Содержание
Особенности подбора деталей
Разные схемы от разных авторов имеют различные номиналы радиоэлементов. И начинающий любитель радио (да и более опытные иногда) пребывает в растерянности — что конкретно туда паять чтоб не пришлось потом по 10 раз перепаивать при настройке?
Я провёл ряд экспериментов и результатами сейчас буду делиться далее:
Транзисторы. Любые N-P-N с высоким коэффициентом усиления
Не важно какие именно — брал наугад импортные из большой коробки даже не читая маркировку. Просто прикидывал мультиметром в диодном режиме прозвонки его структуру (переходы от базы к коллектору и к эмиттеру должны звониться как диоды). Работали все
Работали все.
Конденсаторы. Если нужно быстрое перемигивание — ставьте на 10 мкФ, если медленнее — 50 мкФ. Слишком большую ёмкость брать не стоит, может вообще перестать работать. Но гораздо удобнее настраивать частоту миганий подбирая…
Резисторы. Поставить базовые резисторы можете от 10 кОм, но тогда конденсаторы будут разряжаться быстро и соответственно быстро мигать. Чтоб замедлить это дело выгоднее не конденсаторы увеличивать, а сопротивления. Поставьте на 300 кОм и будет вам счастье.
Мультивибратор в автоколебательном режиме
На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями, на рисунке 2 — графики, поясняющие принцип его работы.
Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов на резиках. Выход каждого каскада соединен со входом другого каскада через кондеры С1 и С2.
Рис. 1 — Мультивибратор на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями
Мультивибратор, у которого транзисторы идентичны, а параметры симметричных элементов одинаковы, называется симметричным
Обе части периода его колебаний равны и скважность равна 2. Если кто забыл, что такое скважность, напоминаю: скважность — это отношение периода повторения к длительности импульса Q=Tи /tи. Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения
Так вот, если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным
Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения. Так вот, если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным
Мультивибратор в автоколебательном режиме имеет два состояния квазиравновесия, когда один из транзисторов находится в режиме насыщения, другой — в режиме отсечки и наоборот. Эти состояния не устойчивые. Переход схемы из одного состояния в другое происходит лавинообразно из-за глубокой ПОС.
Рис. 2 — Графики, поясняющие работу симметричного мультивибратора
Допустим, при включении питания транзистор VT1 открыт и насыщен током, проходящим через резик R3. Напряжение на его коллекторе минимально. Кондер С1 разряжается. Транзистор VT2 закрыт и кондер С2 заряжается. Напряжение на кондере С1 стремится к нулю, а потенциал на базе транзистора VT2 постепенно становится положительным и VT2 начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается и кондер С2 начинает разряжаться, транзистор VT1 закрывается. Далее процесс повторяется до бесконечности.
Параеметры схемы должны быть следующими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Длительность импульсов определяется по формуле:
Период импульсов определяется:
Ну а чтобы определить частоту, надо единицу разделить на вот эту вот хренотень (см. чуть выше).
Выходные импульсы снимаются с коллектора одного из транзисторов, причем с какого именно — не важно. Другими словами, в схеме два выхода. Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может быть достигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов, как показано на рисунке 3
Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам подключены дополнительные резики Rд1 и Rд2
Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может быть достигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов, как показано на рисунке 3. Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам подключены дополнительные резики Rд1 и Rд2 .
Рис. 3 — Мультивибратор с улучшенной формой выходных импульсов
В этой схеме после закрывания одного из транзисторов и понижения потенциалла коллектора подключенный к его коллектору диод также закрывается, отключая кондер от коллекторной цепи. Заряд кондера происходит через дополнительный резик Rд , а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится равным Eк . Максимальная длительность фронтов импульсов в коллекторных цепях определяется в основном частотными свойствами транзисторов.
Такая схема позволяет получить импульсы почти прямоугольной формы, но её недостатки заключаются в более низкой максимальной скважности и невозможностью плавной регулировки периода колебаний. На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний. На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний
На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний.
Рис. 4 — Быстродействующий мультивибратор
В этой схеме резики R2, R4 подключены параллельно кондерам С1 и С2, а резики R1, R3 ,R4, R6 образуют делители напряжения, стабилизирующие потенциал базы открытого транзистора (при токе делителя, большем тока базы). При переключении мультивибратора ток базы насыщенного транзистора изменяется более резко, чем в ранее рассмотренных схемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выход транзистора из насыщения.
Ждущий мультивибратор (одновибратор)
Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже
Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе.
Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.
Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.
Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (UНАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (UПП), которое определяется следующим выражением
На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).
Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (UВХ min) должна быть равна
В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (UНАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.
Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (UНАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением
Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.
Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.
Включение питания
В первый момент после включения питания оба транзистора начинают открываться. Откуда берётся открывающий ток? Рассмотрим на примере транзистора T1
Рис. 3. Момент включения питания: токи, открывающие транзистор
Первый, очевидный путь — через Rб1, на рисунке синяя стрелка. Второй, не столь очевидный — через конденсатор C1. Не будем забывать, что в первый момент времени конденсатор разряжен, его сопротивление практически нулевое, и в цепи возникает ток заряда через Rк2 — С1 — эмиттерный переход T1. Этот путь показан красной стрелкой.
Тут важно отметить, что коллекторные сопротивления Rк в этой схеме значительно меньше базовых Rб, как минимум на порядок, а то и на несколько. Значит, «красная» составляющая в первый момент будет давать больший вклад
Пример 2 нестабильного мультивибратора
Схема нестабильного мультивибратора построена с использованием двух синхронизирующих конденсаторов равной емкости 3,3 мкФ и двух базовых резисторов номиналом 10 кОм. Вычислите минимальную и максимальную частоту колебаний, если двухконтактный потенциометр 100 кОм соединен последовательно с двумя резисторами.
Когда потенциометр установлен на 0%, значение сопротивления базы равно 10 кОм.
при потенциометре на 100% значение сопротивления базы равно 10 кОм + 100 кОм = 110 кОм.
Тогда выходная частота колебаний нестабильного мультивибратора может быть изменена от 2,0 до 22 Гц.
При выборе значений сопротивления и емкости для надежной работы базовые резисторы должны иметь значение, позволяющее транзистору полностью включаться, когда другой транзистор выключается. Например, рассмотрим схему выше. Когда транзистор TR 2 полностью открыт, (насыщение) примерно одинаковое напряжение падает на резисторе R3 и резисторе R4 .
Если используемый транзистор имеет коэффициент усиления по току β , равный 100, а резистор нагрузки коллектора R4 равен, скажем, 1 кОм, максимальное значение резистора базы, следовательно, будет 100 кОм. Если установить более высокое значение, транзистор может не включиться полностью, в результате чего мультивибратор будет давать ошибочные результаты или вообще не будет колебаться. Точно так же, если сопротивление базового резистора слишком низкое, транзистор может не выключиться, и мультивибратор снова не будет колебаться.
Выходной сигнал может быть получен от клеммы коллектора любого транзистора в цепи нестабильного мультивибратора, причем каждая форма выходного сигнала является зеркальным отображением самого себя. Выше мы видели, что передний фронт выходного сигнала слегка закруглен, а не квадратен из-за зарядных характеристик конденсатора в схеме с перекрестной связью.
Но мы можем ввести в схему еще один транзистор, который будет генерировать почти идеально прямоугольный выходной импульс и который также можно использовать для переключения нагрузок с более высоким током или нагрузок с низким импедансом, таких как светодиоды, громкоговорители и т. Д., Не влияя на работу фактического нестабильного мультивибратора. Однако недостатком этого является то, что форма выходного сигнала не является идеально симметричной, поскольку дополнительный транзистор производит очень небольшую задержку. Рассмотрим две схемы ниже.
Схема привода нестабильных мультивибраторов
Выход с квадратным передним фронтом теперь производится третьим транзистором TR 3, подключенным к эмиттеру транзистора TR 2 . Этот третий транзистор переключает «ВКЛ» и «ВЫКЛ» одновременно с транзистором TR 2 . Мы можем использовать этот дополнительный транзистор для переключения светоизлучающих диодов, или для создания звука от преобразователя звука, такого как динамик или пьезоэхолот, как показано выше.
Нагрузочный резистор Rx необходимо выбрать подходящим образом, чтобы учесть прямые падения напряжения и ограничить максимальный ток примерно до 20 мА для цепи светодиода или обеспечить полное сопротивление нагрузки примерно 100 Ом для цепи динамика. Динамик может иметь любое сопротивление менее 100 Ом.
Подключив дополнительный транзистор TR 4 к эмиттерной схеме другого транзистора TR 1 аналогичным образом, мы можем создать нестабильную схему мультивибратора, которая будет мигать двумя наборами огней или светодиодов от одного к другому со скоростью, определяемой постоянная времени цепи синхронизации RC .
В следующем уроке о формах волны и сигналах мы рассмотрим различные типы нестабильных мультивибраторов , которые используются для создания непрерывной выходной формы волны. Эти схемы, известные как релаксационные генераторы, генерируют на своих выходах квадратную или прямоугольную волну для использования в последовательных схемах в качестве тактового импульса или сигнала синхронизации. Эти типы схем называются генераторами сигналов.
Схема
Теперь что нам понадобиться из радиоэлементов для сборки:
- 2 резистора 1 кОм
- 2 резистора 33 кОм
- 2 конденсатора 4.7 мкФ на 16 вольт
- 2 транзистора КТ315 с любыми буквами
- 2 светодиода на 3-5 вольт
- 1 источник питания типа «крона» 9 вольт
Если вам не удалось найти нужных деталей, не огорчайтесь. Данная схема не критична к номиналам. Достаточно поставить приближённые значения, на работе в целом это никак не скажется. Влияет лишь на яркость и частоту мигания светодиодов. Время мигания напрямую зависит от ёмкости конденсаторов. Транзисторы можно установить подобные маломощные n-p-n структуры. Печатную плату делаем . Размер кусочка текстолита 40 на 40 мм, можно взять и с запасом.
Файл для печати формата.lay6
качаем . Для того чтоб при монтаже было допущено как можно меньше ошибок, нанёс позиционные обозначения на текстолит. Это помогает не путаться при сборке и добавляет красоты в общий вид. Так выглядит готовая печатная плата, протравленная и просверленная:
Производим монтаж деталей в соответствии со схемой, это очень важно! Главное не перепутать цоколевку транзисторов и светодиодов
Пайке тоже стоит уделить должное внимание
Поначалу она может быть не такой изящной как промышленная, но это и не нужно. Главное обеспечить хороший контакт радиоэлемента с печатным проводником. Для этого детали перед пайкой обязательно лудим. После того как компоненты установлены и запаяны, ещё раз всё проверяем и протираем плату от канифоли спиртом. Примерно так должно смотреться готовое изделие:
Если всё было сделано грамотно, то при подаче питания мультивибратор начинает мигать. Цвет светодиодов вы выбираете сами. Для наглядности предлагаю посмотреть видео.
Симметричный мультивибратор
|
Эквивалентные схемы цепей заряда конденсаторов связи мультивибратора с анодной связью.| Схема мультивибратора, работающего в режиме автоколебаний, рассчитанного в примере 8 — 4. |
Рассчитать симметричный мультивибратор, работающий в режиме автоколебаний ( рис. 8 — 27) налампебЛ), длительность селекторного импульса которого составляет 50 мксек.
Схема симметричного мультивибратора ( рис. 12.3) представляет собой двухкаскадный усилитель напряжения с емкостной связью, в котором создана положительная обратная связь за счет соединения выходных и входных зажимов.
Синхронизация симметричного мультивибратора, в зависимости от способа подачи синхронизирующего напряжения, возможна при четных и при нечетных коэффициентах деления. В обоих случаях синхронизируются как весь период, так и его отдельные части.
Расчет симметричного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями ( рис. 8 — 7) производят следующим образом.
В симметричном мультивибраторе при С — С2 С и Rs R52Ro длительности полупериодов одинаковы.
В симметричном мультивибраторе транзисторы, сопротивления резисторов в цепях коллекторов и баз, а также емкости конденсаторов С3 и С2 одинаковы. Устойчивое состояние схемы, при котором оба транзистора отперты, невозможно. Всякое изменение одного из токов или напряжений ведет к лавинообразному процессу, в результате которого один из транзисторов запирается, а другой отпирается. Время пребывания схемы в этом состоянии определяется постоянной времени цепи разряда конденсатора С2 или Сз. Когда напряжение на конденсаторе достигнет нулевого значения, один транзистор отпирается, а другой запирается. Процесс этот повторяется, при этом амплитуда импульсов на коллекторах транзисторов близка к напряжению источника питания.
Схемы синхронизации симметричного мультивибратора при.| Временные диаграммы импульсного делителя с малой скважностью при делении частоты следования коротких импульсов.
Зовы синхронизации симметричного мультивибратора, построенные по уравнениям ( 16 — 17) — ( 16 — 20), показаны на рис. 16.8 а.
Зоны синхронизации ( п 1, 2, 3, 4 импульсного делителя с малой скважностью при делении частоты следования. а — коротких импульсов. б — прямоугольник импульсов.
б — прямоугольник импульсов.
При синхронизации симметричного мультивибратора синусоидальными колебаниями лучше всего в цепи управления подавать синфазные сигналы ( рис. 16.6 а), если необходимо получить четный коэффициент деления, и противофазные сигналы ( рис. 16.6 6), если необходимо получить нечетный коэффициент деления. Для рассмотрения каждого случая удобно представить напряжение в цепях управления в виде, показанном на рис. 16.9 а и б, где, с учетом принятой ранее идеализации, изображены оба полупериода мультивибратора на одной временной диаграмме.
|
Осцилляторные схемы симметричных мультивибраторов. |
Осцилляторные схемы симметричных мультивибраторов на транзисторах и лампах ( рис. 17.4) получены при замене одного из времяза-дающих конденсаторов мультивибратора кварцевым резонатором.
Рассмотрим работу симметричного мультивибратора, изображенного на рис. 5.50. Схема мультивибратора представляет собой двухкаскадный усилитель, замкнутый петлей положительной обратной связи.
Рассмотрим работу симметричного мультивибратора, как наиболее простого. Так как схема симметричная, то можно предположить, что после ее включения токи в транзисторах и напряжения на конденсаторах достигнут одинаковой величины и мультивибратор будет находиться в равновесии.
Автоколебательный режим мультивибратора.
В автоколебательном режиме мультивибратор возбуждается и генерирует прямоугольные импульсы сразу же после включения источника питания. Процесс возбуждения и генерирования импульсов показан графиками на рис.2.
В момент включения питания транзисторы обеих плеч мультивибратора начинают открываться, т.к. на их базы через базовые резисторы подается отрицательное напряжение смещения.
Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 — через базово-эмиттерный переход VT2 и резистор Rк1, С2 — через VT1 и Rк2. Нужно заметить, что при подаче постоянного напряжения на конденсаторы ток проходит через них только во время заряда. Так вот, во время заряда ток проходит через конденсаторы, транзисторы и резисторы у которых в реальности, даже при тщательном подборе идентичных пар, не будет идеального совпадения параметров. У транзисторов будет хоть какая-та разница коэффициентов передачи токов; от различия параметров базовых резисторов будет отличатся величина напряжения смещения на базах транзисторов и т.д.
Предположим, что в момент включения источника питания транзистору VT1 повезло и у него ток больше, чем у соседа VT2. Вследствие этого падение напряжения на Rк1 будет больше чем у Rк2. Так как напряжение источника коллекторного питания отрицательно, то поэтому потенциал коллектора VT1 станет менее отрицательным, а у VT2 — более отрицательным. Но так как изменения через конденсаторы передаются на базы транзисторов, то это приведет к еще большему нарастанию тока коллектора VT1 и его насыщению, а ток VT2 уменьшится и он запрется. Конденсаторы оказываются заряженными до напряжений близких к Еп (полярность указана на рис.1).
На рис.2 показаны эти процессы за период от «0» до «to», где приводятся графики следующих напряжений: Uc1, Uc2 — на обкладках конденсаторов; Uб1, Uб2 — смещения на базах; Uк1, Uк2 — выходные сигналы мультивибратора.
После прекращения изменений коллекторных токов конденсатор С1 сравнительно медленно разряжается через
Rб1, Rб2, источник питания и переходы открытого VT1. Напряжения конденсатора Uc1 и базы транзистора Uб2 убывают по экспоненте ( на графике период to — t1), и когда положительный потенциал Uб2 уменьшится и станет отрицательным — VT2 отпирается. Это приводит к уменьшению его отрицательного потенциала на коллекторе, который передается через С2 на базу VT1 и ускоряет его запирание. Этот лавинообразный процесс длится до тех пор, пока VT1 не войдет в режим отсечки, а VT2 — в режим насыщения (точка t1).
Таким образом, возникает состояние, противоположное исходному, которое затем в результате выше описанному процессу, вновь переходит в исходное. Таким путем поддерживаются колебания в мультивибраторе.
В симметричном мультивибраторе время заряда конденсатора меньше времени раздяда, т. к. Rк
Частота колебаний мультивибратора определяется постоянными времени разряда τр = Rб1·С2 = Rб2·С1 и ее можно примерно определить по формуле:
где f — частота в Гц;
Rб — сопротивление базового резистора в кОм;
С — емкость конденсатора связи в мкФ.
Схемы генераторов световых и звуковых импульсов
На рис. 8, 9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений.
Рис. 8. Схема генератора световых импульсов, собранного на транзисторах.
Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты. Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое.
Рис. 9. Схема генератора звуковых импульсов собранного на транзисторах.
Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 8) можно включить генератор по схеме на рис. 9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.
Интегральная микросхема LM3909
Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры, показанный на рис. 2, послужил прототипом монолитной интегральной микросхемы (ИМС) фирмы National Semiconductor, разработанной специально для питания от гальванических элементов напряжением 1,5 В . Устройства на её основе обладают высокой экономичностью и обеспечивают большой срок работы без замены элементов питания. Упрощённая принципиальная схема LM3909 представлена на рис. 8. Используется всего два навесных элемента: светодиод HL1 и конденсатор C1, определяющий частоту генерируемых импульсов и одновременно участвующий в работе схемы «вольтодобавки“. Это позволяет работать со светодиодами, имеющими прямое падение напряжения 1,6…2,0 В при напряжении питания 1,5 В и менее.
Рис. 8. Структурная схема – типовая схема включения ИМС LM3909. Ток потребления 0,32 мА
Максимальное напряжение питания микросхемы не должно превышать 6 В. Для защиты микросхемы при работе на пороге максимальных питающих напряжений служит стабилитрон VD1.
Устройства на микросхеме LM3909 могут найти применение в игрушках, рекламных изделиях, индикаторах предупреждения и т.п. Использование ИМС LM3909 рассмотрено в целом ряде радиолюбительской литературы .
