Мультивибратор

Принципиальная схема "классического" простейшего транзисторного мультивибратора

Мультивибратор - релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем , так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник - в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»).

Бистабильный мультивибратор

Бистабильный мультивибратор - разновидность ждущего мультивибратора, который имеет два стабильных состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, переключаются эти состояния сигналами, поданными на разные входы, как показано на рис. 3. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS-типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который подаются импульсы различной либо одной полярности.

Бистабильный мультивибратор кроме выполнения функции триггера применяется также для построения генераторов, синхронизированных с внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определенного времени с момента последнего переключения и происходит в момент поступления синхронизирующего сигнала.

На рис. 4 показан пример синхронизированного генератора, выполненного с использованием синхронного D-триггера. Переключение мультивибратора происходит при положительном перепаде напряжения на входе (по фронту импульса).

Для генерирования прямоугольных импульсов с частотой свыше можно использовать схемы, работающие по тому же принципу, что и схема на рис. 18.32. Как показано на рис. 18.40, в качестве компаратора в таких схемах используют простейший дифференциальный усилитель.

Положительная обратная связь в схеме триггера Шмитта обеспечивается непосредственным соединением выхода усилителя с его -входом, т. е. сопротивление резистора в делителе напряжения выбирают равным нулю. Согласно формуле (18.16), в такой схеме должен был получиться бесконечно большой период колебаний, однако это не совсем так. При выводе этого уравнения предполагалось, что усилитель, используемый в качестве компаратора, имеет бесконечно большой коэффициент усиления, т.е. что процесс переключения схемы происходит при разности входных напряжений, равной нулю. В этом случае порог переключения схемы будет равен выходному напряжению, и напряжение на конденсаторе С достигнет этой величины только за очень большое время.

Рис. 18.40 Мультивибратор на базе дифференциального усилителя.

Схема дифференциального усилителя, на базе которой выполнен генератор на рис. 18.40, имеет довольно низкий коэффициент усиления. По этой причине схема переключится еще до того, как разность входных сигналов усилителя станет равной нулю. Если, например, такую схему реализовать, как показано на рис. 18.41, на базе линейного усилителя, изготовленного по ЭСЛ-технологии (например, на базе интегральной микросхемы то разность входных сигналов, при которой происходит переключение схемы, составит около При амплитуде выходного напряжения около типичной для схем, выполненных на базе ЭСЛ-технологии, период импульсов генерируемого сигнала равен

Рассмотренная схема позволяет генерировать импульсное напряжение с частотой до

Аналогичный генератор может быть также выполнен на основе ТТЛ-схем. Для этих целей подходит готовая микросхема-триггер Шмитта (например, 7414 или 74132), так как она уже имеет внутреннюю положительную обратную связь. Соответствующее включение такой микросхемы показано на рис. 18.42. Так как через резистор триггера Шмитта должен протекать входной ток ТТЛ-элемента, то его сопротивление не должно превышать 470 Ом. Это необходимо для уверенного переключения схемы на нижнем пороге срабатывания. Минимальная величина этого сопротивления определяется выходной нагрузочной способностью логического элемента и равняется около 100 Ом. Пороги срабатывания триггера Шмитта составляют 0,8 и 1,6 В. Для амплитуды выходного сигнала около 3 В, типичного для ИС ТТЛ-типа, частота импульсов генерируемого сигнала равна

Максимально достижимое значение частоты составляет около 10 МГц.

Наиболее высокие частоты генерации достигаются при использовании специальных схем мультивибраторов с эмиттерными связями (например, микросхемы или Принципиальная схема такого мультивибратора представлена на рис. 18.43. Кроме того, указанные интегральные микросхемы снабжены дополнительными оконечными каскадами, выполненными на базе ТТЛ- или ЭСЛ-схем.

Рассмотрим принцип действия схемы. Допустим, что амплитуда переменных напряжений во всех точках схемы не превышает величины Когда транзистор закрыт, напряжение на его коллекторе практически равно напряжению питания. Напряжение на эмиттере транзистора составляет Ток эмиттера

Рис. 18.41. Мультивибратор на основе линейного усилителя, выполненного по ЭСЛ-технологии.

Рис. 18.42. Мультивибратор на основе триггера Шмитта, выполненного по ТТЛ-технологии. Частота

Рис. 18.43. Мультивибратор с эмиттерными связями.

транзистора равен Чтобы при этом на резисторе выделялся сигнал желаемой амплитуды, его сопротивление должно составлять Тогда в рассматриваемом состоянии схемы напряжение на эмиттере транзистора будет равно . В течение времени, когда транзистор закрыт, ток левого по схеме источника течет через конденсатор С. в результате чего напряжение на эмиттере транзистора снижается со скоростью

Транзистор Т открывается, когда напряжение на его эмиттере снижается до значения При этом напряжение на базе транзистора снижается на 0,5 В и транзистор закрывается, а напряжение на его коллекторе возрастает до величины За счет наличия эмиттерного повторителя на транзисторе с ростом напряжения на коллекторе транзистора увеличивается также и напряжение базы транзистора . Вследствие этого напряжение на эмиттере транзистора скачком увеличивается до значения Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на эмиттер транзистора так что напряжение в этой точке скачком увеличивается от до

В течение времени, когда транзистор закрыт, ток протекающий через конденсатор С, вызывает снижение напряжения на эмиттере транзистора со скоростью

Транзистор остается закрытым до тех пор, пока потенциал его эмиттера не снизится от значения до значения Для транзистора это время составляет

Принципиальная схема мощного транзисторного мультивибратора с управлением, построен на транзисторах КТ972, КТ973. Многие радиолюбители начинали свой творческий путь со сборки простых радиоприёмников прямого усиления, несложныхусилителей мощности звуковой частоты и сборки простых мультивибраторов, состоящих из пары транзисторов, двух или четырёх резисторов и двух конденсаторов.

Традиционный симметричный мультивибратор обладает рядом недостатков, среди которых относительно высокое выходное сопротивление, затянутые фронты импульсов, ограниченное напряжение питания, невысокий КПД при работе на низкоомную нагрузку.

Принципиальная схема

На рис. 1. представлена схема управляемого симметричного двухфазного мультивибратора, работающего на звуковых частотах, нагрузка к которому подключается по мостовой схеме Благодаря этому, размах амплитуды сигнала на нагрузке почти вдвое превышает напряжение питания мультивибратора, что позволяет получитъ значительно большую громкость, по сравнению с тем, если бы нагрузка была бы включена в одно из плеч мультивибратора.

Кроме того, на нагрузку подаётся «настоящее» напряжение переменного тока, что значительно улучшает условия работы подключенной в качестве нагрузки динамической головки - отсутствует эффект вдавливания или выпячивания диффузора (в зависимости от полярности включения динамика). Также отсутствуют щелчки при включении или выключении мультивибратора.

Рис. 1. Принципиальна ясхема мощного мультивибратора на транзисторах КТ972, КТ973.

Симметричный двухфазный мультивибратор состоит из двух двухтактных плеч, напряжение на которых попеременно меняется с низкого уровня на высокий. Допустим, что при включении питания, первым открылся составной транзистор VТ2.

Тогда напряжение на выводах коллекторов транзисторов VТ1, VТ2 станет близко к нулю (VТ1 открыт, VТ2 закрыт) К точке соединения их коллекторов через токоограничительный резистор R12 подключен составной р-п-р транзистор VТ5, который откроется. К нагрузке будет приложено напряжение около 8 В при напряжении питания мультивибратора 9 В. С перезарядом конденсаторов С2, С4, мультивибратор переключится - VТ1, VТ6 откроются, VТ2, VТ5 закроются.

К нагрузке будет приложено такое же напряжение, но в обратной полярности. Частота переключения мультивибратора зависит от ёмкости конденсаторов С2, С4, и, в меньшей степени, от установленного сопротивления подстроечного резистора R7. При напряжении питания 9 В частоту можно перестраивать от 1,4 до 1,5 кГц.

При уменьшении сопротивления R7 ниже условного значения, генерация звуковых частот срывается. Следует отметить, что после запуска мультивибратор может работать без резисторов R5, R11. Форма напряжения на выходе мультивибратора близка к прямоугольной.

Резисторы R6, R8 и диоды VD1, VD2 защищают эмиттерные переходы транзисторов VТ2, VТ6 от пробоя, что особенно актуально при напряжении питания мультивибратора более 10В. Резисторы R1, R13 необходимы для устойчивой генерации, при их отсутствии мультивибратор может «хрипеть». Диод VD3 защищает мощные транзисторы от переполю-совки напряжения питания При его отсутствии и при достаточной мощности источника питания при переполюсовке напряжения встроенные защитные дирды транзисторов могут оказаться повреждёнными.

Чтобы расширить функциональные возможности этого мультивибратора, в него введена возможность включения/выключения при подаче напряжения положительной полярности на вход управления. Если управляющий вход никуда не подключен или напряжение на нём не более 0,5 В, транзисторы VТЗ, VТ4 закрыты, мультивибратор работает.

При подаче на вход управления напряжения высокого уровня, например, с выхода ТТЛШ. КМОП микросхем, датчика электрических или неэлектрических величин, например, датчика влажности, транзисторы VТЗ, VТ4 открываются, мультивибратор затормаживается. В таком состоянии мультивибратор потребляет ток менее 200 мкА, без учета тока через R2, R3, R9.

Детали и монтаж

Мультивибратор можно смонтировать на печатной плате размерами 70*50 мм, эскиз которой показан на рис. 2 Постоянные резисторы можно использовать любые малогабаритные. Подстроечный резистор РП1-63М, СП4-1 или аналогичный импортный. Оксидные конденсаторы К50-29, К50-35 или аналоги Конденсаторы С2, С4 - К73-9, К73-17, К73-24 или любые плёночные малогабаритные.

Рис. 2. Печатная плата для схемы мощного мультивибратора на транзисторах.

Диоды КД522А можно заменить на КД503. КД521. Д223 с любым буквенным индексом или импортными 1N914, 1N4148. Вместо диодов КД226А и КД243А подойдёт любой из серий КД226, КД257, КД258, 1 N5401 ...1 N5407.

Составные транзисторы КТ972А можно заменить любым из этой серии или из серии КТ8131, а вместо КТ973 любой из серии КТ973, КТ8130. При необходимости, мощные транзисторы устанавливают на небольшие теплоотводы. При отсутствии таких транзисторов, их можно заменить аналогами из двух транзисторов, включен ных по схеме Дарлингтона, рис. 3. Вместо маломощных п-р-п транзисторов КТ315Г подойдут любые из серий КТ312, КТ315, КТ342, КТ3102, КТ645, SS9014 и аналогичные.

Рис. 3. Принципиальная схема эквивалентной замены транзисторов КТ972, КТ973.

Нагрузкой этого мультивибратора может бытъ динамическая головка, телефонный капсюль, пьезокерамический излучатель звука, импульсный повышающий/понижающий трансформатор.

При использовании динамической головки с сопротивлением обмотки 8 Ом, следует учитывать, что при напряжении питания 9 В на нагрузку будет поступать 8 Вт мощности напряжения переменного тока. Поэтому, двух...четырёхваттная динамическая головка может бытъ повреждена уже через 1...2 минуты работы.

Налаживание

На рабочую частоту мультивибратора значительное влияние оказывает ёмкость нагрузки и напряжение питания. Например, при изменении напряжения питания от 5 до 15 В частота изменяется с 2850 до 1200 Гц при работе на мультивибратора на нагрузку в виде телефонного капсюля с сопротивлением обмотки 56 Ом. В области малых напряжений питания изменение рабочей частоты более значительно

Подбором сопротивлений резисторов R5, R11, R6, R8 можно задать форму импульсов почти строго прямоугольной при работе мультивибратора с конкретной подключенной нагрузкой при заданном напряжении питания.

Этот мультивибратор может найти применение в различных сигнальных устройствах, устройствах звукового оповещения, когда при небольшом имеющемся напряжении источника питания требуется получить значительную мощность на излучателе звука. Кроме того, его удобно использовать в преобразователях низкого напряжения в высокое, в том числе, работающих на низкой частоте осветительной сети 50 Гц.

Бутов А. Л. РК-2010-04.

Простые схемы самодельных светодиодных мигалок на основе транзисторных мультивибраторов. На рисунке 1 показана схема мультивибратора, переключающего два светодиода. Светодиоды мигают поочередно, то есть, когда горит HL1, светодиод НL2 не горит, а наоборот.

Можно вмонтировать схему в ёлочную игрушку. Когда включено питание игрушка будет мигать. Если светодиоды будут разного цвета, то игрушка будет одновременно с миганием и менять цвет свечения.

Частоту мигания можно изменять подбором сопротивлений резисторов R2 и R3, кстати, если эти резисторы будут не одинаковых сопротивлений можно добиться того, что один светодиод будет светиться дольше другого.

Но, двух светодиодов для даже самой маленькой настольной ёлочки как-то маловато. На рисунке 2 показана схема, переключающая две гирлянды по три светодиода. Светодиодов стало больше, больше и напряжение, необходимое для их питания. Поэтому теперь источник не 5-вольтовый, а 9-вольтовый (или 12-вольтовый).

Рис.1. Схема самой простой мигалки на светодиодах и транзисторах.

Рис.2. Схема простой мигалки на шести светодиодах и двух транзисторах.

Рис. 3. Схема светодиодной мигалкис мощными выходами для нагрузки.

В качестве источника питания можно использовать блок питания от старой телеигровой приставки вроде «Денди» или купить в магазине недорогой «сетевой адаптер» с выходным напряжением 9V или 12V.

И все же, даже шести светодиодов для домашней ёлки недостаточно. Хорошо бы увеличить число светодиодов втрое. Да и светодиоды использовать не простые, а сверх яркие. Но, если в каждой гирлянде будет уже по девять последовательно включенных светодиодов, да еще и сверх ярких, то суммарное напряжение, необходимое для их свечения будет уже 2,3Vх9=20,7V.

Плюс, еще несколько вольт необходимых для функционирования мультивибратора. При том в продаже обычно «сетевые адаптеры» из числа недорогих, не более чем на 12V.

Выйти из положения можно, если разделить светодиоды на три группы по три штуки. И группы включить параллельно. Но это приведет к возрастанию тока через транзисторы и нарушит работу мультивибратора. Впрочем, можно сделать дополнительные усилительные каскады на еще двух транзисторах (рис. 3).

Две гирлянды - хорошо, но они просто мигают поочередно. Вот если бы хотя бы три! Для такого случая существует так называемая схема «трехфазного мультивибратора». Она показана рисунке 4.

Рис.4. Схема мультивибратора на трех транзисторах.

Если в коллекторных цепях транзисторов включить светодиодные гирлянды (рис.5), получится своеобразный эффект бегущего огня. Скорость воспроизведе ния светового эффекта можно регулировать заменяя конденсаторы С1, С2 и С3 конденсаторами других емкостей. А так же заменяя резисторы R2, R4, R6 резисторами другого сопротивления. При увеличении емкости или сопротивления скорость переключения светодиодов снижается.

Рис. 5. Схема мультивибратора для получения эффекта бегущего огня.

А на рисунке 6 - умощненный вариант на 27 светодиодов. В «мигалках» по схемам на рисунках 3 и 6 можно использовать практически любые светодиоды, но все же желательно сверх яркие или супер яркие.

Рис. 6. Схема умощненного варианта мигалки на 27 светодиодах.

Монтаж можно выполнить на макетных печатных платах, которые продаются в магазинах радиодеталей. Либо вообще без плат, спаяв детали между собой.

Мультивибратор схема которого показана на рисунке 1 представляет собой каскадное соединение транзисторных усилителей где выход первого каскада подключен ко входу второго через цепь содержащую конденсатор и выход второго каскада подключен ко входу первого через цепь содержащую конденсатор. Усилители мультивибратора представляют собой транзисторные ключи которые могут находиться в двух состояниях. Схема мультивибратора на рисунке 1 отличается от схемы триггера рассмотренного в статье " ". Тем что имеет в цепях обратной связи реактивные элементы поэтому схема может генерировать несинусоидальные колебания. Найти сопротивления резисторов R1 и R4 можно из соотношений 1 и 2:

Где I КБО =0.5мкА -максимальный обратный ток коллектора транзистора кт315а,

Iкmax=0.1А - максимальный ток коллектора транзистора кт315а, Uп=3В - напряжение питания. Выберем R1=R4=100Ом. Конденсаторы C1 и C2 выбираются в зависимости от того какая требуется частота колебаний мультивибратора.

Рисунок 1 - Мультивибратор на транзисторах КТ315А

Снимать напряжение можно между точками 2 и 3 или между точками 2 и 1. На графиках ниже показано как примерно будет меняться напряжение между точками 2 и 3 и между точками 2 и 1.

T - период колебаний, t1 - постоянная времени левого плеча мультивибратора, t2 - постоянная времени правого плеча мультивибратора могут быть рассчитаны по формулам:

Задавать частоту и скважность импульсов генерируемых мультивибратором можно изменяя сопротивления подстроечных резисторов R2 и R3. Можно также заменить конденсаторы C1 и C2 переменными (или подстроечными) и изменяя их ёмкость задавать частоту и скважность импульсов генерируемых мультивибратором, такой способ, даже, более предпочтителен, поэтому если есть подстроечные (или лучше переменные) конденсаторы то лучше их использовать, а на место переменных резисторов R2 и R3 поставить постоянные. На фотографии ниже показан собранный мультивибратор:

Для того чтобы убедиться в том что собранный мультивибратор работает к нему (между точками 2 и 3) был подключен пьезодинамик. После подачи питания на схему пьезодинамик начал трещать. Изменения сопротивлений подстроечных резисторов приводили либо к увеличению частоты звука издаваемого пьезодинамиком либо к её уменьшению или к тому что мультивибратор переставал генерировать.
Программа расчёта частоты, периода и постоянных времени, скважности импульсов снимаемых с мультивибратора:

Если программа не работает то скопируйте её html код в блокнот и сохраните в формате html.
Если используется браузер Internet Explorier и он блокирует работу программы, то необходимо разрешить заблокированное содержимое.

js отключен

Другие мультивибраторы: