Одновибратор на транзисторах своими руками схемы
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 18.09.2024
Одновибратор (Рисунки 25–27) представляет собой устройство, преобразующее кратковременный входной сигнал в выходной сигнал заданной продолжительности во времени. Длительность выходного сигнала одновибратора (Рисунок 25) при кратковременном нажатии кнопки SB1 определяется времязарядной цепочкой R2C1 и составляет при напряжении питания 12 В 50 мс (T[с]=2.5R[Ом]C[Ф]).
| Рисунок 25. | Одновибратор. |
Для одновибратора (Рисунок 26), в котором использован стабилитрон VD1 1N4461 на напряжение 6.8 В, длительность выходного сигнала равна 28 мс (T[с]=1.4R[Ом]C[Ф]).
| Рисунок 26. | Вариант одновибратора. |
Одновибратор (Рисунок 27) дополнительно содержит управляющий транзистор VT1 2N7000.
| Рисунок 27. | Еще один вариант одновибратора. |
Длительность выходных сигналов одновибраторов (Рисунки 25–27) зависит от напряжения питания устройства.
Делители частоты входного сигнала (Рисунки 28–30) предназначены для деления частоты входного сигнала на заданное пользователем целочисленное значение цифрового ряда.
Делитель частоты (Рисунок 28) выполнен на транзисторах VT1 BC558 и VT2 2N6600. С вывода 1 микросхемы 222 снимается сигнал исходной частоты (600 Гц), делённой на коэффициент деления, ступенчато задаваемый потенциометром R5 в пределах от 1 до 4. С вывода 4 снимается сигнал исходной частоты.
| Рисунок 28. | Делитель частоты входного сигнала на 1, 2, 3, 4. |
Делитель частоты (Рисунок 29) содержит две микросхемы – DD1.1 CD4013 (D-триггер) и DA1 222. При частоте входного сигнала 10 кГц коэффициент деления, задаваемый потенциометром R1, может принимать значения 1, 2, 3 … 20.
| Рисунок 29. | Делитель частоты на 1, 2, 3 … 20. |
Делитель частоты (Рисунок 30) выполнен на элементах микросхемы DD1.1 и DD1.2 CD4093 и микросхеме DA1 222. При частоте входного сигнала 100 кГц коэффициент деления, задаваемый потенциометром R1, может принимать значения 1, 2, 3 … 20.
| Рисунок 30. | Второй вариант делителя частоты на 1, 2, 3 … 20. |
Для того чтобы делители частоты (Рисунки 28–30) могли работать при иных значениях входных частот, потребуется коррекция номиналов конденсаторов C1.
Частотное реле (Рисунок 31) – пороговое устройство, которое при превышении частоты на входе относительно заданного уровня переключает своё состояние.
| Рисунок 31. | Частотное реле. |
Потенциометром R3 частотную границу переключения реле можно задавать в пределах до 100 кГц.
| Рисунок 32. | Регулируемый оконный компаратор с ШИМ. |
| Рисунок 33. | Оконный компаратор. |
Преобразователь напряжения (Рисунки 34 и 35). Преобразователь (Рисунок 34) выполнен на микросхеме 222, включённой по типовой схеме с возможностью регулирования ширины выходного сигнала при помощи потенциометра R5. С вывода 4 микросхемы управляющий сигнал подаётся на электронный ключ на транзисторе VT1, со стока которого импульсы напряжения поступают на классический выпрямитель, позволяющей получать на выходе напряжение отрицательной полярности.
| Рисунок 34. | Преобразователь напряжения. |
Преобразователь напряжения (Рисунок 35) выполнен по аналогичной схеме, но нагрузкой транзистора VT1 является индуктивность L1; на выходе преобразователя создаётся выходное напряжение более высокого уровня, чем напряжение питания устройства.
| Рисунок 35. | Преобразователь напряжения с индуктивностью. |
Отметим, что вывод 5 микросхемы 222 (Рисунки 34 и 35) можно использовать для стабилизации напряжения на нагрузке.
