РАДІОсигнал:

МУЛЬТИВІБРАТОР-1
Просто теорія чи теорія по-простому

«МУЛЬТІВІ» - багато, «ВІБРАТО» - вібрація, коливання, отже, «МУЛЬТИВІБРАТОР» - це пристрій, який створює (генерує) багато коливань.
Розберемося спочатку в тому, як він створює коливання, або як у ньому виникають коливання, а потім з'ясуємо, чому їх багато.

2. ЯК СТВОРИТИ МУЛЬТИВІБРАТОР?
Крок №1.Візьмемо найпростіший підсилювач НЧ (див. мою статтю «Транзистор», п.4 на сторінці «Радіокомпоненти»):

(Тут не описую його принцип дії).
Крок №2.Об'єднаємо два ідентичні підсилювачі так, щоб вийшов двокаскадний УНЧ:

Крок №3.З'єднаємо вихід цього підсилювача з його входом:

Виникне так звана позитивна Зворотній зв'язок(ПОС). Ви, напевно, чули свист, який видавали звукові колонки, якщо людина з мікрофоном ставала надто близько до них. Те саме відбувається з музичним центром у режимі «караоке», якщо піднести мікрофон до колонок. У будь-якому такому випадку сигнал з виходу підсилювача надходить на його вхід, підсилювач входить в режим самозбудження і перетворюється на автогенератор, виникає звук. Іноді підсилювач може самозбуджуватись навіть на ультразвукових частотах. Коротше – при виготовленні підсилювачів ПІС шкідлива і з нею всіляко доводиться боротися, але це вже дещо інша історія.
Повернемося до нашого підсилювача, охопленого ПІБ, тобто. МУЛЬТИВІБРАТОРУ! Так, то це вже він! Щоправда, зображати саме мультивібраторприйнято так, як на рис. праворуч. До речі, в мережі є достатня кількість «збоченців», які малюють цю схему і перевернутою, і на лежачій стороні. Навіщо це? Напевно, як в анекдоті, «щоб відрізнятися». Або в ыділитися, або (є таке російське слово!) ыпендритися.

Мультивібратор можна зібрати на транзисторах n-p-n або p-n-p:

Оцінити роботу мультивібратора можна на слух або візуально. У першому випадку навантаженням має бути звуковий випромінювач, у другому – лампочка або світлодіод:

У разі застосування низькоомних динаміків, знадобиться вихідний трансформатор або додатковий підсилювальний каскад:

Навантаження може бути включене в обидва плечі мультивібратора:

У разі застосування світлодіодів бажано включити додаткові резистори, роль яких виконують, в даному випадку, R1 і R4.

3. ЯК ПРАЦЮЄ МУЛЬТИВІБРАТОР?

У момент включення живлення транзистори обох плечей мультивібратора відкриваються, так як на їх бази через відповідні їм резистори R2 і R3 подаються позитивні (негативні - тут і далі в дужках p-n-p транзисторів) напруги усунення. Одночасно починають заряджатися конденсатори зв'язку: С1 через емітерний перехід транзистора VТ2 і резистор R1; С2 через емітерний перехід транзистора V1 і резистор R4. Ці ланцюги зарядки конденсаторів, будучи дільниками напруги джерела живлення, створюють на базах транзисторів (щодо емітерів) позитивні (негативні) напруги, що все зростають за значенням, прагнуть все більше відкрити транзистори. Відкриття транзистора викликає зниження позитивного (негативного) напруги з його колекторі, що викликає зниження позитивного (негативного) напруги з урахуванням іншого транзистора, закриваючи його. Такий процес протікає відразу в обох транзисторах, проте закривається лише один з них, на базі якого більш висока негативна (позитивна) напруга, наприклад, через різницю коефіцієнтів передачі струмів h21е (див. мою статтю «Транзистор», п.4 на сторінці "Радіокомпоненти"), номіналів резисторів і конденсаторів, оскільки, навіть при підборі ідентичних пар, параметри елементів все одно будуть дещо відрізнятися. Другий транзистор залишається відкритим. Але ці стани транзисторів нестійкі, бо електричні процеси у ланцюгах тривають. Припустимо, що через деякий час після включення живлення закритим виявився транзистор V2, а відкритим транзистор V1. З цього моменту конденсатор С1 починає розряджатися через відкритий транзистор V1, опір ділянки емітер-колектор якого в цей час замало, і резистор R2. Принаймні розрядки конденсатора С1 негативне (позитивне) напруга з урахуванням закритого транзистора V2 зменшується. Як тільки конденсатор повністю розрядиться і напруга на базі транзистора V2 стане близьким нулю, в колекторному ланцюзі цього, тепер вже відкривається транзистора з'являється струм, який впливає через конденсатор С2 на базу транзистора V1 і знижує позитивну (негативну) напругу на ній. В результаті струм, поточний через транзистор V1 починає зменшуватися, а через транзистор V2, навпаки, збільшуватися. Це призводить до того, що транзистор V1 закривається, а транзистор V2 відкривається. Тепер почне розряджатися конденсатор С2, але через відкритий транзистор V2 і резистор R3, що зрештою призводить до відкривання першого та закривання другого транзисторів і т.д. Транзистори постійно взаємодіють, у результаті мультивибратор генерує електричні коливання.
Роботу мультивібратора ілюструють графіки залежностей напруг Uбе та Uк одного та другого транзисторів:

Як видно, мультивібратор генерує практично «прямокутні» коливання. Деяке порушення прямокутної форми пов'язані з перехідними процесами у моменти відмикання транзисторів. Звідси видно, що сигнал можна «знімати» з будь-якого транзистора. Просто найбільше прийнято зображати саме так, як це показано вище.
Насправді можна вважати форму коливань мультивібратора «чисто прямокутної»:

З одного боку, здається, що форма мультивібратора сигналу досить проста. Але це зовсім так. Точніше, зовсім не так. Найбільш проста формасигналу – це синусоїда:

Якщо генератор створює ідеальнийсинусоїдальний сигнал, то йому відповідає суворо однапевна частота коливань. Чим більше форма сигналу відрізняється від синусоїди, тим більше в спектрі сигналу є частот, кратних основний. А форма сигналу мультивібратора досить далека від синусоїди. Отже, якщо, наприклад, частота його коливань становить 1000 Гц, то спектрі будуть присутні частоти і 2000 Гц, і 3000 Гц, і 4000 Гц… тощо. правда амплітуди цих гармонікбудуть значно меншими за основний сигнал. Але ж вони будуть! Ось чому цей генератор називається МУЛЬТІвібратор.
Частота коливань мультивібратора залежить від ємності конденсаторів зв'язку, і від опору базових резисторів. Якщо у мультивібраторі дотримуються умови: R1=R4, R2=R3, R1 симетричним. Як видно, конденсатори зв'язку можуть бути електролітичними і при n- p- nТранзистори плюси конденсаторів підключаються до колекторів. Якщо застосувати p- n- pтранзистори, треба змінити полярність джерела живлення та полярність електролітичних конденсаторів.
Приблизну частоту коливань симетричного мультивібратора можна підрахувати за спрощеною формулою:
, де f - частота Гц, R - опір базового резистора в ком, С - ємність конденсатора зв'язку в мкФ.

4. ЗМІНА ЧАСТОТИ і не тільки
Як було зазначено вище, частота імпульсів, що генеруються мультивібратором, визначається величинами розділових конденсаторів та базових резисторів. З наведеної формули видно, що збільшення ємності конденсаторів і збільшення опору базових резисторів веде до зменшення частоти мультивібратора і, відповідно, навпаки. Звичайно, впаювати конденсатори різної ємності або резистори різного опору можна, але лише на стадії експериментів. Оперативно частоту змінюють змінним резистором R5 у базових ланцюгах:

Форма графіка коливань мультивібратора називається "меандр":

Час від початку одного імпульсу до початку іншого – період Т – складається з:
tі – тривалості імпульсу та tп – тривалості паузи.
Відношення S=Т/tі - називається шпаруватістю. Для симетричного мультивібратора S = 2.
Розмір, зворотна шпаруватості називається коефіцієнтом заповнення D=1/S. Для симетричного мультивібратора D = 0,5.
Мультивібратор, схема якого показана нижче, виробляє прямокутні імпульси. Частоту їх повторення можна змінювати у межах, у своїй шпаруватість імпульсів залишається незмінною.

Робота мультивібратора відрізняється тим, що в моменти часу коли транзистор VТ1 закритий, конденсатор С2 розряджається через ланцюжок, що складається з діода VD3 і резистора R4, а також через резистор R3. Аналогічно, коли закритий транзистор VТ2, конденсатор С1 розряджається через діод VD2 та резистори R4 та R5.
Частоту повторення імпульсів можна регулювати у великих межах, змінюючи лише опір резистора R4.
Мультивібратор із даними деталей, показаними на схемі, генерує імпульси із частотою повторення від 140 до 1400 Гц.
У мультивібраторі можна застосувати діоди Д2В-Д2І, Д9В-Д9Л і будь-які малопотужні транзистори зі структурою n-р-n або р-n-р. При використанні транзисторів зі структурою р-n-р полярність включення всіх діодів та джерела живлення необхідно змінити на зворотну.
Якщо трохи змінити включення резистора R7, то вирує мультивібратор зі змінною шпаруватістюімпульсів:

Залежно від положення двигуна резистора R7, цей мультивібратор стає несиметричним, і графік його коливань може бути, наприклад, таким:

У одному й іншому випадках змінюється співвідношення Т/tі – змінюється шпаруватість.
Зрозуміло, сподіваюся, також і те, що грубо змінювати шпару можна, встановивши конденсатори різної ємності.

5. НЕСИМЕТРИЧНИЙ МУЛЬТИВІБРАТОР на транзисторах різної провідності:

Несиметричний мультивібратор складається з підсилювального каскаду двох транзисторах, вихід якого (колектор транзистора VT2) з'єднаний з входом (база транзистора VT1) через конденсатор C1. Навантаженням є резистор R2, з якого знімається сигнал (замість нього може бути включений світлодіод, лампочка розжарювання або динамік). Транзистор VT1 прямої провідності (p-n-p типу) відкривається при подачі на базу негативного щодо емітера потенціалу. Транзистор VT2 зворотної провідності (n-p-n типу) відкривається при подачі на базу позитивного щодо емітера потенціалу.

При включенні конденсатор C1 заряджається через резистори R2 і R1 потенціал бази зменшується. Коли з урахуванням VT1 виникає негативний потенціал, транзистор VT1 відкривається, опір колектор-эмиттер падає. База транзистора VT2 виявляється з'єднаною з позитивним полюсом джерела, транзистор VT2 також відкривається, струм колектора зростає. В результаті через R2 тече струм, конденсатор C1 розряджається через резистор R1 та транзистор VT2. Потенціал бази VT1 збільшується, транзистор VT1 закривається, викликаючи закривання транзистора VT2. Після цього конденсатор C1 знову заряджається, потім розряджається і т.д. Частота генерованих імпульсів обернено пропорційна часу заряду конденсатора T ~ R1×C. Зі зростанням напруги живлення конденсатор заряджається швидше, частота імпульсів, що генеруються, зростає. У разі збільшення опору резистора R1 або ємності конденсатора С1 частота коливань зменшується.
Реально частоту змінюють, наприклад, так:

