн, (3.2)

где U_КЭН - падение напряжения на транзисторе в режиме насы­щения, т.е. напряжение проекции точки B на ось U _кэ

Таблица 3.1

Параметры элементов схемы мультивибратора

Вари ант	Значения параметров	Напряжения
СБ1(мкФ)	СБ2(мкФ)	RБ1(кОм)	RБ2(кОм)	Rк(кОм)	Епит(В)	Еф(В)
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,033	0,033			6,8
	0,047	0,047			6,8
	0,047	0,047			6,8
	0,01	0,01			6,8
	0,05	0,05			7,5
	0,5	0,5			7,5
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,05	0,05			8,2
	0,5	0,5			8,2
	0,068	0,01			6,8
	0,015	0,015			7,5
	0,01	0,01			8,2
	0,05	0,05			6,8
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,05			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,022	0,047			8,2
	0,033	0,022			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,1			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,033			7,5
	0,01	0,01			7,5
	0,01	0,05			7,5
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,05	0,05			8,2
	0,01	0,05			8,2
	0,01	0,047			8,2
	0.01	0.047			7.5
	0.05	0.047			7.5
	0.015	0.015			8.2
	0.033	0.033			8.2
	0.07	0.07			6.8

I _кн - ток коллектора в режиме насыщения,

, (3.3)

Средняя мощность, рассеиваемая транзистором за время прямого и обратного переключений

, (3.4)

где Т - период колебаний рассчитываемый через уравнение 3.8.;

t _Ф - длительность фронта (длительность обоих фронтов считаем одинаковой).

Длительность фронта у импульсов мультивибратора показана на рис.3.3,б её можно рассчитать через параметры схемы С _б и R _к приведенные в

таблице 3.1 по формуле

t _ф = 2,3 С _б R _к, (3.5)

Полная мощность, рассеиваемая в ключе:

, (3.6)

где t _отс, t _нас - время нахождения транзистора в состоянии отсечки или насыщения (соответствуют t _и1 и t _и2 приведенным на временных диаграммах рис. 3.3,б).

Длительности t _и1 и t _и2 рассчитываются через исходные параметры мультивибратора, приведенные в таблице 3.1 по формуле

t _и = 0.7 · C _б · R _б (3.7)

3.3.2. Симметричный мультивибратор

Мультивибратор является генератором релаксационных колеба­ний, форма которых близка к прямоугольной. Частота колебаний и их амплитуда определяются параметрами схемы мультивибратора, харак­теристиками транзисторов и напряжением источников питания. Муль­тивибраторы могут работать в режиме автоколебаний, внешнего за­пуска и синхронизации. Если усилительные элементы, сопротивления и емкости обоих плеч одинаковы, то мультивибратор называется сим­метричным. Симметричный мультивибратор генерирует на выводах коллекторов импульсы одина­ковой длительности, но противоположной полярности.

Мультивибратор в автоколебательном режиме представляет собой двухкаскадный усилитель на транзисторах с положительной обратной связью рис 3.2.

Рис.3.1.Работа транзистора в ключевом режиме

Рис.З.2. Симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями.

Для снижения зависимости частоты колебаний от изменения –Ek напряжение смещения на базы транзисторов подают в отпирающей полярности через Rб.Период колебаний t зависит от параметров Rб и конденсаторов обратной связи С.

Допустим в какой -то момент времени VT1 открыт а VT2закрыт и через VT1 течет ток определяемый током Rк1 и током заряда С1 через Rб1.Ток заряда С1 вызывает падение напряжения на Rб1 с полярностью запирающей VТ2. После заряда С1 напряжение запирающее VТ2 снижается и VТ2 отпирается, при этом Uк2 уменьшается и этот перепад напряжения через С2 плюсом подается на базу VТ1 и закрывает его.Этот процесс идет лавинообразно и заканчивается сменой состояний транзисторов. Теперь начинается перезаряд С2 по цепи –Ек-Rб2-С2-VТ2-земля. Через время tи=0,7Rб2С2 заканчивается заряд С2 при этом напряжение запирающее VТ1 снижается и он начинает отпираться, что приводит к следующему переключению транзисторов.

Рис.3.3. а)Симметричный мультивибратор с диодной фиксацией.

б)Временные диаграммы его работы.

Частота колебаний мультивибратора равна:

, (3.8)

где Т - период колебаний;

t _u - длительность импульса, т.е. длительность запертого и открытого состояния соответствующего транзистора.

Длительность запертого состояния транзистора определяется скоростью перезаряда конденсатора, соединяющего в данный момент коллектор открытого транзистора с базой запертого.

Часто требуется иметь разные длительности импульсов (t _u1) и паузы (t _u2).Тогда скважность импульсов

, (3.9)

Главным препятствием на пути увеличения скважности является большая длительность фронтов (t _Ф) импульсов.

Максимальная скважность равна

Q _max = (b/ 3 ) + 1, (3. 10)

Учитывая, что минимальная скважность Q _min = 2 и отношение С 2 /С 1 = 1, получаем условие

R 1 > 3,3 R _к , (3.11)

Одним из способов укорочения отрицательного фронта является диодная фиксация коллекторных потенциалов на уровне Е _ф меньшим напряжения Е _к. Схема с диодной фиксацией показана на рис. 3.3,а, а соответствующие временные диаграммы на рис. 3.3,б. Из последних легко выразить время t _ф1 на уровне 0,9.

, (3.12)

где ε _ф = Е _ф / Е _к - относительный уровень фиксации.
При этом

Q _max = 0,8 × (b/ε _Ф) + 1, (3.13)

R 1 > 1,3 ε _Ф × R _K, (3.14)

Таким образом, схема с диодной фиксацией обеспечивает преимущество в отношении длительности отрицательного фронта и максимальной скважности.

Варианты у которых Е _ф=0 расчет t _ф1 и Q _max производить не нужно.