Мультивибратор своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

В одной из первых своих статей я рассказал как собрать симметричный мультивибратор (мигалка на светодиодах). В этой статье я расскажу о близком родственнике симметричного мультивибратора.

Несимметричный мультивибратор состоит из усилительного каскада на двух транзисторах, охваченного положительной обратной связью: (коллектор транзистора VT2 соединен с входом - с базой транзистора VT1 через конденсатор C1. В качестве нагрузки используется Rн. Транзистор VT1 прямой проводимости (p-n-p-типа), открывается при подаче на базу отрицательного относительно эмиттера потенциала. Транзистор VT2 обратной проводимости (n-p-n-типа), открывается при подаче на базу положительного относительно эмиттера потенциала.

Как работает эта схема. При включении питания конденсатор C1 заряжается через Rн, резисторы R1 и R2. В результате его правая обкладка заряжается положительно, а левая - отрицательно. Этот потенциал попадает на базу VT1. Тогда транзистор VT1 открывается, сопротивление коллектор--эмиттер падает. База транзистора VT2 оказывается соединенной с положительным полюсом источника, транзистор VT2 также открывается, ток коллектора растет. В результате через Rн течет ток, который разряжает конденсатор C1 через резисторы R1, R2 и транзистор VT2 . Потенциал базы VT1 возрастает, транзистор VT1 закрывается, вызывая закрывание транзистора VT2. После этого конденсатор C1 снова начинает заряжаться и цикл повторяется.

От чего же зависит частота такого генератора? От многих факторов, а это не есть хорошо.

Во-первых частота зависит от емкости С1. Чем она больше, тем больше времени нужно для его зарядки, т.е. частота уменьшается.

Во-вторых частота зависит от суммарного сопротивления R1 и R2. Чем они больше, тем меньше ток заряда конденсатора С1, тем дольше он будет заряжаться, т.е. частота будет уменьшаться. Тут есть достоинство - меняя сопротивление R1 можно в широких пределах менять частоту генератора.

При повышении напряжения питания конденсатор С1 заряжается быстрее, т.е. частота увеличивается.

Однажды мне потребовалось повозиться с силовой электроникой и понадобился генератор прямоугольных импульсов с выходным напряжением порядка 24В и частотой колебаний 50..100 кГц. С оборудованием было сложно и пришлось, как всегда, обходиться подручными средствами.

Самое простое решение — сделать мультивибратор на 2-х транзисторах. Но этот вариант плохой, во-первых, транзисторный мультивибратор не дает импульсов с крутыми фронтами, а это значит, что если он управляет силовыми ключами преобразователя, то в них возникнут большие потери на переключение. Во-вторых, частота колебаний мультивибратора сильно зависит от питающего напряжения.

Происходит это потому, что при переключении мультивибратора к переходу база-эмиттер закрытого транзистора прикладывается запирающее напряжение, практически равное напряжению питания.

Итак, на базу транзистора попадает -24В, а напряжение пробоя перехода -5..-10В. Естественно, при переключении происходит лавинный пробой перехода. Мультивибратор, конечно, будет работать, но надежность его работы невысока, а частота колебаний сильно зависит от напряжения питания.

Решение задачи

Что же делать? Напряжение 24В выдержит любой операционный усилитель, поэтому можно сделать мультивибратор на ОУ, а еще лучше на компараторе. Компаратор специально спроектирован так, чтобы получить максимальную скорость переключения. Схему такого мультивибратора можно найти в любом учебнике электроники, например, в [1] или [2].

Рис.1. Теория.

Как она устроена? Смотрим на рисунок. В схеме есть заряд-разрядная цепочка RC и управляемый делитель напряжения R1, R2, R3. Напряжение на делителе управляется напряжением на выходе компаратора. Если на выходе компаратора будет логическая единица, то оно равно V1, а если логический ноль, то V0.

Как работает схема? Подадим питание. В начальный момент времени конденсатор С еще не зарядился, и напряжение на нем и на инвертирующем (минусовом) входе компаратора равно нулю. На не инвертирующем (плюсовом) входе напряжение больше нуля. Поэтому на выходе компаратора будет логическая единица, т. е. напряжение, почти равное напряжению питания Vs (если Rн намного меньше R3).

Напряжение на “плюсовом” входе V1 задает делитель, верхнее плечо которого образуют резисторы R1 и R3, подключенные параллельно к источнику Vs, а в нижнем плече стоит резистор R2.

Конденсатор C постепенно заряжается выходным напряжением компаратора. Как только напряжение на конденсаторе достигает напряжения V1, компаратор перебросится и на его выходе появляется логический ноль.

Напряжение на управляемом делителе уменьшится до величины V0 (сейчас в верхнем плече стоит резистор R1, а в нижнем параллельно соединенные R2 и R3). Конденсатор С2 станет разряжаться. Как только напряжение на нем достигнет напряжения V0, компаратор снова перебросится и далее цикл колебаний повторится.

Расчет периода

Теперь можно рассчитать период колебаний мультивибратора.

По закону Ома напряжение V1 равно:

Преобразуем эту формулу через проводимости:

V1 = Vs / ( 1 + R1||R3 / R2 ) = Vs / ( 1 + y2 / (y1 + y3) ) = Vs ( y1 + y3 ) / ( y1 + y2 + y3 )

Если все сопротивления равны, то V1 = (2 / 3) Vs

Затем находим напряжение V0 оно равно:

Преобразуем эту формулу через проводимости:

V0 = Vs / (1 + R1 / R2||R3 ) = Vs / ( 1 + ( y2 + y3 ) / y1 ) = Vs y1 / ( y1 + y2 + y3 )

Если все сопротивления равны, то V0 = Vs / 3

При переключении компаратора конденсатор С разряжается по экспоненте. Время разряда равно времени заряда и равно половине периода. Тогда:

Отсюда T = 2 RC ln( V1 / V0 ) = 2 RC ln[ ( y1 + y3 ) / y1 ]

Окончательно период мультивибратора равен:

В частном случае, если R1 = R3 период T= 1,386 RC

Если же R3 = 2 R1 период T= 0,811 RC

Практика

После этих глубоких изысканий пора приступить к делу 🤠. Берем самый распространенный компаратор LM311. Предельное напряжение его питания 36 В. Это подходит. Предельный выходной ток 50 мА. Сопротивление нагрузки выбираем 2 кОм, при этом ток через него 12 мА, а выделяемая мощность 144 мВт, что вполне приемлемо. Сопротивления R1 - R3 должны составлять десятки килоом, причем R3 по крайне мере на порядок больше чем Rн. Выбираем их значения равными 20 кОм. Емкость конденсатора C = 2200 пФ.

Рис.2. Практическая схема.

Чтобы не тратить время на разводку печатной платы, я воспользовался многоразовой макеткой. Получившаяся экспериментальная установка показана на рисунке 3.

Рис.3. Эксперимент.

Видно, что верхушка импульсов из-за тока зарядки конденсатора слегка "скошена". Частота колебаний получилась 14,12 кГц, а расчетная 16,4 кГц, расхождение почти 14% , что явно больше 5% допуска элементов. Почему так происходит? Чтобы разобраться, возьмем несколько попавшихся под руку конденсаторов и измерим как меняется частота от емкости.

МЯУ!
МУР-Р-Р.
МЫР-Р-Р.
МРЯ-Я-УУ.
и ещё не меньше сотни,
заметьте,
разумных
сигналов!
Это вам не
какие-то там
МЫР-АНД-РЫ!

МУЛЬТИВИБРАТОР-1
Просто теория или теория по-простому

Мультивибратор можно собрать на транзисторах n-p-n или p-n-p:

Оценить работу мультивибратора можно на слух или зрительно. В первом случае нагрузкой должен быть звуковой излучатель, во втором – лампочка или светодиод:

В случае применения низкоомных динамиков, потребуется выходной трансформатор или дополнительный усилительный каскад:

Нагрузка может быть включена в оба плеча мультивибратора:

В случае применения светодиодов желательно включить дополнительные резисторы, роль которых и выполняют, в данном случае, R1 и R4.

6. 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 превратить в мультивибратор ждущий (см. схему из п. 3), надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора VT2 и базой транзистора VT1 включить резистор R3; между базой транзистора VT1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент на 1,5 В и резистор сопротивлением R5, но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора VТ1 подключить конденсатор С2, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора VТ1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора VТ2 - открытое. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Миллиамперметр (на ток 10-15 мА) включить в коллекторную цепь транзистора V1 и, наблюдая за его стрелкой, включить между контактом УПР сигнал и заземленным проводником, буквально на мгновение, один-два элемента ААА, соединенные последовательно (на схеме GB1). ВНИМАНИЕ: отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту УПР сигнал. 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. Если повторить этот опыт несколько раз, то 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 VТ1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. Даже если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму УПР сигнал, произойдет то же самое - на выходе мультивибратора появится только один импульс.

Если коснуться вывода базы транзистора VТ1 каким-либо металлическим предметом, взятым в руку, то, возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает - от электростатического заряда тела. Можно включить миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора VТ2. 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 принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора VТ2 и базой транзистора VТ1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3. На базу транзистора VТ2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же VТ1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии VT1 может находиться сколько угодно времени. При появлении на базе транзистора VТ1 импульса напряжения отрицательной полярности транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор VТ1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор VТ2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор VТ1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор VТ2 тут же откроется, а транзистор VТ1 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 VТ1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора VТ2.
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.

На логических элементах можно сделать и ждущий мультивибратор. Как и предыдущий, он построен на 2-х логических элементах.

Первый DD1.1 используется по своему прямому назначению – как элемент 2И-НЕ. Кнопка SB1 выполняет функцию датчика запускающих сигналов. Для индикации импульсов используется, например, светодиод. Длительность импульсов можно увеличивать, увеличивая ёмкость С1 и сопротивление R1. Вместо R1 можно включить переменный (подстроечный) резистор сопротивлением около 2 кОм (но не более 2,2 кОм) для изменения длительности импульсов в некоторых пределах. Но при сопротивлении менее 100 Ом мультивибратор перестанет работать.
Принцип действия. В начальный момент нижний вывод элемента DD1.1 ни с чем не соединён – на нём уровень логической 1. А для элемента 2И-НЕ этого достаточно, чтобы он оказался в нулевом состоянии. На входе DD1.2 также уровень логического 0, поскольку падение напряжения на резисторе, создаваемое входным током элемента, удерживает входной транзистор элемента в закрытом состоянии. Напряжение логической 1 на выходе этого элемента поддерживает первый элемент в нулевом состоянии. При нажатии кнопки на вход первого элемента подаётся запускающий импульс отрицательной полярности, который переключает элемент DD1.1 в единичное состояние. Возникающий в этот момент скачок положительного напряжения на его выходе передаётся через конденсатор на входы второго элемента и переключает его из единичного состояния в нулевое. Такое состояние элементов остаётся и после окончания действия запускающего импульса. С момента появления положительного импульса на выходе первого элемента начинает заряжаться конденсатор – через выходной каскад этого элемента и резистор. По мере зарядки напряжение на резисторе падает. Как только оно достигнет порогового, второй элемент переключится в единичное состояние, а первый – в нулевое. Конденсатор быстро разрядится через выходной каскад первого элемента и водной каскад второго, и устройство окажется в ждущем режиме.
Следует иметь ввиду, что для нормальной работы мультивибратора длительность запускающего импульса должна быть меньше длительности формируемого.

P.S. Тема "МУЛЬТИВИБРАТОР" является примером творческого подхода к изучению электрических колебаний в курсе школьной физики. И не только. Создание простых схем, моделирование их работы, наблюдение и измерение электрических величин - это выход далеко за рамки обычной школьной физики и информатики. А создание реальных устройств совершенно меняет представление молодых людей о том, что и как можно ИЗУЧАТЬ в школе (терпеть не могу слово "УЧИТЬ").