Усилитель низкой частоты (Рисунки 36 и 37). Низкочастотный усилитель на микросхеме 222 (Рисунок 36) работает в полосе частот на уровне –3 дБ от 0.15 Гц до 220 кГц. Коэффициент передачи усилителя 9.6 дБ, КНИ 0.001%. С вывода 4 снимаются импульсы прямоугольной формы с КЗИ порядка 50%.
| Рисунок 36. | Усилитель низкой частоты. |
Усилитель низкой частоты (Рисунок 37) также выполнен на микросхеме 222. Его полоса пропускания на уровне –3 дБ от 16 Гц до 5.8 МГц при коэффициенте передачи 46 дБ и КНИ 0.02%.
| Рисунок 37. | Вариант усилителя низкой частоты. |
Усилитель D-класса (Рисунок 38) состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме 222, генератора стабильного тока на транзисторе VT1 BC557, что позволяет заряжать времязадающий конденсатор C1 по линейному закону, и модулятора на транзисторе VT2 BC547. Рабочая частота генератора 47 кГц. Ширина выходных импульсов модулируется низкочастотным аналоговым сигналом, подаваемым на вход устройства. Выходной каскад и фильтры усилителя не показаны.
| Рисунок 38. | Усилитель D-класса. |
Генератор световых импульсов или мигающий свет (Рисунок 39). Генератор импульсов герцового диапазона частот на микросхеме 222 управляет поочерёдным переключением светодиодов HL1 и HL2. Частота переключения задаётся резистором R1 и конденсатором C1 и равна примерно 2 Гц.
| Рисунок 39. | Генератор световых импульсов или мигающий свет. |
Визуальный индикатор освещённости или температуры (Рисунок 40) содержит генератор импульсов на микросхеме 222, ширина выходных импульсов которого задаётся при помощи управляемого аналога резистора, выполненного на полевом транзисторе VT2 2N7000.
| Рисунок 40. | Визуальный индикатор освещённости или температуры. |
Чувствительным элементом устройства является фото- или терморезистор R5. При изменении интенсивности светового потока или температуры меняется сопротивление этого резистора и, соответственно, сопротивление канала исток-сток транзистора VT2. Происходит и изменение ширины выходного сигнала, снимаемого с вывода 4 микросхемы 222.
Нагрузкой выходного каскада на транзисторе VT1 BC557 являются светодиоды HL1 и HL2 зелёного и красного свечения, соответственно. Повышение интенсивности светового потока или температуры будет сопровождаться изменением суммарной окраски излучения двух разноцветных светодиодов. Так, повышению температуры в помещении будет отвечать преобладание красного оттенка суммарного свечения светодиодов.
Фото- и термореле (Рисунок 41). В зависимости от температурного (светового) коэффициента сопротивления чувствительный элемент (фото- или терморезистор) может быть включён в верхнее или нижнее по схеме (Рисунок 41) плечо резистивного делителя R1, R5. Во второе плечо резистивного делителя включают подстроечный резистор близкого номинала. Потенциометром R4 регулируют порог переключения реле.
| Рисунок 41. | Фото- и термореле. |
Реле времени (Рисунок 42). При нажатии на кнопку SB1 конденсатор C1 плавно заряжается через цепочку R1, R2 до уровня напряжения переключения, заданного резистивным делителем R3, R4. После этого срабатывает реле К1, включая своими контактами нагрузку. Диод VD1 способствует быстрому разряду конденсатора C1 при ненажатой кнопке SB1. Интервал времени срабатывания реле регулируется потенциометром R1 в диапазоне от 1 до 100 с и может быть определён как T[с]=(R1+R2)[МОм]C1[мкФ].
| Рисунок 42. | Реле времени. |
Сирена (Рисунок 43) выполнена на микросхемах DA1 и DA2 и транзисторах VT1 BC557 и VT2 BC547. Первый генератор низкой частоты на микросхеме DA1, регулировка частоты которого производится потенциометром R2, управляет работой генератора импульсов звукового диапазона частот на микросхеме DA2. Громкость выходного сигнала регулируют потенциометром R8.
| Рисунок 43. | Сирена. |
Приведённый в статье перечень устройств далеко не исчерпан. На основе микросхемы 222 возможно создание целого ряда генераторов, таймеров, авторегуляторов, преобразователей, различного рода реле, зарядных и индикаторных устройств, систем контроля напряжения, охранных систем, систем автоматизации промышленного и бытового назначения и многого другого.
Логические микросхемы. Часть 5 - одновибратор
Схема одновибратора и принцип его работы согласно временной диаграмме.
В предыдущей части статьи было рассказано о мультивибраторах, выполненных на логической микросхеме К155ЛА3. Этот рассказ был бы неполным, если не упомянуть еще об одной разновидности мультивибратора, так называемом одновибраторе.
Одновибратор
Одновибратором называют генератор одиночных импульсов. Логика его работы состоит в следующем: если на вход одновибратора подать короткий импульс, то на его выходе формируется импульс, длительность которого задана RC цепочкой.
После того, как этот импульс закончится, одновибратор переходит в состояние ожидания следующего запускающего импульса. В силу этого одновибратор часто называют ждущим мультивибратором. Самая простая схема одновибратора показана на рисунке 1. На практике кроме этой схемы применяется несколько десятков разновидностей одновибраторов.
Рисунок 1. Простейший одновибратор.
На рисунке 1а показана схема одновибратора, а на рисунке 1б его временные диаграммы. Одновибратор содержит два логических элемента: первый из них используется в качестве элемента 2И-НЕ, в то время как второй включен по схеме инвертора.
З апуск одновибратора осуществляется при помощи кнопки SB1, правда это только для учебных целей. Реально на этот вход может быть подан сигнал от других микросхем. Для индикации состояния к выходу также подключен светодиодный индикатор, также показанный на схеме. Конечно же он не является деталью одновибратора, поэтому его можно и не ставить.
Конденсатор С1 выбран большой емкости. Это сделано для того, чтобы импульс имел длительность достаточную для индикации с помощью стрелочного прибора, имеющего большую инерцию. Минимальная емкость конденсатора при которой еще можно обнаружить импульс стрелочным прибором 50 мкФ, сопротивление резистора R1 в пределах 1…1,5 кОм.
В целях упрощения схемы можно было бы обойтись без кнопки SB1, замыкая вывод 1 микросхемы на общий провод. Но при таком решении иногда будут возникать сбои в работе одновибратора, обусловленные дребезгом контактов. Подробное рассмотрение этого явления и методы борьбы с ним мы разберем чуть позже при описании счетчиков и частотомера.
После того, как одновибратор собран, и питание подано, измерим напряжение на входах и выходах обоих элементов. На выводе 2 элемента DD1.1 и выходе 8 элемента DD1.2 должен быть высокий уровень, а на выходе элемента DD1.1 - низкий. Поэтому можно сказать, что в ждущем режиме второй элемент, выходной, находится в единичном состоянии, а первый в нулевом.
Теперь подключим вольтметр на выход элемента DD1.2 – вольтметр покажет высокий уровень. После чего, наблюдая за стрелкой прибора, кратковременно нажмем на кнопку SB1. стрелка быстро отклонится почти до нуля.
Приблизительно секунды через 2 также резко вернется в исходное положение. Это говорит о том, что стрелочный прибор показал импульс низкого уровня. При этом через выход элемента DD1.2 также зажжется светодиод. Если повторить этот опыт несколько раз, то результаты должны быть одинаковыми.
Если к конденсатору подключить параллельно еще один – емкостью 1000 мкФ длительность импульса на выходе увеличится втрое.
Если резистор R1 заменить переменным номиналом около 2 Ком, то его вращением можно в некоторых пределах изменять длительность выходного импульса. Если же выкрутить резистор настолько, что его сопротивление станет менее 100 Ом, то одновибратор просто перестает генерировать импульсы.
Из проделанных опытов можно сделать такие выводы: чем больше сопротивление резистора и емкость конденсатора, тем больше время генерируемого одновибратором импульса. В данном случае резистор R1 и конденсатор C1 являются времязадающей RC цепочкой, от которой зависит длительность генерируемого импульса.
Если емкость конденсатора и сопротивление резистора значительно уменьшить, например, поставить конденсатор емкостью 0,01 мкФ, то индикаторами в виде вольтметра и даже светодиода обнаружить импульсы просто не удастся, поскольку они получатся очень короткими.
На рисунке 1б показаны временные диаграммы работы одновибратора. Они помогут разобраться в его работе.
На входе элемента DD1.2 уровень напряжения низкий, что обусловлено подключенным к нему резистором R1. поэтому на выходе элемента DD1.2 будет соответственно высокий уровень, который поступает на верхний по схеме вход элемента DD1.1. Поэтому на обоих входах DD1.1 высокий уровень, который дает на его выходе низкий уровень, и конденсатор С1 почти полностью разряжен.
При нажатии кнопки, на вход 1 элемента DD1.1 подается импульс запуска низкого уровня, показанный на верхнем графике. Поэтому элемент DD1.1 переходит в единичное состояние. В этот момент на его выходе появляется положительный фронт, который через конденсатор С1 передается на вход элемента DD1.2, отчего последний переходит из единицы в нуль. Этот же нуль присутствует и на входе 2 элемента DD1.1, поэтому он останется в единичном же состоянии после размыкания кнопки SB1, то есть даже при окончании запускающего импульса.
Положительный перепад напряжения на выходе элемента DD1.1 через резистор R1 заряжает конденсатор С1, отчего напряжение на резисторе R1 уменьшается. При снижении этого напряжения до порогового, происходит переход элемента DD1.2 в состояние единицы, а DD1.1 переключается в нуль.
При таком состоянии логических элементов конденсатор будет разряжен через вход элемента DD1.2 и выход DD1.1. Таким образом одновибратор вернется в режим ожидании следующего запускающего импульса или просто в ждущий режим.
Однако, при проведении опытов с одновибратором не следует забывать, что длительность запускающего импульса должна быть обязательно меньше выходного. Если кнопку просто удерживать в нажатом состоянии, то никаких импульсов на выходе дождаться будет невозможно.
Принцип работы состоит в переходе из одного нестабильного состояния (Q1 закрыт, Q2 открыт) в другое (Q1 открыт, Q2 закрыт).
Начнем с первого состояния: Q1 закрыт, Q2 открыт.
В процессе дальнейшего перезаряда С2 на базе Q1 появляется уже положительное, отпирающее напряжение, и Q1 начинает открываться. Ток через него возрастает, снижается напряжение на коллекторе Q1 и базе Q2, что вызывает его запирание.
Напряжение на коллекторе Q2 увеличивается и через конденсатор C2 еще сильнее открывает Q1.
Процесс открывания Q1 ускоряет запирание Q2, и процесс происходит практически лавинообразно, и переход из одного состояния в другое происходит очень быстро.
Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2
В общем, транзисторы периодически друг друга открывают и закрывают.
Теперь немного о расчете элементов.
Период состоит из двух частей t1 и t2, зависящих от сопротивлений R2, R3 и емкостей C1, C2:
t1 = 0,7 x R3 x C1;
t2 = 0,7 x R2 x C2
Для примера, в схеме на картинке выше период равен t1 + t2 = 2*0,7*22 кОм*0,1 мкФ = 3,08 мс.
Период 3,3 мсПериод 3,3 мс
От сопротивления резисторов R1 и R4 зависит длительность спада импульсов: чем меньше сопротивление, тем быстрее спад.
При R1 = R4 = 470 ОмПри R1 = R4 = 470 Ом
Главный недостаток такой схемы — медленные спады. Этот недостаток исправляют в схеме:
Как работает мультивибратор на транзисторах
Мультивибратор на самом деле работает просто. Во время подключения питания два светодиода периодически загораются и потухают. Частоту переменного переключения светодиодов возможно изменять при помощи емкостей конденсаторов или сопротивления резисторов, подключенных к транзисторам и светодиодам.
Это устройство находится в одном из двух противоположных нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и снова обратно. Фаза перехода довольно мала относительно большой длительности нахождения в состояниях за счет положительной обратной связи (ПОС), которая охватывает два каскада усиления.
Допустим, что VT1 закрыт, VT2 полностью открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода VT2 через R1 и VT2 практически до напряжения питания. Когда полностью заряжен конденсатор C1 через резистор R1 ток прекращается, напряжение на C1 = (ток базы VT2) ·R2, а на коллекторе VT1 — питающему напряжению.
Электрическое напряжение на коллекторе VT2 достаточно невелико (что в свою очередь будет равно падению электрического напряжения на насыщенном транзисторе). C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии (полярность как по схеме), медленно начинает разряжаться через открытый транзистор VT2 и резистор R3. Текущее напряжение на базе у транзистора VT1 отрицательно и благодаря этому напряжению он прочно удерживается в закрытом состоянии. Закрытое от напряжения состояние транзистора VT1 сохраняется до того, пока конденсатор C2 не будет перезаряжаться через R3 и напряжение на базе VT1 не начнет достигать порога его полного отпирания (около +0,6 В).
При этом VT1 начинает незамедлительно приоткрываться, и напряжение его коллектора начинает стремительно снижаться, что в свою очередь вызывает необратимое начало запирания VT2, напряжение коллектора транзистора VT2 начинает стремительно увеличиваться, что в свою очередь через конденсатор C2 еще больше открывает VT1. По итогу в транзисторном мультивибраторе происходит лавинообразный регенеративный повторяющийся процесс, приводящий к тому, что VT1 переходит в открытое насыщенное состояние, а VT2 в свою очередь запирается.
Электрические колебательные процессы в схеме будут постоянно и периодически повторяться, в зависимости от емкости и сопротивления компонентов и коэффициентов используемых транзисторов.
Процессы, происходящие в мультивибраторе
Рис. 2. Та же схема, скомпонованная по-другому
Можете сравнить и убедиться, что это та же самая схема, что на предыдущем рисунке. Я оставил прежние обозначения элементов, чтобы легче было понять, к какому именно из двух каскадов относится та или иная деталь.
Частота мультивибратора
Отметим, что заряд конденсатора через Rб продолжается сравнительно долго по времени, а вот переключение транзисторов происходит практически мгновенно. Поэтому мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы. А их частота определяется временем заряда конденсаторов:
f = 1.443 / (C1*Rб1 + C2*Rб2)
где f — частота (Гц), C — ёмкость в фарадах, R — сопротивление в омах
Остаётся добавить парочку технических замечаний. Первое: у мультивибратора два выхода, сигнал можно снимать и с коллектора T1 и с коллектора T2. Эти два сигнала находятся в противофазе, в некоторых схемах используется это свойство и задействованы оба сигнала. При подключении нагрузки важно не зашунтировать транзистор, иначе есть риск внести искажения в работу мультивибратора, или даже вовсе сорвать генерацию. Лучше всего нагрузку подключать параллельно коллекторному сопротивлению.
Ну и второе замечание. Очевидное, но без его упоминания статья была бы неполная: мы разбираем здесь схему на основе транзисторов n-p-n, но точно также мультивибратор можно построить на транзисторах p-n-p, поменяв полярность питания. А также на радиолампах, операционных усилителях, логических элементах и т. д. — главное, чтобы были два усилительных каскада, охваченных ОС. Одна из таких схем будет приведена ниже.
Советуем к прочтению: Виды батареек: подробная классификация элементов питания по размеру, составу и другим параметрам
Выходные формы импульса
Начальное питание
Однако, если схема временного хранения и с высокой базы, длиннее, чем требуется для полной зарядки конденсаторов, то схема будет оставаться в стабильном состоянии, как с базы на 0,6 В, и коллекторы на 0 В, и оба конденсатора разряжаются до -0,6 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и С и очень мало.
Защитные компоненты
Хотя это и не основополагающее значение для работы схемы, диоды соединенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов необходимы, чтобы предотвратить переход база-эмиттер, их гонят в обратном направлении пробоя, когда напряжение питания превышает V EB напряжение пробоя, как правило, около 5 -10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения.
Способы подключения нагрузки к симметричному мультивибратору
Прямоугольные импульсы снимаются с двух точек симметричного мультивибратора
Нагрузка мультивибратора должна подключаться параллельно одному из коллекторных резисторов, но ни в коем случае не параллельно транзисторному переходу коллектор-эмиттер. Нельзя шунтировать транзистор нагрузкой. Если это условие не выполнять, то как минимум — изменится длительность импульсов, а как максимум – мультивибратор не будет работать. На рисунке ниже показано, как подключить нагрузку правильно, а как не надо это делать.
Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.
Для подключения к мультивибратору высокоомной динамической головки буферный каскад не нужен. Головка подключается вместо одного из коллекторных резисторов. Должно выполняться единственное условие – ток, идущий через динамическую головку не должен превышать максимальный ток коллектора транзистора.
Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора?
Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.
Длительность перезаряда конденсаторов определяется простой формулой, где
Тау– длительность импульса в секундах,
R– сопротивление резистора в Омах,
С– ёмкость конденсатора в Фарадах:
Таким образом, если вы уже не забыли написанное в этой статье на пару абзацев ранее:
При равенстве R2=R3
Полный период колебания мультивибратора – T равен сумме длительностей импульса и паузы:
Частота колебаний F (Гц) связана с периодом Т(сек) через соотношение:
Как правило, в интернете если и есть какие либо расчёты радиоцепей, то они скудные. Поэтому произведём расчёт элементов симметричного мультивибратора на примере.
Как и любые транзисторные каскады, расчёт необходимо вести с конца — выхода. А на выходе у нас стоит буферный каскад, потом стоят коллекторные резисторы. Коллекторные резисторы R1 и R4 выполняют функцию нагрузки транзисторов. На частоту генерации коллекторные резисторы никакого влияния не оказывают. Они рассчитываются исходя из параметров выбранных транзисторов. Таким образом, сначала рассчитываем коллекторные резисторы, потом базовые резисторы, потом конденсаторы, а затем и буферный каскад.
Можно ли собрать схему самостоятельно
Да, можно. Это устройство отлично подойдет для начинающих и для тех, кто интересуется электроникой.
На этой схеме мало деталей, но работает она просто и надежно. Можно собрать схему и навесным монтажом, на монтажной плате или же попробовать свои силы в изготовлении печатной платы — лазерно утюжная технология (ЛУТ).
Из деталей транзисторы КТ315 можно брать любые, близкие по аналогам. Резисторы 0,125 Вт, а конденсаторы — не меньше питающего напряжения. Питать можно от ЛБП (лабораторного блока питания) или от аккумулятора +12 В, зарядного устройства.
По поводу настройки частоты. Можно поменять частоту при помощи емкости и сопротивления. При помощи резисторов намного проще. Достаточно просто поменять обычный резистор на переменный (не подстроечный). Достаточно из контактов 1-2-3 использовать 1-2 или 3-1.
Чем больше сопротивление — тем меньше шаг регулировки. От переменного резистора можно провести провода и визуально наблюдать за изменением частоты.
Порядок и пример расчёта транзисторного симметричного мультивибратора
Питающее напряжение Uи.п. = 12 В.
Необходимая частота мультивибратора F = 0,2 Гц (Т = 5 секунд), причём длительность импульса равна 1
(одной) секунде.
В качестве нагрузки используется автомобильная лампочка накаливания на 12 вольт, 15 ватт.
Выбираем транзисторы для мультивибратора. Например, у нас имеются самые распространенные в Советские времена транзисторы КТ315Г.
Для них: Pmax=150 мВт; Imax=150 мА; h21>50.
Транзисторы для буферного каскада выбирают исходя из тока нагрузки.
Для того, чтобы не изображать схему дважды, я уже подписал номиналы элементов на схеме. Их расчёт приводится далее в Решении.
Определяем максимальную рассеиваемую мощность:Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 150мВт = 120мВт
Определяем номинальную рассеиваевую мощность: Pрас.ном. = 120 / 3 = 40мВт
2. Определим ток коллектора в открытом состоянии: Iк0 = Pрас.ном. / Uи.п. = 40мВт / 12В = 3,3мА
Примем его за максимальный ток коллектора.
3. Найдём значение сопротивления и мощности коллекторной нагрузки: Rк.общ=Uи.п./Iк0 = 12В/3,3мА= 3,6 кОм
Выбираем в существующем номинальном ряде резисторы максимально близкие к 3,6 кОм. В номинальном ряде резисторов имеется номинал 3,6 кОм, поэтому предварительно считаем значение коллекторных резисторов R1 и R4 мультивибратора: Rк = R1 = R4 = 3,6 кОм
Мощность коллекторных резисторов R1 и R4 равна номинальной рассеиваемой мощности транзисторов Pрас.ном. = 40 мВт. Используем резисторы мощностью, превышающей указанную Pрас.ном. — типа МЛТ-0,125.
4. Перейдём к расчёту базовых резисторов R2 и R3
Их номинал находят исходя из коэффициента усиления транзисторов h21. При этом, для надёжной работы мультивибратора значение сопротивления должно быть в пределах: в 5 раз больше сопротивления коллекторных резисторов, и меньше произведения Rк * h21.В нашем случае
Rmin = 3,6 * 5 = 18 кОм, а Rmax = 3,6 * 50 = 180 кОм
Таким образом, значения сопротивлений Rб (R2 и R3) могут находиться в пределах 18…180 кОм. Предварительно выбираем среднее значение = 100 кОм. Но оно не окончательно, так как нам необходимо обеспечить требуемую частоту мультивибратора, а как я писал ранее, частота мультивибратора напрямую зависит от базовых резисторов R2 и R3, а также от ёмкости конденсаторов.
5. Вычислим ёмкости конденсаторов С1 и С2 и при необходимости пересчитаем значения R2 и R3
Значения ёмкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT2. Именно во время действия этого импульса наша лампочка должна загораться. А в условии было задана длительность импульса 1 секунда.
Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С1 = 1сек / 100кОм = 10 мкФ
Конденсатор, ёмкостью 10 мкФ имеется в номинальном ряде, поэтому он нас устраивает.
Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С2 = 4сек / 100кОм = 40 мкФ
исходя из длительности паузы и ёмкости конденсатора С2:
R3 = 4сек / 47 мкФ = 85 кОм
По номинальному ряду, ближайшее значение сопротивления резистора равно 82 кОм.
Итак, мы получили номиналы элементов мультивибратора:
R1 = 3,6 кОм, R2 = 100 кОм, R3 = 82 кОм, R4 = 3,6 кОм, С1 = 10 мкФ, С2 = 47 мкФ
6. Рассчитаем номинал резистора R5 буферного каскада
Сопротивление добавочного ограничительного резистора R5 для исключения влияния на мультивибратор выбирается не менее чем в 2 раза больше сопротивления коллекторного резистора R4 (а в некоторых случаях и более). Его сопротивление вместе с сопротивлением эмиттерно-базовых переходов VT3 и VT4 в этом случае не будет влиять на параметры мультивибратора.
R5 = R4 * 2 = 3,6 * 2 = 7,2 кОм
По номинальному ряду ближайший резистор равен 7,5 кОм.
При номинале резистора R5 = 7,5 кОм, ток управления буферным каскадом будет равен:
Iупр. = (Uи.п. – Uбэ) / R5 = (12в – 1,2в) / 7,5кОм = 1,44 мА
Общая нагрузка на коллектор транзистора VT2 в пределах нормы. В случае её превышения максимального тока коллектора указанного по справочнику и умноженное на коэффициент 0,8 , увеличьте сопротивление R4 до достаточного снижения тока нагрузки, либо используйте более мощный транзистор.
7.Нам необходимо обеспечить ток на лампочке
Iн = Рн / Uи.п. = 15Вт / 12В = 1,25 А
Но ток управления буферным каскадом равен 1,44мА. Ток мультивибратора необходимо увеличить на значение, равное отношению:
Iн / Iупр. = 1,25А / 0,00144А = 870 раз
Как это сделать? Для значительного усиления выходного тока
Управляемые генераторы вообще и одновибраторы в частности радиолюбители чаще всего выполняют на типовых микросхемах групп АГ и ГГ. Между тем нестандартные реализации таких генераторов, кроме оптимизации конструкции, подчас предопределяют появление ряда новых интересных эффектов и свойств того или иного устройства в целом. Однако публикаций на эту тему в "Радио" и другой популярной литературе очень немного. Автор этой статьи делится опытом в освоении управляемых одновибраторов, построенных по нетривиальной схеме.
Описанный в [1] (схема - на рис. 8,а) одновибратор на триггере обладает довольно широкими возможностями, однако ему присущи и некоторые недостатки. Во-первых, зарядка конденсатора С1 происходит через выходное сопротивление триггера. На рис. 1 ,а показан фрагмент схемы этого одновибратора с времязадающими цепями, выходное сопротивление Rвых условно показано вне триггера. Изменение Rвых влияет на длительность формируемого импульса. Во-вторых, велико (относительно длительности формируемого импульса) время восстановления напряжения на конденсаторе до заданного уровня. В-третьих, отсутствует функциональная возможность электронного управления длительностью выходного импульса, что сужает область применения узла.
Рассмотрим цепи зарядки и разрядки конденсатора С1 в одновибраторе. На этапе формирования временного интервала Tо конденсатор заряжается от 0 (точнее, от остаточного напряжения) до порогового напряжения Uпор по цепи: плюсовой вывод источника питания- Rвых-R1-С1-общий провод.
На этапе восстановления конденсатор разряжается от Uпор до 0 сначала через диод VD1 и выходное сопротивление Rвых, а в конце, когда закрывается диод VD1, - через резистор R1.
Диод практически полностью закрывается при уменьшении напряжения на нем ниже 0,5. 0,6 В, и конденсатор заканчивает разрядку с такой же постоянной времени, как и при формировании временного интервала. Таким образом, при ужесточении требований к остаточному напряжению на конденсаторе время восстановления увеличивается, ограничивая допустимую частоту следования импульсов при заданной погрешности восстановления.
Конечно, время восстановления может быть существенно уменьшено для приведения конденсатора в исходное состояние применением дополнительного
разрядного транзистора, однако это усложнит и удорожит конструкцию. Оказывается, уменьшить время восстановления одновибратора и расширить его функциональные возможности можно без усложнения довольно простым путем.
В одновибраторе по схеме на рис. 1 ,б деталей столько же, но правый вывод резистора R1 подключен к плюсовому проводу питания. Здесь выходное сопротивление триггера не влияет на длительность зарядки конденсатора С1.
Конденсатор С1 заряжается от напряжения Uд на диоде VD1 до Uпор по цепи: плюсовой провод питания-резистор R1-конденсатор С1-общий провод, а разряжается - от Uпор до Uд через диод VD1-выходное сопротивление Rвых.
Таким образом, в одновибраторе по схеме на рис. 1 ,б, во-первых, отсутствует влияние выходного сопротивления триггера на формируемый временной интервал, и, во-вторых, исключена вторая часть этапа восстановления (разрядка конденсатора через резистор), увеличивающая общее время восстановления. Действительно, диод после завершения формирования одновибратором заданного промежутка времени остается открытым током, протекающим через резистор R1. Сопротивление диода остается малым, что и обеспечивает быстрое восстановление исходного напряжения на конденсаторе. Правда, это несколько увеличивает расход мощности одновибратором в режиме ожидания.
На рис. 2 показаны диаграммы напряжения на входе R триггера на этапе восстановления для одновибратора по схеме рис. 1 ,а (кривая 1) и рис, 1 ,б (кривая 2). В обоих случаях разрядка конденсатора до напряжения закрывания диода Uд (для кремниевого диода - около 0,5. 0,6 В) практически заканчивается к моменту t1. Для второго случая восстановление на этом практически заканчивается, поэтому время восстановления близко к t1-t0.
В первом же случае конденсатор должен разрядиться почти до нуля, но из-за того, что после момента t1 диод закрыт, разрядка затягивается и даже через время R1-C1 напряжение на конденсаторе будет равно 0,6/е = 0,2 В (е - основание натурального логарифма). Поэтому время восстановления здесь существенно больше.
Одновибратор по схеме рис. 1 ,б обладает еще одним существенным преимуществом - на вывод резистора R1 может быть подано напряжение не с плюсового провода питания, а например, от источника с регулируемым напряжением, чем достигается возможность управления длительностью импульса электронным способом изменением напряжения на выводе резистора. Схема управляемого одновибратора изображена на рис. 3, а характеристики управления - на рис.4,кривая 1.
Отметим, что при равенстве значений постоянной времени RC-цепи одновибраторов по рис. 1,а и 3 и Uynp = Uпит длительность То выходного импульса второго несколько меньше, чем первого. Причина этого состоит в том, что конденсатор С1 второго одновибратора заряжается не от нуля, а от некоторого начального напряжения Uд, поэтому конденсатор зарядится до Uпор за меньшее время.
Интервал значений управляющего напряжения должен удовлетворять условию: Uпор
Следует учесть, что в одновибраторах по рис. 1 ,б, 3 и 5 резисторы служат для того, чтобы задать некоторый ток, заряжающий конденсатор С1. Этот ток может быть обеспечен в отсутствие резисторов внешним источником управляющего тока, собранным, например, на р-п-р транзисторах. Подобное решение позволяет реализовать обратно пропорциональную зависимость длительности формируемого импульса от управляющего тока.
Номиналы резисторов одновибраторов по схеме на рис. 3 и 5 допустимо варьировать в широких пределах - от 10 кОм и более, конденсаторов - от 100 пФ и более. Для обеспечения возможности увеличения емкости конденсатора необходимо последовательно с диодом включить еще один резистор, ограничивающий ток разрядки конденсатора. Длительность импульса при Uупр=Uпит, имея в виду условие (4), нужно оценивать по соотношениям, изложенным в [1].
Рассмотренный управляемый одновибратор требует для реализации 1/2 корпуса микросхемы, а описанный, например, в [2] (на рис. 2) - 3/4 корпуса. Вообще же, RS-триггер для одновибратора может быть выполнен на различных логических элементах и узлах цифровой техники [3]. Соединение в кольцо двух одновибраторов позволяет реализовать управляемый по двум входам импульсный генератор с широким перекрытием по частоте и скважности.
1. Алексеев С. формирователи и генераторы на микросхемах структуры КМОП. - Радио, 1985, № 8, с. 31 - 35.
2. Игнатенко А. Генератор, управляемый напряжением. - Радио, 1994, № 6, с. 22.
3. Самойленко А. Варианты построения RS-триггера. - Радио, 1998, № 9, с. 53 - 56.
Читайте также: