Мультивибраторы
статья

Мультивибраторы: принцип работы, функциональная схема. Временная диаграмма. Параметры, примеры использования, микросхемное исполнение.

Мультивибратор — релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами.

Мультивибраторы предназначены для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы.

 Мультивибраторы обычно выполняют функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков.

  Классификация мультивибраторов производится по следующим признакам:

 1) по виду используемых элементов: а) мультивибраторы на транзисторах; б) мультивибраторы на ИМС.

2) по режиму работы: а) автоколебательные; б) ждущие.

Автоколебательные мультивибраторы.

 Подобно генераторам синусоидальных колебаний, автоколебательные мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения. Для формирования импульсного сигнала внешнее воздействие не требуется. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения. Автоколебательные мультивибраторы могут быть построены на транзисторах

или на операционном усилителе (ОУ)

                     Автоколебательный мультивибратор на транзисторах. В автоколебательном режиме транзисторы поочерёдно переходят из открытого состояния в закрытое и обратно. При включении источника коллекторного питания +Eк один из транзисторов окажется открытым, а другой – закрытым. Если открыт, например, транзистор VT1, то конденсатор С1, зарядившийся во время установления процессов в схеме, начинает разряжаться по двум цепочкам: через сопротивления Rк1 и R1 и коллектор – эмиттер транзистора VT1 и эмиттер – база транзистора VT2.  Разрядный ток создаёт на резисторе R1 падение напряжения, убывающее по мере уменьшения этого тока по экспоненте. И это напряжение приложено к базе транзистора VT2 и поддерживает его в закрытом состоянии, т. е. Uбэ VT2 увеличивается по экспоненте. В это же время конденсатор С2 заряжается от источника Ек через участок эмиттер – база открытого транзистора VT1 и резистор Rк2. По мере заряда конденсатора С2 ток, протекающий по Rк2 уменьшается и потенциал коллектора VT2, увеличивается по экспоненте. Через некоторое время, когда конденсатор С2 зарядится, потенциал коллектора станет примерно равен Eк. Так как R1>>Rк2 ,то процесс разряда конденсатора С1 проходит значительно медленнее, чем процесс заряда конденсатора С2. Когда потенциал базы VT2 приблизится к нулю (при полной разрядке С1) VT2 приоткроется и начнет проводить ток. С этого момента в результате действия положительной обратной связи происходит лавинообразный процесс, в результате которого транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 закрывается, т. к. напряжение на конденсаторе С2 приложено обратно к базе – эмиттер VT1. Далее все процессы повторяются, но уже относительно открытого транзистора VT2. Таким образом, параметры элементов С1, R1, C2, R2 определяют длительность импульса соответственно на выходе 1 и выходе 2: В симметричном мультивибраторе выделяют следующие  параметры: 1)  период колебания C R T1 4,1≈; 2)  амплитуда импульсов 3,1...2,1 K m E U ≈; 3)  длительность импульсов C R И1 7,0≈ τ ; 4)  длительность переднего фронта C RК 2 ≈ φτ .

Автоколебательный мультивибратор на ОУ. Мультивибратор на ОУ относится к самовозбуждающимся генераторам (рисунок 5.8). ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по неинвертирующему входу U1 и по инвертирующему входу Uс (напряжение конденсатора С1). В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение «скачком» изменяется от    Uвых max до Uвых min= - Uвых max. При R3= R4 длительность импульса tи≈1,1 R2С1, а период импульса T= 2tи≈ 2,2R2С1. Изменяя величины сопротивления R2 и конденсатора С1, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Ждущий мультивибратор

Ждущий мультивибратор (одновибратор) - это простой генератор, вырабатывающий одиночный прямоугольный импульс по команде – более короткому импульсу запуска. Ждущий мультивибратор не работает в режиме непрерывной генерации (режиме автогенератора). Так как он вырабатывает всего один импульс, второе название ждущего мультивибратора – одновибратор.

Как работает ждущий мультивибратор?

В начальный момент подачи питания практически никаких переходных процессов в ждущем мультивибраторе не происходит. После подачи питания по цепям ждущего мультивибратора протекает два основных тока, стремящихся открыть транзисторы:
- VT2 по пути (показано красным цветом): «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > - источника питания»;
- VT1 по пути (показано синим цветом): «+ источника питания > резистор R4 > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > - источника питания».
Поскольку сопротивление резистора R1, конденсатора С1 и параллельно подключенного к этой цепи резистора R2 намного меньше сопротивления последовательно включенных резисторов R4 и R3, то базовый ток транзистора VT2 значительно превосходит базовый ток транзистора VT1. Поэтому транзистор VT2 открывается. База транзистора VT1, оказывается шунтирована на эмиттер VT1 через резистор R3 и малое сопротивление открытого перехода коллектор-эмиттер транзистора VT2. В результате этого, транзистор VT1 закрывается. Одновременно происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > конденсатор С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > - источника питания». Конденсатор зарядится до значения, равного напряжению источника питания. В таком состоянии, являющимся «Установившимся режимом ожидания импульса запуска» ждущий мультивибратор и остается до прихода импульса запуска. По его цепям протекают токи, показанные на рисунке.

Способы запуска ждущего мультивибратора
Существует два способа (варианта) запуска ждущего мультивибратора. Прежде всего, вспомним нормальное состояние ждущего мультивибратора – транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. Для того, чтобы получить выходной импульс необходимо VT1 открыть, а транзистор VT2 закрыть. Естественно это можно сделать через управление либо той, либо другой базой транзисторов.

Вариант 1. Запуск через VT1.

Для того, чтобы открыть транзистор VT1 необходимо на его базу относительно эмиттера подать импульс положительной полярности. На рисунке представлена схема ждущего мультивибратора с запуском положительным напряжением от источника питания. Как пример, используется обыкновенная кнопка. Резистор R5 используется для того, чтобы ограничить ток, прикладываемый к базово-эмиттерному переходу транзистора. В момент запуска (пока транзистор VT2 открыт) резистор R5 совместно с резистором R3 образуют делитель напряжения.

ри кратковременном нажатии кнопки, на базово-эмиттерный переход VT1 подается отпирающее напряжение и транзистор открывается. При этом, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. В результате VT2 закроется (начало выходного импульса), а ток, который ранее проходил через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2, побежит по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > - источника питания». Этот ток удерживает транзистор VT1 в открытом состоянии. Одновременно происходит перезаряд конденсатора С1 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > -источника питания».

Когда конденсатор С1 перезарядится, его сопротивление увеличится, и ток, который ранее бежал через малое сопротивление конденсатора и открытый переход коллектор-эмиттер VT1, побежит на базу транзистора VT2, заставляя его открыться (конец выходного импульса). В результате ток, ранее идущий с резистора R4, через резистор R3 на базу транзистора VT1, пойдёт через открытый переход коллектор-эмиттер VT2 на минус источника питания. Падение потенциала базы транзистора VT1 вызовет его закрывание.

До прихода нового импульса запуска, происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > конденсатор С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > - источника питания». После этого ждущий мультивибратор переходит в режим «ожидания» нового импульса запуска.
Длительность выходного импульса положительной полярности, снимаемого с коллектора транзистора VT2 определяется временем перезаряда конденсатора С1, которое зависит от его ёмкости и от номинала резистора R2. При этом длительность указанного выходного импульса никак не зависит от длительности импульса запуска. Другими словами, сколько бы вы не держали кнопку SA1 нажатой, выходной импульс начнётся с момента нажатия кнопки, а закончится по окончании перезаряда конденсатора. Нажатая кнопка SA1 будет удерживать транзистор VT1 в открытом состоянии, но на VT2 это никак не повлияет.

Немного иначе выглядит выходной импульс на коллекторе транзистора VT1. Во первых, он представляет собой импульс «низкого уровня», или «нуля» - что это такое, можете почитать в моей статье «Введение в информатику. Алгоритмы». Во вторых, как и на коллекторе VT2 он начинается с прихода импульса запуска (нажатия кнопки SA1), а вот заканчивается по окончании перезаряда конденсатора, но не ранее того момента, когда импульс запуска закончится (кнопка SA1 будет отпущена). Это вы можете увидеть на временных графиках (эпюрах). Приводятся два импульса запуска, различные по длительности: длительность первого импульса запуска меньше длительности перезаряда С1, а второго – больше. Для того, чтобы исключить влияние длительности импульса запуска на выходную характеристику коллектора VT1, на входе применяют дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора и резистора, «укорачивающей» импульс запуска ждущего мультивибратора. О ней вы можете прочитать в статье «Конденсатор».

Вариант 2. Запуск через VT2.

Для того, чтобы транзистор VT2 закрыть, достаточно его базу соединить с эмиттером (с минусом источника питания). Для примера, опять будем использовать кнопку. При такой схеме управления добавочный резистор не нужен. Но необходим диод VD1, исключающий влияние на перезарядные процессы.
При нажатии на кнопку SA1 транзистор VT2 закрывается (начало выходного импульса). В результате этого, потенциал на коллекторе транзистора VT2, а следовательно и на базе транзистора VT1 повышается. VT1 открывается, и происходит перезаряд конденсатора С1, от значения, равного напряжению источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности. Перезаряд происходит по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > -источника питания». До полного разряда, конденсатор С1 является источником питания, запирающим транзистор VT2 обратным напряжением, приложенным к переходу эмиттер-база транзистора VT2 через открытый переход коллектор-эмиттер транзистора VT1.

Когда конденсатор С1 перезарядится, его сопротивление увеличится, и ток, который ранее протекал через малое сопротивление конденсатора и открытый переход коллектор-эмиттер VT1, побежит на базу транзистора VT2, заставляя его открыться (конец выходного импульса). В результате ток, ранее идущий с резистора R4, через резистор R3 на базу транзистора VT1, пойдёт через открытый переход коллектор-эмиттер VT2 на минус источника питания. Падение потенциала базы транзистора VT1 вызовет его закрытие. Но окончания выходного импульса не произойдёт, если после нажатия кнопки SA1, удерживать её нажатой. Это связано с тем, что при удержании кнопки, в случае завершения перезаряда, ток будет проходить не через базово-эмиттерный переход транзистора VT2, а через шунтирующую его цепочку – диод VD1 и кнопочный выключатель SA1.

Если в первом варианте (запуска через базу транзистора VT1) длительность выходных импульсов на коллекторах транзисторов зависит от длительности нажатия кнопки (подачи импульса запуска) только на коллекторе транзистора VT1, то в этом - втором варианте, длительность подачи импульса запуска влияет на выходные сигналы обоих коллекторов. Другими словами, выходной импульс начнётся с момента нажатия кнопки, а закончится по окончании перезаряда конденсатора только в том случае, если кнопка будет выключена. Нажатая кнопка SA1 будет удерживать оба транзистора - VT1 в открытом состоянии, а VT2 в закрытом состоянии. Для исключения такого состояния, возможно применение дифференцирующей цепочки, состоящей из конденсатора и резистора, «укорачивающей» импульс запуска ждущего мультивибратора. Особенностью второго варианта запуска ждущего мультивибратора является то, что в качестве диода используется не обычный выпрямительный, или импульсный диод, а диод Шоттки. Это связано с тем, что для надёжного запирания транзистора VT2 необходим диод с малым падением напряжения на его p-n переходе.

В рассмотренных вариантах запуска ждущего мультивибратора используется простейший элемент - кнопка, но вместо кнопки может выступать любой коммутирующий элемент – контакты реле, транзистор, и т.п. Кроме того, входные импульсы могут формироваться любым другим электронным устройством, формирующим импульс.

Способы подключения нагрузки к ждущему мультивибратору

Прямоугольные импульсы могут сниматься с двух точек ждущего мультивибратора – коллекторов транзисторов. Нагрузка ждущего мультивибратора должна подключаться параллельно одному из коллекторных резисторов, но ни в коем случае не параллельно переходу коллектор-эмиттер транзистора VT1. Нельзя шунтировать транзистор, отвечающий за перезарядные процессы нагрузкой. Если это условие не выполнять, то ждущий мультивибратор работать не будет. А вот параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора VT2 нагрузку подключать можно. На рисунке ниже показано, как подключить нагрузку правильно, а как не надо это делать. При этом, не важно, к какому из выходов вы подключаете нагрузку, лишь бы выполнялось условие того, что вам необходимо сделать по импульсу запуска – включать, или выключать нагрузку.

Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам ждущий мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.
На примере показано подключение лампы накаливания к ждущему мультивибратору. Добавочный резистор повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору ждущего мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора ждущего мультивибратора.

Подобно симметричному мультивибратору, если вы хотите подключить к ждущему мультивибратору обычные светодиоды, то для этого буферные каскады не требуются. Их можно подключить последовательно с коллекторными резисторами. Связано это с тем, что ток светодиода мал, и падение напряжения на нём во время работы не более одного вольта. Поэтому они не оказывают никакого влияния на работу ждущего мультивибратора. Правда это не относится к сверхярким светодиодам, у которых и рабочий ток выше, и падение напряжения может быть от 3,5 до 10 вольт. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора. Для того, чтобы светодиод на определённое время загорался по команде, его необходимо включить в коллекторную цепь транзистора VT2. Для того, чтобы светодиод на определённое время выключался по команде, его подключают в коллекторную цепь транзистора VT1. При этом номиналы коллекторных резисторов подбираются для обеспечения номинального тока светодиодов. Схема подключения сразу двух светодиодов показана на рисунке.

Обратите внимание, что оксидный (электролитический) конденсатор подключается плюсом к коллектору транзистора VT1, а не минусом. Связано это с тем, что на базе биполярного транзистора напряжение не поднимается выше 0,7 вольта относительно эмиттера, а в нашем случае эмиттер – это минус питания. А вот на коллекторе транзистора напряжение изменяется почти от нуля, до напряжения источника питания. Оксидный конденсатор не способен выполнять свою функцию при его подключении обратной полярностью. Естественно, если вы будете применять транзисторы другой структуры (не N-P-N, a P-N-P структуры), то кроме изменения полярности источника питания, необходимо развернуть светодиоды катодами «вверх по схеме», а конденсатор – плюсом к базе транзистора VT2.

Мультивибраторы на микросхемах

Мультивибратор на 555.

Мультивибратор можно сделать на микросхеме NE555 (или LM555 (LM, NE - это обозначения производителей, помимо LM и NE могут быть и другие)). Есть также микросхемы КР1006ВИ1 и КР1087ВИ2 которые являются аналогами 555. Эти микросхемы, в отличии от мультивибратора на транзисторах, делают импульсы близкие к прямоугольным.

Рисунок 1 - Мультивибратор на 555

Микросхема выдаёт на выводе 3 напряжение (относительно земли) близкое к напряжению питания в течении длительности импульса, после чего выдаёт напряжение (относительно земли) близкое к нулю в течении длительности паузы, дальше это повторяется до тех пор пока не будет отключено питание.

Основные характеристики мультивибратора

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) Um (Im) - наибольшее значение напряжения (тока) импульса данной формы.

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

3. Длительность фронта tФ , определяется временем нарастания импульса от 0 до Um. В инженерной практике для импульсов скругленной формы под tФ понимают время нарастания импульса от 0,1 Um до 0,9 Um.

4. Длительность среза tС , определяется временем спада импульса (в пределах 0,9...0,1 Um). Чем меньше величины tФи tС 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 tП - интервал времени между импульсами: tП=Т- tИ

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

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

10. Крутизна фронта Sф или среза SС, - отношение амплитуды импульса к длительности фронта или среза: SФ = Um / tФ, SС = Um / tС , (В/с). Характеризует скорость нарастания или спада импульса.

Контрольные вопросы

1 Дайте определение мультивибратора

2 Классификация мультивибраторов.

3 Основные параметры мультивибратора

Вопрос не оценивается:

Работа одновибратора