Этот урок будет посвящен, довольно важной и востребованной теме, о мультивибраторах и их применении. Если бы я попытался только перечислить, где и как используются автоколебательные симметричные и несимметричные мультивибраторы, для этого потребовалось бы приличное кол - во страниц книги. Нет, пожалуй, такой отрасли радиотехники, электроники, автоматики, импульсной или вычислительной техники, где бы такие генераторы не применялись. В этом уроке будут даны теоретические сведения об этих устройствах, а в конце, я приведу несколько примеров практического использования их применительно к вашему творчеству.
Автоколебательный мультивибратор
Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. Спектр колебаний, генерируемых мультивибратором, содержит множество гармоник - тоже электрических колебаний, но кратных колебаниям основной частоты, что и отражено в его названии: "мульти - много", "вибро - колеблю".
Рассмотрим схему, показанную на (рис. 1,а). Узнаете? Да, это схема двухкаскадного транзисторного усилителя 3Ч с выходом на головные телефоны. Что произойдет, если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией? Между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором колебаний звуковой частоты, и в телефонах мы услышим звук низкого тона.С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.
Теперь посмотрите на (рис. 1,б). На нем вы видите схему того же усилителя, охваченного положительной обратной связью , как на (рис. 1, а), только начертание ее несколько изменено. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов. Опыт - самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. В этом вы убеждались не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора - автомата, предлагаю провести опыт с ним. Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов вы видите на (рис. 2, а). Смонтируйте его на макетной плате. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39 - МП42), так как у высокочастотных транзисторов очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электролитические конденсаторы С1 и С2 - типа К50 - 6, К50 - 3 или их импортные аналоги на номинальное напряжение 10 - 12 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов Rl, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используйте батарею "Крона" или БП. В коллекторную цепь любого из транзисторов включите миллиамперметр (РА) на ток 10 - 15 мА, а к участку эмиттер - коллектор того же транзистора подключите высокоомный вольтметр постоянного тока (PU) на - напряжение до 10 В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключите к мультивибратору источник питания. Что показывают измерительные приборы? Миллиамперметр - резко увеличивающийся до 8 - 10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение. О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора. Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180° : когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитайте, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно раз 15 - 20. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3 - 4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытайтесь изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывайте в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной - соответствующий этим состояниям коллекторный ток. У вас получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 2, б.
Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами длительностью паузы Тn - Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность Тn которых равна паузам между ними, называют симметричными. Следовательно, собранный вами опытный мультивибратор - симметричный. Замените конденсаторы С1 и С2 другими конденсаторами емкостью по 10 - 15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3 - 4 раза - до 60 - 80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Стрелки измерительных приборов еле успевают следовать за изменениями токов и напряжений в цепях транзисторов. А если конденсаторы С1 и С2 заменить бумажными емкостью по 0,01 - 0,05 мкФ? Как теперь будут вести себя стрелки измерительных приборов? Отклонившись от нулевых отметок шкал, они стоят на месте. Может быть, сорвана генерация? Нет! Просто частота колебаний мультивибратора увеличилась до нескольких сотен герц. Это колебания диапазона звуковой частоты, фиксировать которые приборы постоянного тока уже не могут. Обнаружить их можно с помощью частотомера или головных телефонов, подключенных через конденсатор емкостью 0,01 - 0,05 мкФ к любому из выходов мультивибратора или включив их непосредственно в коллекторную цепь любого из транзисторов вместо нагрузочного резистора. В телефонах услышите звук низкого тона. Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 2, а. В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 - через эмиттерный переход транзистора V2 и резистор R1; С2 - через эмиттерный переход транзистора V1 и резистор R4. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое положительное напряжение, например, из - за разницы коэффициентов передачи токов h21э номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются. Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2, а открытым - транзистор V1. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1, сопротивление участка эмиттер - коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разрядки конденсатора С1 положительное напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что вами уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем вы можете убедиться сейчас же. Попробуйте, например, базовые резисторы R2 и R3 заменить резисторами больших сопротивлений. Частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключите верхние (по схеме) выводы резисторов R2 и R3 от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включите реостатом переменный резистор сопротивлением 30 - 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, вы в довольно широких пределах сможете изменять частоту колебаний мультивибраторов. Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: F = 700/(RC), где f - частота в герцах, R - сопротивления базовых резисторов в килоомах, С - емкости конденсаторов связи в микрофарадах. Пользуясь этой упрощенной формулой, подсчитайте, колебания каких частот генерировал ваш мультивибратор. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2, а). Конденсатор С2 замените конденсатором емкостью 2 - 3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора V2 включите миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразите графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора V2 будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2, в). Длительность импульсов Тh будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами Тh, во сколько уменьшилась емкость конденсатора С2 по сравнению с его прежней емкостью. А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включите в коллекторную цепь транзистора V1. Что показывает измерительный прибор? Тоже импульсы тока, но их длительность значительно больше пауз между ними (рис. 2, г). Что же произошло? Уменьшив емкость конденсатора С2, вы нарушили симметрию плеч мультивибратора - он стал несимметричным . Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными : в коллекторной цепи транзистора V1 ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора V2 - короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 - длинные импульсы напряжения. Временно поменяйте местами конденсаторы С1 и С2. Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные - на Выходе 2. Сосчитайте (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличьте емкость конденсатора С1, подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 - 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится. А если, наоборот, емкость этого конденсатора уменьшать? Частота следования импульсов должна увеличиваться. Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов - изменением сопротивления резистора R2: с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 - 5 кОм, иначе транзистор V2 будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться. Проверьте опытным путем - так ли это? Подберите резистор такого номинала, чтобы число импульсов в 1 мин составляло точно 60. Стрелка миллиамперметра будет колебаться с частотой 1 Гц. Мультивибратор в этом случае станет как бы электронным механизмом часов, отсчитывающих секунды.
Ждущий мультивибратор
Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 включить резистор (на рис. 3 - R3) сопротивлением 10 - 15 кОм; между базой транзистора V1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 (G1 или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 - 5,1 кОм (R5), но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора V1 поключить конденсатор (на рис. 3 - С2) емкостью 1 - 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора V1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора V2 - открытое. Проверьте - так ли это? Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора V1 включите миллиамперметр на ток 10 - 15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один - два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Только не перепутайте:, отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту Uвх. При этом стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала. Повторите этот опыт несколько раз. Миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8 - 10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора V1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвх. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, - на выходе мультивибратора появится только один импульс Попробуйте!
И еще один эксперимент: коснитесь вывода базы транзистора V1 каким - либо металлическим предметом, взятым в руку. Возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает - от электростатического заряда вашего тела. Повторите такие же опыты, но включив миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора V2. При подаче управляющего сигнала коллекторный ток этого транзистора должен резко уменьшиться почти до нуля, а затем так же резко увеличиться до значения тока открытого транзистора. Это тоже импульс тока, но отрицательной полярности. Каков же принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3. На базу транзистора V2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же V1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии они могут находиться сколько угодно времени. Но вот на базе транзистора V1 появился импульс напряжения отрицательной полярности. С этого момента транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор V1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор V2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор V1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор V2 тут же откроется, а транзистор V1 закроется. С этого момента мультивибратор вновь оказывается в исходном, устойчивом ждущем режиме. Таким образом, ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое и одно неустойчивое состояние . Во время неустойчивого состояния он генерирует один прямоугольный импульс тока (напряжения), длительность которого зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость этого конденсатора, тем больше длительность импульса. Так, например, при емкости конденсатора 50 мкФ мультивибратор генерирует импульс тока длительностью около 1,5 с, а с конденсатором емкостью 150 мкФ - раза в три больше. Через дополнительные конденсаторы - положительные импульсы напряжения можно снимать с выхода 1, а отрицательные с выхода 2. Только ли импульсом отрицательного напряжения, поданным на базу транзистора V1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора V2. Итак, вам остается экспериментально проверить, как влияет емкость конденсатора С1 на длительность импульсов и возможность управления ждущим мультивибратором импульсами положительного напряжения. Как практически можно использовать ждущий мультивибратор? По - разному. Например, для преобразования синусоидального напряжения в импульсы напряжения (или тока) прямоугольной формы такой же частоты, или включения на какое - то время другого прибора путем подачи на вход ждущего мультивибратора кратковременного электрического сигнала. А как еще? Подумайте!
Мультивибратор в генераторах и электронных переключателях
Электронный звонок. Мультивибратор можно применить для квартирного звонка, заменив им обычный электрический. Собрать же его можно по схеме, показанной на (рис. 4). Транзисторы V1 и V2 работают в симметричном мультивибраторе, генерирующем колебания частотой около 1000 Гц, а транзистор V3 - в усилителе мощности этих колебаний. Усиленные колебания преобразуются динамической головкой В1 в звуковые колебания. Если для звонка использовать абонентский громкоговоритель, включив первичную обмотку его переходного трансформатора в коллекторную цепь транзистора V3, в его футляре разместится вся электроника звонка, смонтированная на плате. Там же разместится и батарея питания.
Электронный звонок можно установить в коридоре и соединив его двумя проводами с кнопкой S1. При нажатии кнопки - в динамической головке появится звук. Так как питание на прибор подается только во время вызывных сигналов, двух батарей 3336Л соединенных последовательно или "Крона", хватит на несколько месяцев работы звонка. Желательный тон звука устанавливайте заменой конденсаторов С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Мультивибратор, собранный по такой же схеме, может быть использован для изучения и тренировки в приеме на слух телеграфной азбуки - азбуки Морзе. В этом случае надо только кнопку заменить телеграфным ключом.
Электронный переключатель. Этот прибор, схема которого показана на (рис. 5), можно использовать для коммутации двух елочных гирлянд, питающихся от сети переменного тока. Сам же электронный переключатель можно питать от двух батарей 3336Л, соеди - ненных последовательно, или от выпрямителя, который бы давал на выходе постоянное напряжение 9 - 12 В.
Схема переключателя очень схожа со схемой электронного звонка. Но емкости конденсаторов С1 и С2 переключателя во много раз больше емкостей аналогичных конденсаторов звонка. Мультивибратор переключателя, в котором работают транзисторы V1 и V2, генерирует колебания частотой около 0,4 Гц, а нагрузкой его усилителя мощности (транзистор V3) является обмотка электромагнитного реле К1. Реле имеет одну пару контактных пластин, работающих на переключение. Подойдет, например, реле РЭС - 10 (паспорт РС4.524.302) или другое электромагнитное реле, надежно срабатывающее от напряжения 6 - 8 В при токе 20 - 50 мА. При включении питания транзисторы V1 и V2 мультивибратора попеременно открываются и закрываются, генерируя сигналы прямоугольной формы. Когда транзистор V2 открыт, отрицательное питающее напряжение через резистор R4 и этот транзистор подается на базу транзистора V3, вводя его в насыщение. При этом сопротивление участка эмиттер - коллектор транзистора V3 уменьшается до нескольких ом и почти все напряжение источника питания прикладывается к обмотке реле К1 - реле срабатывает и своими контактами подключает к сети одну из гирлянд. Когда транзистор V2 закрыт, цепь питания базы транзистора V3 разорвана, и он также закрыт, через обмотку реле ток не течет. В это время реле отпускает якорь и его контакты, переключаясь, подключают к сети вторую елочную гирлянду. Если вы захочете изменить время переключения гирлянд, то заменяйте конденсаторы С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Данные резисторов R2 и R3 оставьте прежними, иначе нарушится режим работы транзисторов по постоянному току. Усилитель мощности, аналогичный усилителю на транзисторе V3, можно включить и в эмиттерную цепь транзистора V1 мультивибратора. В этом случае электромагнитные реле (в том числе - самодельные) могут иметь не переключающие группы контактов, а нормально разомкнутые или нормально замкнутые. Контакты реле одного из плеч мультивибратора будут периодически замыкать и размыкать цепь питания одной гирлянды, а контакты реле другого плеча мультивибратора - цепь питания второй гирлянды. Электронный переключатель можно смонтировать на плате из гетинакса или другого изоляционного материала и вместе с батареей питания поместить в коробку из фанеры. Во время работы переключатель потребляет ток не больше 30 мА, так что энергии двух батарей 3336Л или "Крона" вполне хватит на все новогодние праздники. Аналогичный переключатель можно использовать и для других целей. Например, для иллюминации масок, аттракционов. Представьте себе выпиленную из фанеры и разрисованную фигурку героя сказки "Кот в сапогах". Позади прозрачных глаз находятся лампочки от карманного фонаря, коммутируемые электронным переключателем, а на самой фигурке - кнопка. Стоит нажать кнопку, как кот тут же начнет подмигивать тебе. А разве нельзя использовать переключатель для электрификации некоторых моделей, например модели маяка? В этом случае в коллекторную цепь транзистора усилителя мощности можно вместо электромагнитного реле включить малогабаритную лампочку накаливания, рассчитанную на небольшой ток накала, которая станет имитировать вспышки маяка. Если такой переключатель дополнить тумблером, с помощью которого в коллекторную цепь выходного транзистора можно будет включать поочередно две такие лампочки, то он может стать указателем поворотов вашего велосипеда.
Метроном - это своеобразные часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды. Такие приборы используют, например, для выработки чувства такта при обучении музыкальной грамоте, во время первых тренировок по передаче сигналов телеграфной азбукой. Схему одного из таких приборов вы видите на (рис. 6).
Это тоже мультивибратор, но несимметричный. В таком мультивибраторе использованы транзисторы разной структуры: Vl - n - p - n (МП35 - МП38), V2 - p - n - p (МП39 - МП42). Это позволило уменьшить общее число деталей мультивибратора. Принцип же его работы остается таким же - генерация возникает за счет положительной обратной связи между выходом и входом двухкаскадного усилителя 3Ч; связь осуществляется электролитическим конденсатором С1. Нагрузкой мультивибратора служит малогабаритная динамическая головка В1 со звуковой катушкой сопротивлением 4 - 10 Ом, например 0.1ГД - 6, 1ГД - 8 (или телефонный капсюль), создающая при кратковременных импульсах тока звуки, похожие на щелчки. Частоту следования импульсов можно регулировать переменным резистором R1 примерно от 20 до 300 импульсов в минуту. Резистор R2 ограничивает ток базы первого транзистора, когда движок резистора R1 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, соответствующем наибольшей частоте генерируемых колебаний. Метроном можно питать от одной батареи 3336Л или трех элементов 332, соединенных последовательно. Ток, потребляемый им от батареи, не превышает 10 мА. Переменный резистор R1 должен иметь шкалу, отградуированную по механическому метроному. Пользуясь ею, простым поворотом ручки резистора можно установить нужную частоту звуковых сигналов метронома.
Практическая работа
В качестве практической работы, советую собрать схемки мультивибраторов представленные на рисунках урока, которые помогут осмыслить принцип работы мультивибратора. Далее предлагаю собрать очень интересный и полезный в бытовом хозяйстве "Имитатор электронного соловья ", на основе мультивибраторов, который можно использовать в качестве дверного звонка. Схема очень простая, надежная, работает сразу при отсутствии ошибок в монтаже и использовании исправных радиоэлементов. У меня в качестве дверного звонка используется уже 18 лет., по сей день. Нетрудно догадаться, что собрал я его - когда как и вы, был начинающим радиолюбителем.
Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.
От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.
Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.
Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.
Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными .
На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.
В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (t и ) = t паузы (t п ). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.
Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:
Где f - частота в герцах (Гц), С - ёмкость в микрофарадах (мкФ) и R - сопротивление в килоомах (кОм). Например: С = 0,02 мкФ, R = 39 кОм. Подставляем в формулу, выполняем действия и получаем частоту в звуковом диапазоне приблизительно равную 1000 Гц, а точнее 897,4 Гц.
Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.
Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:
Частота . Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.
Длительность импульса . Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.
Амплитуда . В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.
Скважность . Отношение периода (Т) к длительности импульса (t ). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.
Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.
Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.
Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.
Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.
Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах .
При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.
Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.
Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.
Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.
Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром .
Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов , которым можно измерить ёмкость конденсатора.
Ждущие мультивибраторы после поступления короткого запускающего импульса формируют один выходной импульс. Они относятся к классу моностабильных устройств и имеют одно длительно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния равновесия. Схема простейшего ждущего мультивибратора на биполярных транзисторах, имеющего одну резистивную и одну емкостную коллекторно-базовые связи, приведена на рис. 8. Благодаря связи базы VT 2 с источником напряжения питания +Е через R б2 в цепи базы течет отпирающий ток, достаточный для насыщения этого транзистора. При этом выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT 2 близко к нулю. Транзистор VT 1 заперт отрицательным напряжением, полученным в результате деления напряжения источника смещения -Е см делителем R б1 R с. Таким образом, после включения источников питания состояние схемы определено. В этом состоянии конденсатор С 1 заряжен до напряжения источника +Е (плюс на левой, минус на правой обкладке).
Рис. 8. Ждущий мультивибратор на транзисторах
В данном состоянии ждущий мультивибратор может находиться сколь угодно долго – до прихода запускающего импульса. Положительный запускающий импульс (рис. 9) отпирает транзистор VT 1 , что приводит к увеличению коллекторного тока и уменьшению коллекторного потенциала этого транзистора. Отрицательное приращение потенциала через конденсатор С 1 передается на базу VT 2 , выводит этот транзистор из насыщения и вызывает его переход в активный режим. Коллекторный ток транзистора уменьшается, напряжение на коллекторе получает положительное приращение, которое с коллектора VT 2 через резистор R c передается на базу VT 1 , вызывая его дальнейшее отпирание. Для уменьшения времени отпирания VT 1 параллельно R c включают ускоряющий конденсатор С уск. Процесс переключения транзисторов происходит лавинообразно и заканчивается переходом мультивибратора во второе квазиустойчивое состояние равновесия. В этом состоянии происходит разряд конденсатора С 1 через резистор R б2 и насыщенный транзистор VT 1 на источник питания +Е. Положительно заряженная обкладка С 1 через насыщенный транзистор VT 1 подключена к общему проводу, а отрицательно заряженная – к базе VT 2 . Благодаря этому, транзистор VT 2 удерживается в запертом состоянии. После разряда С 1 потенциал базы VT 2 становится неотрицательным. Это приводит к лавинообразному переключению транзисторов (VT 2 отпирается, а VT 1 запирается). Формирование выходного импульса заканчивается. Таким образом, длительность выходного импульса определяется процессом разрядки конденсатора С 1
.
Амплитуда выходного импульса
.
По окончании формирования выходного импульса начинается этап восстановления, в течении которого происходит заряд конденсатора С 1 от источника +Е через резистор R к1 и эмиттерный переход насыщенного транзистора VT 2 . Время восстановления
.
Минимальный период повторения, с которым могут следовать запускающие импульсы, равен
.
Рис. 9. Временные диаграммы напряжений в схеме ждущего мультивибратора
Операционные усилители
Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.
Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (f н =0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала.
На рис. 10,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 0 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим . ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 10,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами.
Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи.
Входные параметры.
Рис. 10. Условное обозначение операционного усилителя: а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки; FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод
Характеристики передачи.
Коэффициент усиления по напряжению К U (10 3 – 10 6)
,
где U вх1 , U вх2 – напряжения на входах ОУ.
Коэффициент передачи синфазного сигнала К U сф
.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала К ос сф
.
Частота единичного усиления f 1 – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц).
Скорость нарастания выходного напряжения V U вых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала.
Выходные параметры.
Максимальное выходное напряжение ОУ U вых max . Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания.
Выходное сопротивление R вых (десятки – сотни Ом).
Основные схемы включения операционного усилителя.
Операционные усилители обычно используют с глубокой отрицательной обратной связью, так как они имеют значительный коэффициент усиления по напряжению. При этом от элементов цепи обратной связи зависят результирующие параметры усилителя.
В зависимости от того, к какому входу ОУ подключается источник входного сигнала, различают две основные схемы включения (рис. 11). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 11,а) коэффициент усиления по напряжению определяется выражением
. (1)
Такое включение ОУ используют тогда, когда требуется повышенное входное сопротивление. Если на схеме рис. 11, а убрать сопротивление R 1 и закоротить сопротивление R 2 , то получится повторитель напряжения (К u =1), который используют для согласования высокого сопротивления источника сигнала и низкого сопротивления приемника.
Рис. 11. Схемы усилителей на ОУ: а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель
При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 11, б) коэффициент усиления равен
. (2)
Как видно из выражения (2) при таком включении входное напряжение инвертируется.
В рассмотренных
схемах к одному из входов подключено
сопротивление R э.
Оно не влияет на коэффициент усиления
и вводится, когда это необходимо для
уменьшения изменений выходного
напряжения, вызванных временными или
температурными колебаниями входных
токов. Сопротивление R э
выбирают таким, чтобы эквивалентные
сопротивления, подключенные ко входам
ОУ, были одинаковы. Для схем рис. 10
.
Модифицировав схему рис. 11, б, можно получить суммирующее устройство (рис. 12, а), в котором
. (3)
При одновременной подаче напряжения на оба входа ОУ получается вычитающее устройство (рис. 12, б), для которого
. (4)
Данное выражение
справедливо при выполнении условия
.
Рис. 12. Схемы включения ОУ: а – сумматор напряжений; б – вычитающее устройство
представляет собой генератор импульсов практически прямоугольной формы, созданный в виде усилительного элемента с цепью положительно-обратной связью. Существуют два типа мультивибраторов.
Первым типом являются автоколебательные мультивибраторы, которые не имеют устойчивого состояния. Различают два типа: симметричный – у него транзисторы одинаковы и также одинаковы параметры симметричных элементов. В результате этого две части периода колебаний равны между собой, а скважность равна двум. Если же параметры элементов не равны, то это уже будет несимметричный мультивибратор.
Второй тип это ждущие мультивибраторы, которые обладают состоянием устойчивого равновесия и нередко их именуют еще одновибратором. Применение мультивибратора в различных радиолюбительских устройствах довольно распространено.
Описание работы мультивибратора на транзисторах
Принцип работы проанализируем на примере следующей схемы.
Легко заметить, что она практически копирует принципиальную схему симметричного триггера. Различие только в том, что связи между блоками переключения, как прямая, так и обратная, осуществлены по переменному току, а не по постоянному. Это кардинально изменяет особенности устройства, так как в сравнении с симметричным триггером у схемы мультивибратора нет стабильных состояний равновесия, в которых он мог бы находиться продолжительное время.
Взамен этого имеются два состояния квазиустойчивого равновесия, благодаря чему устройство находится в каждом из них строго определенное время. Каждый такой промежуток времени определяется переходными процессами, происходящими в схеме. Функционирование устройства заключается к постоянной смене данных состояний, что сопровождается появлением на выходе напряжения, очень напоминающее по форме прямоугольное.
По сути своей симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель, причем схема построена, так что выход первого каскада соединен с входом второго. Вследствие этого после подачи питания на схему, обязательно получается, так что один из открыт, а другой находится в закрытом состоянии.
Допустим, что транзистор VT1 открыт и находится в состоянии насыщения током, идущим через резистор R3. Транзистор VT2, как уже было сказано выше, закрыт. Теперь в схеме происходят процессы, связанные с перезарядом конденсаторов C1 и C2. Первоначально конденсатор C2 абсолютно разряжен и вслед за насыщением VT1 происходит постепенная зарядка его через резистор R4.
Поскольку конденсатор C2 шунтирует коллектор-эммитерный переход транзистора VT2 через эммитерный переход транзистора VT1, то скорость его заряда определяет скорость изменения напряжения на коллекторе VT2. После заряда C2 транзистор VT2 закрывается. Продолжительность этого процесса (длительность фронта напряжения коллектора) можно вычислить по формуле:
t1a = 2,3*R1*C1
Также в работе схемы протекает и второй процесс, связанный с разрядом ранее заряженного конденсатора C1. Его разряд происходит через транзистор VT1, резистор R2 и источник питания. По мере разряда конденсатора на базе VT1 появляется положительный потенциал, и он начинает открываться. Данный процесс заканчивается после полного разряда C1. Длительность этого процесса (импульса) равна:
t2a = 0,7*R2*C1
По прошествии времени t2a транзистор VT1 будет заперт, а транзистор VT2 будет в насыщении. После этого процесс повторится по аналогичной схеме и длительность интервалов следующих процессов можно рассчитать также по формулам:
t1b = 2,3*R4*C2 и t2b = 0,7*R3*C2
Для определения частоты колебаний мультивибратора справедливо следующее выражение:
f = 1/ (t2a+t2b)
Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц....
Мультивибратор является, чуть ли не самым популярным устройством у начинающих радиолюбителей. И недавно мне пришлось собрать таковое по просьбе одного человека. Хотя мне это уже не интересно, но все-таки не поленился и оформил изделие в статью для начинающих. Хорошо когда в одном материале есть вся информация для сборки. очень простая и полезная штука, которая не требует отладки и позволяет наглядно изучить принципы работы транзисторов, резисторов, конденсаторов и светодиодов. А так же, если устройство не заработает, попробовать себя в роли регулировщика-отладчика. Схема не нова, строиться по типовому принципу, а детали можно найти где угодно. Уж очень они распространены.
Схема
Теперь что нам понадобиться из радиоэлементов для сборки:
- 2 резистора 1 кОм
- 2 резистора 33 кОм
- 2 конденсатора 4.7 мкФ на 16 вольт
- 2 транзистора КТ315 с любыми буквами
- 2 светодиода на 3-5 вольт
- 1 источник питания типа «крона» 9 вольт
Если вам не удалось найти нужных деталей, не огорчайтесь. Данная схема не критична к номиналам. Достаточно поставить приближённые значения, на работе в целом это никак не скажется. Влияет лишь на яркость и частоту мигания светодиодов. Время мигания напрямую зависит от ёмкости конденсаторов. Транзисторы можно установить подобные маломощные n-p-n структуры. Печатную плату делаем . Размер кусочка текстолита 40 на 40 мм, можно взять и с запасом.
Файл для печати формата.lay6 качаем . Для того чтоб при монтаже было допущено как можно меньше ошибок, нанёс позиционные обозначения на текстолит. Это помогает не путаться при сборке и добавляет красоты в общий вид. Так выглядит готовая печатная плата, протравленная и просверленная:
Производим монтаж деталей в соответствии со схемой, это очень важно! Главное не перепутать цоколевку транзисторов и светодиодов. Пайке тоже стоит уделить должное внимание.
Поначалу она может быть не такой изящной как промышленная, но это и не нужно. Главное обеспечить хороший контакт радиоэлемента с печатным проводником. Для этого детали перед пайкой обязательно лудим. После того как компоненты установлены и запаяны, ещё раз всё проверяем и протираем плату от канифоли спиртом. Примерно так должно смотреться готовое изделие:
Если всё было сделано грамотно, то при подаче питания мультивибратор начинает мигать. Цвет светодиодов вы выбираете сами. Для наглядности предлагаю посмотреть видео.
Видеоролик мультивибратора
Ток потребления нашей «мигалки» составляет всего лишь 7,3 мА. Это позволяет питать данный экземпляр от «кроны » довольно длительное время. В целом всё безотказно и познавательно, а главное предельно просто! Желаю добра и успехов в ваших начинаниях! Готовил материал Даниил Горячев (Alex1 ).
Обсудить статью СИММЕТРИЧНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