Приклади із сайту http://lessonradio.narod.ru/Diagram.htm

6. ЧЕКАЮЧИЙ МУЛЬТИВІБРАТОР
Такий мультивібратор генерує імпульси струму (або напруги) при подачі на його вхід сигналів, що запускають, від іншого джерела, наприклад від автоколивального мультивібратора.Щоб автоколивальний мультивібратор перетворити на мультивібратор, що чекає (див. схему з п. 3), треба зробити наступне: конденсатор С2 видалити, а замість нього між колектором транзистора VT2 і базою транзистора VT1 включити резистор R3; між базою транзистора VT1 і заземленим провідником включити послідовно з'єднані елемент на 1,5 і резистор опором R5, але так, щоб з базою з'єднувався (через R5) позитивний полюс елемента; до базового ланцюга транзистора VТ1 підключити конденсатор С2, другий висновок якого виконуватиме роль контакту вхідного керуючого сигналу. Початковий стан транзистора VТ1 такого мультивібратора - закритий, транзистора VТ2 - відкритий. Напруга на колекторі закритого транзистора має бути близьким до напруги джерела живлення, а на колекторі відкритого транзистора - не перевищувати 0,2 - 0,3 В. Міліамперметр (на струм 10-15 мА) включити в колекторний ланцюг транзистора V1 і, спостерігаючи за його стрілкою, увімкнути між контактом УПР сигналта заземленим провідником, буквально на мить, один-два елементи ААА, з'єднані послідовно (на схемі GB1). УВАГА: негативний полюс цього зовнішнього електричного сигналу повинен підключатися до контакту УПР сигнал. При цьому стрілка міліамперметра повинна відразу відхилитися до значення найбільшого струму колекторного ланцюга транзистора, застигнути на деякий час, а потім повернутися у вихідне положення, щоб очікувати наступного сигналу. Якщо повторити цей досвід кілька разів, то міліамперметр при кожному сигналі буде показувати миттєво зростаючий до 8 - 10 мА і через деякий час, так само миттєво спадає майже до нуля колекторний струм транзистора VТ1. Це поодинокі імпульси струму, що генеруються мультивібратором. Навіть якщо батарею GB1 довше тримати підключеною до затискача УПР сигнал, станеться те саме - на виході мультивібратора з'явиться лише один імпульс.

Якщо торкнутися виведення бази транзистора VТ1 будь-яким металевим предметом, взятим в руку, то, можливо, і в цьому випадку мультивібратор, що чекає, спрацює - від електростатичного заряду тіла. Можна включити міліамперметр у колекторний ланцюг транзистора VТ2. При подачі сигналу, що управляє, колекторний струм цього транзистора повинен різко зменшитися майже до нуля, а потім так само різко збільшитися до значення струму відкритого транзистора. Це теж імпульс струму, але негативноюполярності.
Який принцип дії мультивібратора, що чекає? У такому мультивібраторі зв'язок між колектором транзистора VТ2 і базою транзистора VТ1 не ємнісний, як в автоколивальних, а резистивний - через резистор R3. На базу транзистора VТ2 через резистор R2 подається негативне напруга зсуву, що відкриває його. Транзистор VT1 надійно закритий позитивною напругою елемента G1 на його базі. Такий стан транзисторів дуже стійкий. У такому стані VT1 може бути скільки завгодно часу. При появі з урахуванням транзистора VТ1 імпульсу напруги негативної полярності транзистори перетворюються на режим нестійкого стану. Під дією вхідного сигналу транзистор VТ1 відкривається, а напруга, що при цьому змінюється, на його колекторі через конденсатор С1 закриває транзистор VТ2. У такому стані транзистори знаходяться доти, доки не розрядиться конденсатор С1 (через резистор R2 і відкритий транзистор VТ1, опір якого в цей час мало). Як тільки конденсатор розрядиться, транзистор VТ2 відразу відкриється, а транзистор VТ1 закриється. З цього моменту мультивібратор знову виявляється у вихідному, стійкому режимі очікування. Таким чином, чекаючий мультивібратор має одне стійкеі одне нестійкестан. Під час нестійкого стану він генерує один прямокутний імпульс струму (напруги), тривалість якого залежить від ємності конденсатора С1. Чим більша ємність цього конденсатора, тим більша тривалість імпульсу. Так, наприклад, при ємності конденсатора 50 мкФ мультивібратор генерує імпульс струму тривалістю близько 1,5 с, а з конденсатором ємністю 150 мкФ - втричі більше. Через додаткові конденсатори - позитивні імпульси напруги можна знімати з виходу 1, а негативні з виходу 2. Чи імпульсом негативної напруги, поданим на базу транзистора VТ1, можна вивести мультивібратор з режиму очікування? Ні не тільки. Це можна зробити і подачею імпульсу напруги позитивної полярності, але на основу транзистора VТ2.
Як практично можна використовувати мультивібратор, що чекає? По різному. Наприклад, перетворення синусоїдальної напруги в імпульси напруги (або струму) прямокутної форми такої ж частоти, або включення на якийсь час іншого приладу шляхом подачі на вхід чекає мультивібратора короткочасного електричного сигналу.

Приклад застосування мультивібратора – індикатор максимального числа обертів.
При обкатуванні нового автомобіля число оборотів двигуна не повинно перевищувати протягом певного часу максимально допустимого значення, рекомендованого заводом-виробником.
Для контролю числа оборотів двигуна, можна скористатися пристроєм, зібраним за схемою, що наводиться тут. Як індикатор максимальної кількості обертів двигуна використана лампа розжарювання.

Основними частинами тахометра є мультивібратор, що чекає, на транзисторах Т1 і Т2 і тригер Шмітта на транзисторах T5 і Т6. Вхідний сигнал, що надходить з переривника, подається на ланцюжок, що диференціює R4C1 (це необхідно для отримання імпульсів однакової тривалості). Подальше формування сигналу виконує мультивібратор. Діод Д1 не пропускає негативні напівхвилі вхідного сигналу з урахуванням транзистора Т2. Імпульси, що генеруються мультивібратором, через емітерний повторювач, виконаний на транзисторі Т3, і інтегруючий ланцюжок R7C3 надходять на тригер Шмітта. Індикаторна лампа Л1, включена в емітерний ланцюг транзистора T6, спалахує тільки тоді, коли число обертів двигуна стане більше заздалегідь встановленого (за допомогою змінного резистора R8).
Калібрування готового приладу можна зробити за зразковим тахометром або звуковим генератором. Так, наприклад, для чотиритактного чотирициліндрового двигуна 1500 об/хв відповідає частота звукового генератора 60 Гц, 3000 об/хв - 100 Гц, 6000 об/хв - 200 Гц і так далі.
При використанні деталей з даними, вказаними на схемі, тахометр дозволяє реєструвати від 500 до 10000 об/хв. Споживаний струм - 20 мА.
Транзистори ВС107 можна замінити на КТ315 із будь-яким буквеним індексом. Як діод Д1 можна використовувати будь-який кремнієвий діод. Застосування германієвих транзисторів та діодів не рекомендується через важкий температурний режим.

7. МУЛЬТИВІБРАТОРИ БАГАТОФАЗНІ
виходять шляхом додавання підсилювальних каскадів та ПІС.
Трифазний мультивібратор:

Приклад із сайту http://www.votshema.ru/324-simmetrichnyy-multivibrator.html

Чотирьохфазний мультивібратор вимагає особливих заходів для забезпечення стабільності роботи:

Приклад із сайту http://www.moyashkola.net/krugok/r_begog.htm

8. МУЛЬТИВІБРАТОРИ НА ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ
Мультивібратор може бути виконаний на логічних елементах, наприклад, І-НЕ. Схема можливого варіанту, наприклад, така:

Функцію активних елементів тут виконують логічні елементи 2І-НЕ (див. мою статтю «МІКРОСХЕМА» на стор. «РАДІОкомпоненти»), включені інверторами. Завдяки ПІС між виходом DD1.2 та входом DD1.1, а також виходом DD1.1 та входом DD1.2, створюваним конденсаторами С1 та С2, пристрій збуджується та генерує електричні імпульси. Частота проходження імпульсів залежить від номіналів конденсаторів та резисторів R1 та R2. Зменшивши ємності конденсаторів до 1...5 мкФ отримаємо звукову частоту 500...1000 Гц. Головний телефон слід підключити до одного з виходів мультивібратора через конденсатор ємністю 0,01...0,015 мкФ.
Іноді цей мультивібратор зображують так:

Мультивібратор може бути виконаний на трьох логічних елементах:

Усі елементи включені інверторами та з'єднані послідовно. Часовий ланцюжок утворена С1 і R1. Як індикатор можна використовувати лампочку розжарювання. Для плавної зміни частоти замість R1 слід увімкнути змінний резистор на 1,5 кОм.

Якщо ємність конденсатора буде 1 мкФ, то частота коливань стане звуковою.
Як працює такий мультивібратор? Після включення якийсь із логічних елементів першим прийме один із можливих станів і тим самим вплине на стан інших елементів. Нехай це буде елемент DD1.2, який опинився у поодинокому стані. Через елементи DD1.1 та DD1.2 миттєво заряджається конденсатор, і елемент DD1.1 виявляється у нульовому стані. У такому ж стані виявляється елемент DD1.3, оскільки на його вході логічна 1. Такий стан нестійкий, тому що на виході DD1.3 логічний 0 і конденсатор починає розряджатися через резистор і вихідний каскад елемента DD1.3. У міру розрядки позитивне напруження на вході елемента DD1.1 зменшується. Як воно стане рівним пороговому, цей елемент переключиться в одиничний стан, а елемент DD1.2 – в нульовий. Конденсатор почне заряджатися через елемент DD1.3 (на його виході тепер логічний рівень 1), резистор і елемент DD1.2. Незабаром напруга на вході першого елемента перевищить граничне, і всі елементи перемикаються в протилежні стани. Так формуються електричні імпульси на виході мультивібратора – інверсному виході елемента DD1.3.
«Трьохелементний» мультивібратор можна спростити, видаливши з нього DD1.3:

Працює він аналогічно до попереднього. Саме такий мультивібратор найчастіше застосовується у різних радіоелектронних пристроях.

На логічних елементах можна зробити і мультивібратор, що чекає. Як і попередній він побудований на 2-х логічних елементах.

Перший DD1.1 використовується за своїм прямим призначенням – як елемент 2І-НЕ. Кнопка SB1 виконує функцію датчика сигналів, що запускають. Для індикації імпульсів використовується, наприклад, світлодіод. Тривалість імпульсів можна збільшувати, збільшуючи ємність С1 та опір R1. Замість R1 можна включити змінний (підстроювальний) резистор опором близько 2 ком (але не більше 2,2 ком) для зміни тривалості імпульсів в деяких межах. Але за опору менше 100 Ом мультивібратор перестане працювати.
Принцип дії. У початковий момент нижній виведення елемента DD1.1 ні з чим не з'єднаний - на ньому рівень логічного 1. А для елемента 2І-НЕ цього достатньо, щоб він опинився в нульовому стані. На вході DD1.2 також рівень логічного 0, оскільки падіння напруги на резисторі, створюване вхідним струмом елемента, утримує транзистор вхідний елемента в закритому стані. Напруга логічної 1 на виході цього елемента підтримує перший елемент нульовому стані. При натисканні кнопки на вхід першого елемента подається імпульс, що запускає негативної полярності, який перемикає елемент DD1.1 в одиничний стан. Виникає в цей момент стрибок позитивної напруги на його виході передається через конденсатор на входи другого елемента і перемикає його з одиничного стану в нульовий. Такий стан елементів залишається і після закінчення дії імпульсу, що запускає. З моменту появи позитивного імпульсу на виході першого елемента починає заряджатися конденсатор через вихідний каскад цього елемента і резистор. У міру заряджання напруга на резисторі падає. Як тільки воно досягне порогового, другий елемент переключиться на одиничний стан, а перший – у нульовий. Конденсатор швидко розрядиться через вихідний каскад першого елемента і водний каскад другого, і пристрій опиниться в режимі очікування.
Слід мати на увазі, що для нормальної роботи мультивібратора тривалість імпульсу, що запускає, повинна бути менше тривалості формованого.

P.S. Тема "МУЛЬТИВІБРАТОР" є прикладом творчого підходу до вивчення електричних коливань у курсі шкільної фізики. І не тільки. Створення простих схем, моделювання їх роботи, спостереження та вимірювання електричних величин – це вихід далеко за межі звичайної шкільної фізики та інформатики. А створення реальних пристроїв зовсім змінює уявлення молодих людей про те, що і як можна вивчати в школі (терпіти не можу слово "ВЧИТИ").

Мультивібратор (від латинського багато колив) - нелінійний пристрій, що перетворює постійну напругу живлення в енергію імпульсів майже прямокутної форми. В основі мультивібратора лежить підсилювач з позитивним зворотним зв'язком.

Розрізняють мультивібратори автоколивальні та чекаючі. Розглянемо перший тип.

На рис. 1 наведена узагальнена схема підсилювача із зворотними зв'язками.

Схема містить підсилювач з комплексним коефіцієнтом посилення до = Ке-iк, ланцюг ООС з коефіцієнтом передачі m, і ланцюг ПІС з комплексним коефіцієнтом передачі В = е-i. З теорії генераторів відомо, що для виникнення коливань на будь-якій частоті необхідно, щоб на ній виконувалася умова Вк>1. Імпульсний періодичний сигнал містить сукупність частот, що утворюють лінійний спектр (див.1 лекцію). Т.о. для генерації імпульсів необхідно виконання умови Вк>1не одній частоті, а широкої смузі частот. Причому, ніж коротший імпульс і з більш короткими фронтами сигнал потрібно отримати, більш широкої смуги частот потрібно виконання умови Вк>1. Наведена умова розпадається на два:

умова балансу амплітуд - модуль загального коефіцієнта передачі генератора повинен перевищувати 1 у широкому діапазоні частот - К>1;

умова балансу фаз - сумарний зсув фаз коливань в замкнутому контурі генератора в тому ж діапазоні частот повинен бути кратний 2 - + =2n.

Якісно процес стрибкоподібного зростання напруги відбувається в такий спосіб. Нехай деякий момент часу в результаті флюктуацій напруга на вході генератора зросла на малу величину u. В результаті виконання обох умов генерації на виході пристрою з'явиться збільшення напруги: uвых=Вкuвх >uвх, яке передається на вхід у фазі з вихідним uвх. Відповідно це збільшення призведе до подальшого зростання вихідної напруги. Відбувається лавиноподібний процес зростання напруги у широкому діапазоні частот.

Завдання побудови практичної схемигенератора імпульсів зводиться до подачі на вхід підсилювача широкосмугового частини вихідного сигналу з різницею фаз =2. Оскільки один резистивний підсилювач зсуває фазу вхідної напруги на 1800, застосовуючи два послідовно з'єднаних підсилювача, можна задовольнити умові балансу фаз. Умова балансу амплітуд буде виглядати у цьому випадку так:

Одна з можливих схем, що реалізує зазначений метод, наведено на рис.2. Це схема автоколивального мультивібратора із колекторно-базовими зв'язками. У схемі використовуються два підсилювальні каскади. Вихід одного підсилювача пов'язаний із входом другого конденсатором С1, а вихід останнього пов'язаний із входом першого – конденсатором С2.

Якісно роботу мультивібратора розглянемо з використанням тимчасових діаграм напруги (епюр), наведених на рис. 3.

Нехай у момент часу t=t1 відбувається перемикання мультивібратора. Транзистор VT1 потрапляє у режим насичення, а VT2 - у режим відсічення. З цього моменту починаються процеси перезаряджання конденсаторів С1 та С2. До моменту t1 конденсатор С2 був повністю розряджений, а С1 заряджений до напруги живлення Еп (полярність заряджених конденсаторів вказана на рис.2). Після відмикання VT1 починається його зарядка від джерела Еп через резистор Rк2 і відпертого базу транзистора VT1. Конденсатор заряджається практично до напруги живлення Еп з постійним зарядом

зар2 = С2Rк2

Оскільки С2 через відкритий VT1 підключений паралельно VT2, швидкість його зарядки визначає швидкість зміни вихідної напруги Uвых2.. Вважаючи процес зарядки закінченим коли Uвых2 = 0,9Uп, легко отримати тривалість

t2-t1 = С2Rк2ln102,3С2Rк2

Одночасно заряджання С2 (починаючи з моменту t1) відбувається перезаряджання конденсатора С1. Його негативна напруга, прикладена до бази VT2, підтримує замкнений стан цього транзистора. Конденсатор С1 перезаряджається ланцюгом: Еп, резистор Rб2, С1, Е-К відкритоготранзистор VT1. корпус із постійної часу

разр1 = С1Rб2

Так як Rб >> Rк, то і зар<<разр. Следовательно, С2 успевает зарядиться до Еп пока VT2 еще закрыт. Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент времени t5, когда UC1=0 и начинает открываться VT2 (для простоты считаем, что VT2 открывается при Uбє=0). Можно показать, что длительность перезаряда С1 равна:

t3-t1 = 0,7C1Rб2

У момент часу t3 з'являється колекторний струм VT2, падає напруга Uке2, що призводить до закривання VT1 і, відповідно, зростання Uке1. Це збільшення напруга через С1 передається до бази VT2, що тягне додаткове відкриття VT2. Транзистори переходять у активний режим, виникає лавиноподібний процес, у результаті якого мультивібратор перетворюється на інший квазистаціонарний стан: VT1 закритий, VT2 - відкритий. Тривалість перекидання мультивібратора набагато менша від усіх інших перехідних процесів і її можна вважати рівним нулю.

З моменту t3 процеси в мультивібраторі підуть аналогічно до описаного, слід лише поміняти місцями індекси у елементів схеми.

Таким чином, тривалість фронту імпульсу визначається процесами заряду конденсатора зв'язку та чисельно дорівнює:

Тривалість знаходження мультивібратора в квазістійкому стані (тривалість імпульсу та паузи) визначається процесом розряду конденсатора зв'язку через базовий резистор і чисельно дорівнює:

При симетричній схемі мультивібратора (Rк1 = Rк2 = Rк, Rб1 = Rб2 = Rб, С1 = С2 = С) тривалість імпульсу дорівнює тривалості паузи, і період проходження імпульсів дорівнює:

Т = і + п = 1,4 CRб

Порівнюючи тривалості імпульсу та фронту необхідно врахувати, що Rб/Rк=h21е/s (h21е для сучасних транзисторів 100 а s2). Отже, тривалість фронту завжди менша за тривалість імпульсу.

Частота вихідної напруги симетричного мультивібратора не залежить від напруги живлення та визначається лише параметрами схеми:

Для зміни тривалості імпульсів і періоду їхнього слідування потрібно варіювати величини Rб і С. Але можливості тут невеликі: межі зміни Rб обмежені з більшої сторони необхідністю збереження відкритого транзистора, з меншого боку - неглибокого насичення. Змінювати плавно величину важко навіть у малих межах.

Щоб знайти вихід із скрути звернемося до періоду часу t3-t1 на рис. 2. З малюнка видно, що зазначений інтервал часу, отже, і тривалість імпульсу можна регулювати змінюючи нахил прямої розряду конденсатора. Цього можна досягти, включаючи базові резистори не до джерела живлення, а до додаткового джерела напруги Есм (див. рис. 4). Тоді конденсатор прагне перезарядитися не Еп, а Есм і крутість експоненти буде змінюватися зі зміною Есм.

Імпульси, що генеруються розглянутими схемами, мають більшу тривалість фронту. У ряді випадків ця величина стає неприйнятною. Для укорочування ф в схему вводять конденсатори, що відсікають, як показано на рис.5. Конденсатор С2 заряджається у цій схемі через Rз, а через Rд. Діод VD2, залишаючись закритим, "відсікає" напругу на С2 від виходу і напруга на колекторі зростає практично одночасно із закриттям транзистора.

У мультивібраторах як активний елемент можна використовувати операційний підсилювач. Автоколивальний мультивібратор на ОУ зображено на рис. 6.

ОУ охоплено двома ланцюгами ОС: позитивною

та негативною

Хс/(Хс+R) = 1/(1+wRC).

Нехай генератор був увімкнений в момент t0. На вході, що інвертує, напруга дорівнює нулю, на неінвертуючому - рівноймовірно позитивне або негативне. Для певності візьмемо позитивне. За рахунок ПІС на виході встановиться максимально можлива напруга - Uвих m. Час встановлення цієї вихідної напруги визначається частотними властивостями ОУ і можна покласти його рівним нулю. Починаючи з моменту t0 конденсатор буде заряджатися з постійної часу =RC. До часу t1 Uд = U+ - U- >0, і виході ОУ утримується позитивне Uвыхm. При t=t1 , коли Uд = U+ - U- = 0 вихідна напруга підсилювача змінить свою полярність - Uвих m. Після моменту t1 ємність З перезаряджається, прагнучи рівня - Uвых m. До моменту t2 Uд = U + - U-< 0, что обеспечивает квазиравновесное состояние системы, но уже с отрицательным выходным напряжением. Т.о. изменение знака Uвых происходит в моменты уравнивания входных напряжений на двух входах ОУ. Длительность квазиравновесного состояния системы определяется постоянной времени =RC, и период следования импульсов будет равен:

Т=2RCln(1+2R2/R1).

Мультивібратор наведений на рис.6 називається симетричним, т.к. часи позитивного та негативного вихідних напруг рівні.

Для отримання несиметричного мультивібратора слід резистор ООС замінити на схему, як показано на рис. 7. Різна тривалість позитивного та негативного імпульсів забезпечена різними постійними часами перезаряду ємностей:

R"C, - = R"C.

Мультивібратор на ОУ легко перетворити на одновібратор або мультивібратор, що чекає. По-перше, в ланцюзі ООС паралельно З приєднаємо діод VD1, як показано на рис.8. Завдяки діод схема має один стійкий стан, коли напруга на виході негативно. Справді, т.к. Uвих = - Uвих m, то діод відкритий і напруга на вході, що інвертує, приблизно дорівнює нулю. У той час як напруга на неінвертуючому вході дорівнює

U+ =- Uвих m R2/(R1+R2)

та зберігається стійкий стан схеми. Для генерації одного імпульсу до схеми слід додати ланцюг запуску, що складається з діода VD2, С1 і R3. Діод VD2 підтримується в закритому стані і може відкритися тільки позитивним вхідним імпульсом, що прийшов на вхід у час t0. З відкриттям діода змінюється знак і схема перетворюється на стан із позитивним напругою на виході. Uвих = Uвих m. Після цього конденсатор С1 починає заряджатися з постійним часом =RC. У момент часу t1 напруги на вході порівнюються. U- = U+ = Uвих m R2/(R1+R2) і =0. Наступного моменту диференціальний сигнал стає негативним і схема повертається у стійкий стан. Епюри наведено на рис. 9.

Застосовуються схеми мультивібраторів, що чекають на дискретних і логічних елементах.

Схема розглянутого мультивібратора аналогічна розглянутій раніше.

Мультивібратори – це ще одна форма осциляторів. Генератор є електронною схемою, яка здатна підтримувати сигнал змінного струму на виході. Він може генерувати прямокутні, лінійні чи імпульсні сигнали. Для вагання генератор повинен задовольняти двом умовам Баркгаузена:

Т коефіцієнт посилення контуру він повинен бути трохи більше одиниці.

Зсув фази циклу має бути 0 градусів або 360 градусів.

Для виконання обох умов генератор повинен мати деяку форму підсилювача і частина його виходу повинна бути регенерована на вхід. Якщо коефіцієнт посилення підсилювача менше одиниці, схема не буде коливатися, а якщо вона більша за одинку, схема буде перевантажена і даватиме спотворену форму хвилі. Простий генератор може генерувати синусоїдальну хвилю, але не може генерувати прямокутну хвилю. Прямокутна хвиля може бути сформована за допомогою мультивібратора.

Мультивібратор – це форма генератора, яка має два ступені, завдяки яким ми можемо отримати вихід із будь-якого стану. Це переважно дві схеми підсилювача, скомпоновані з регенеративною зворотним зв'язком. При цьому жоден із транзисторів не проводить одночасно. Одночасно лише один транзистор проводить, а інший перебуває у вимкненому стані. Деякі схеми мають певні стани; стан зі швидким переходом називається процесами перемикання, де відбувається швидка зміна струму та напруги. Це перемикання називається тригерним. Отже, ми можемо запустити ланцюг усередині чи зовні.

Схеми мають два стани.

Одним із них є стабільний стан, у якому ланцюг залишається назавжди без будь-якого запуску.
Інший стан є нестабільним: у цьому стані схема залишається протягом обмеженого періоду часу без будь-якого зовнішнього запуску та перемикається в інший стан. Отже, використання багатовібарторів здійснюється у двох станах ланцюгів, таких як таймери та тригери.

Нестабільний мультивібратор із використанням транзистора

Це вільно працюючий генератор, який безперервно перемикається між двома нестабільними станами. За відсутності зовнішнього сигналу транзистори по черзі перемикаються зі стану відключення стан насичення на частоті, що визначається постійними часу RC ланцюгів зв'язку. Якщо ці постійні часу дорівнюють (R і C дорівнюють), то буде генеруватися прямокутна хвиля з частотою 1/1,4 RC. Отже, нестабільний мультивібратор називається генератором імпульсів чи генератором прямокутних імпульсів. Чим більше значення базового навантаження R2 і R3 по відношенню до навантаження колектора R1 і R4, тим більше коефіцієнт посилення струму і гостріше буде край сигналу.

p align="justify"> Основним принципом роботи нестабільного мультивібратора є невелика зміна електричних властивостей або характеристик транзистора. Ця різниця призводить до того, що один транзистор включається швидше, ніж інший, коли харчування подається вперше, що викликає коливання.

Схема Пояснення

Нестабільний мультивібратор складається із двох поперечних зв'язку підсилювачів RC.
Схема має два нестабільні стани
Коли V1 = НИЗЬКИЙ і V2 = ВИСОКИЙ, тоді Q1 ВКЛ та Q2 ВИКЛ
Коли V1 = ВИСОКИЙ і V2 = НИЗЬКИЙ, Q1 ВИМК. та Q2 ВКЛ.
При цьому R1 = R4, R2 = R3, R1 має бути більшим, ніж R2
C1 = C2
При першому включенні ланцюга жодного з транзисторів не включено.
Базова напруга обох транзисторів починає зростати. Будь-який з транзисторів включається першим через різницю в легуванні та електричних характеристиках транзистора.

Мал. 1: Принципова схема роботи транзисторного нестабільного мультивібратора

Ми можемо сказати, який транзистор проводить першим, тому ми припускаємо, що Q1 проводить першим, а Q2 вимкнений (C2 повністю заряджений).

Q1 проводить, а Q2 відключений, отже, VC1 = 0 В, так як весь струм на землю через коротке замикання Q1, і VC2 = Vcc, так як вся напруга на VC2 падає через розімкнений ланцюг TR2 (рівно напруги живлення) .
Через високу напругу VC2 конденсатор C2 починає заряджатися через Q1 через R4, а C1 починає заряджатися через R2 через Q1. Час, необхідний зарядки C1 (T1 = R2C1), більше, ніж час, необхідне зарядки C2 (T2 = R4C2).
Так як права пластина C1 підключена до бази Q2 і заряджається, значить, у цієї пластини високий потенціал, і коли вона перевищує напругу 0,65, вона включається Q2.
Оскільки C2 повністю заряджений, його ліва пластина має напругу -Vcc -5V і підключена до бази Q1. Отже, він вимикається Q2
TR Тепер TR1 вимкнений, і Q2 проводить, отже, VC1 = 5 В і VC2 = 0 В. Ліва пластина C1 раніше знаходилася під напругою -0,65, яка починає підніматися до 5 В і підключається до колектора Q1. C1 спочатку розряджається від 0 до 0,65, а потім починає заряджатися через R1 через Q2. Під час заряджання права пластина С1 має низький потенціал, який вимикає Q2.
Права пластина C2 підключена до колектора Q2 і попередньо знаходиться на +5В. Таким чином, C2 спочатку розряджається від 5 до 0 В, а потім починає заряджатися через опір R3. Ліва пластина C2 під час зарядки знаходиться під високим потенціалом, який включає Q1, коли досягає напруги 0,65.

Мал. 2: Принципова схема роботи транзисторного нестабільного мультивібратора

Тепер Q1 проводить, а Q2 вимкнено. Вищезгадана послідовність повторюється, і ми отримуємо сигнал на обох колекторах транзистора, який не у фазі один з одним. Для отримання ідеальної прямокутної хвилі будь-яким колектором транзистора ми приймаємо як опір колектора транзистора, базовий опір, тобто (R1 = R4), (R2 = R3), а також значення конденсатора, що робить нашу схему симетричною. Отже, робочий цикл для низького та високого значення вихідного сигналу є тим самим, що генерує прямокутну хвилю
Constant Постійна часу форми сигналу залежить від базового опору та колектора транзистора. Ми можемо розрахувати його період часу за: Постійна часу = 0.693RC

Принцип дії мультивібратора на відео з поясненням

У цьому відеоуроці каналу Паяльник TV покажемо, як взаємопов'язані елементи електричного ланцюга і познайомимося з процесами, що відбуваються в ній. Першою схемою, з урахуванням якої буде розглянуто принцип роботи, є схема мультивібратора на транзисторах. Схема може бути в одному з двох станів і періодично переходить з одного в інший.

Аналіз 2-х станів мультивібратора.

Все, що ми спостерігаємо зараз, це два світлодіоди, які по черзі блимають. Чому це відбувається? Розглянемо спочатку перший стан.

Перший транзистор VT1 закритий, а другий транзистор повністю відкритий і не перешкоджає протіканню колекторного струму. Транзистор в цей момент знаходиться в режимі насичення, що дозволяє знизити падіння напруги на ньому. І тому правий світлодіод горить на повну силу. Конденсатор C1 в перший час був розряджений, і струм безперешкодно проходив на базу транзистора VT2, повністю відкриваючи його. Але за мить конденсатор починає швидко заряджатися базовим струмом другого транзистора через резистор R1. Після того, як він повністю зарядиться (а як відомо, повністю заряджений конденсатор не пропускає струм), транзистор VT2 внаслідок цього закривається і світлодіод гасне.

Напруга на конденсаторі C1 дорівнює добутку базового струму на опір резистора R2. Перенесемося у часі тому. Поки транзистор VT2 був відкритий і правий світлодіод горів, конденсатор C2, раніше заряджений в попередньому стані, починає повільно розряджатися через відкритий транзистор VT2 і резистор R3. Поки він не розрядився, напруга на базі VT1 буде негативною, яка повністю замикає транзистор. Перший світлодіод не світиться. Виходить, що на момент згасання другого світлодіода конденсатор C2 встигає розрядитися і переходить у готовність пропустити струм на базу першого транзистора VT1. На той момент, коли перестає горіти другий світлодіод, спалахує перший світлодіод.

А у другому станівідбувається все те саме, але навпаки, транзистор VT1 відкритий, VT2 закритий. Перехід до іншого стану відбувається тоді, коли конденсатор C2 розряджається, напруга на ньому зменшується. Розрядившись повністю, він починає заряджатися у зворотний бік. Коли напруга на переході база-емітер транзистора VT1 досягне напруги, достатньої для його відкривання, приблизно 0,7, цей транзистор почне відкриватися і перший світлодіод загориться.

Знову звернемося до схеми.

Через резистори R1 та R4 відбувається зарядка конденсаторів, а через R3 та R2 відбувається розрядка. Резистори R1 і R4 обмежують струм першого та другого світлодіода. Від їхнього опору залежить не лише яскравість свічення світлодіодів. Вони також визначають час заряджання конденсаторів. Опір R1 і R4 підбирається набагато менше, ніж R2 і R3, щоб зарядка конденсаторів відбувалася швидше, ніж їхня розрядка. Мультивібратор використовується для отримання прямокутних імпульсів, що знімаються з колектора транзистора. При цьому навантаження підключається паралельно до одного з колекторних резисторів R1 або R4.

На графіці представлені прямокутні імпульси, що виробляються цією схемою. Однією з областей називається фронт імпульсу. Фронт має нахил, і що більше буде час зарядки конденсаторів, то цей нахил буде більше.

Якщо у мультивібраторі використані однакові транзистори, конденсатори однакової ємності, і якщо резистори мають симетричні опори, такий мультивібратор називається симетричним. Він має однакову тривалість імпульсів та тривалість пауз. А якщо є відмінності у параметрах, то мультивібратор буде несиметричним. Коли ми підключаємо мультивібратор до джерела живлення, то в перший момент часу обидва конденсатори розряджені, а значить на базу обох конденсаторів надійде струм і з'явиться режим роботи, при якому повинен відкритися лише один з транзисторів. Так як ці елементи схеми мають деякі похибки номіналів та параметрів, один із транзисторів відкриється першим, і мультивібратор запуститься.

Якщо ви захочете змоделювати цю схему в програмі Multisim, потрібно виставити номінали резисторів R2 і R3 так, щоб їх опори відрізнялися хоча б на десяту частину Ома. Те саме проробіть з ємністю конденсаторів, інакше мультивібратор може не запуститися. При практичній реалізації цієї схеми я рекомендую здійснювати живлення напругою від 3 до 10 Вольт, а параметри самих елементів зараз ви дізнаєтесь. За умови, що використовується транзистор КТ315. Резистори R1 і R4 не впливають на частоту імпульсів. У нашому випадку вони обмежують струм світлодіода. Опір резисторів R1 та R4 можна взяти від 300 Ом до 1кОм. Опір резисторів R2 та R3 від 15 кОм до 200 кОм. Місткість конденсаторів від 10 до 100 мкФ. Представимо таблицю зі значеннями опорів та ємностей, в якій наведено приблизну очікувану частоту імпульсів. Тобто, щоб отримати імпульс тривалістю 7 секунд, тобто, тривалість свічення одного світлодіода, що дорівнює 7 секунд, потрібно використовувати резистори R2 і R3 опором 100 кОм та конденсатора ємністю 100 мкФ.

Висновок.

Часом елементами даної схеми є резистори R2, R3 і конденсатори C1 і C2. Чим менше їх номінали, тим частіше перемикатимуться транзистори, і тим частіше мерехтітимуть світлодіоди.

Мультивібратор можна реалізувати не лише на транзисторах, а й на базі мікросхем. Залишайте свої коментарі, не забувайте передплатити канал «Паяльник TV» на ютубі, щоб не пропустити нові цікаві відео.

Ще цікава про радіопередавач.

Мультивібратор

Принципова схема "класичного" найпростішого транзисторного мультивібратора

Мультивібратор- Релаксаційний генератор сигналів електричних прямокутних коливань із короткими фронтами. Термін запропонований голландським фізиком ван дер Полем, так як у спектрі коливань мультивібратора є безліч гармонік - на відміну від генератора синусоїдальних коливань («монавібратора»).

Бістабільний мультивібратор

Бістабільний мультивібратор - різновид чекаючого мультивібратора, який має два стабільні стани, що характеризуються різними рівнями напруги на виході. Як правило, перемикаються ці стани сигналами, поданими на різні входи, як показано на рис. 3. У цьому випадку бістабільний мультивібратор є тригером RS-типу. У деяких схемах для перемикання використовується один вхід, який подаються імпульси різної чи однієї полярності.

Бістабільний мультивібратор, крім виконання функції тригера, застосовується також для побудови генераторів, синхронізованих із зовнішнім сигналом. Такий тип бістабільних мультивібраторів характеризується мінімальним часом перебування в кожному стані або мінімальним періодом коливань. Зміна стану мультивібратора можлива тільки після певного часу з моменту останнього перемикання і відбувається в момент надходження сигналу, що синхронізує.

На рис. 4 показаний приклад синхронізованого генератора, виконаного з використанням синхронного D-тригера. Перемикання мультивібратора відбувається при позитивному перепаді напруги на вході (на фронті імпульсу).

У цій статті описано пристрій призначений просто для того, щоб радіоаматор-початківець (електротехнік, електронник і т.д.) зміг краще розібратися в принципових схемах і набратися досвіду в ході складання даного пристрою. Хоча можливо цьому найпростішому мультивібратору, про який написано нижче, можна знайти і практичне застосування. Розглянемо схему:

Малюнок 1 - Найпростіший мультивібратор на реле

При подачі живлення на схему конденсатор починає заряджатися через резистор R1, контакти K1.1 при цьому розімкнуті, коли конденсатор зарядиться до деякої напруги реле спрацює і контакти замкнутися, при замкнутих контактах конденсатор почне розряджатися через ці контакти і резистор R2, коли конденсатор розрядиться напруги контакти розімкнуться і процес далі повторюватиметься циклічно. Цей мультивібратор працює з того що струм спрацьовування реле більше струму утримання. Опір резисторів НЕ МОЖНА змінювати в широких межах і це є недоліком даної схеми. Опір джерела живлення впливає на частоту і через це даний мультивібратор працюватиме не від усіх джерел живлення. Ємність конденсатора можна збільшувати, частота замикання контактів при цьому зменшуватиметься. Якщо реле є друга група контактів і використовувати величезні значення ємності конденсатора то можна використовувати дану схему для періодичного автоматичного включення / вимикання приладів. Процес складання показаний на фотографіях нижче: