Краткие теоретические сведения о работе мультивибратора

Мультивибратором называется релаксационный генератор, вырабатывающий электрические импульсы, форма которых близка к прямоугольной.

G

Название этого генератора отражает тот факт, что в спектральный состав сигнала, существенно отличающегося от гармонического (в данном случае – сигнал прямоугольной формы), входит большое число ( мульти ) гармонических составляющих. Это важно знать для оценки влияния такого сигнала на различные электрические цепи.

Длительность импульса у релаксационных генераторов определяется временем исчезновения (по латыни relaxatio) электрического или магнитного поля в одном из входящих в состав генераторов накопителе энергии, например, конденсаторе. Управление процессом накопления и расхода энергии осуществляется с помощью электронных ключей.

Форма выходных импульсов мультивибратора зависит от номиналов элементов схемы и может отличаться от прямоугольной. Ниже на рис.1 приводится общее представление реальных прямоугольных импульсов и основные их параметры.

Рис.1. Характерные участки и параметры импульсов

Импульсы имеют следующие характерные участки: 1-2 - фронт, 2-3 - вершина, 3-4 - срез (задний фронт). При работе с импульсами используют их параметры:

1. Амплитуда (высота) U _m ( I _m) - наибольшее значение напряжения (тока) импульса данной формы.

2. Длительность импульса t_И - это время от начала действия импульса до его завершения. Измеряется по основанию импульса или на уровне 0, 1 U_m, если границы импульса сильно скруглены. Имеет размерность времени.

3. Длительность фронта t_Ф , определяется временем нарастания импульса от 0 до U_m. В инженерной практике для импульсов скругленной формы под t_Ф понимают время нарастания импульса от 0, 1 U_m до 0, 9 U_m.

4. Длительность среза t_С , определяется временем спада импульса (в пределах 0, 9...0, 1 U_m). Чем меньше величины t_Ф и t_С тем ближе форма импульса к прямоугольной.

5. Период повторения Т – временной интервал между началами или окончаниями двух однополярных импульсов.

6. Частота повторения импульсов F - величина, обратная периоду (F = 1/Т). Измеряется в импульсах в секунду.

7. Пауза t_П - интервал времени между импульсами: t_П=Т- t_И

8. Скважность Q - отношение периода колебаний к длительности импульса, Q = Т / t_И . Если длительность импульса равна длительности паузы (t_И = t_П ), то Q =2 и такой сигнал носит название меандр.

9. Коэффициент заполнения g - величина, обратная скважности g = 1/Q

10. Крутизна фронта S _ф или среза S _С, - отношение амплитуды импульса к длительности фронта или среза: S_Ф = U_m / t_Ф, S_С = U_m / t_С, (В/с). Характеризует скорость нарастания или спада импульса.

Наиболее распространенная схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями представлена на рис. 2.

Особенностью схемы является то, что транзисторы работают здесь в ключевом режиме. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов. Длительность импульса определяется временем нахождения транзистора в закрытом состоянии (когда на его коллекторе присутствует напряжение)[5]. Обычно схема мультивибратора выполняется симметричной на транзисторах с одинаковыми параметрами и при R_K1= R_K2= R_K, R_Б1= R_Б2= R_Б, С₁= С₂= С.

Современная схемотехника в основном базируется на транзисторных структурах n-p-n типа, для которых протекание токов и падения напряжений происходят сверху вниз (от плюса источника питания к его минусу по схеме), что удобно для анализа. Однако, лабораторная база построена на транзисторах p-n-p типа, поэтому все дальнейшие рассуждения будут отнесены именно к этому типу транзисторов.

Рис 2. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми

емкостными связями

Мультивибратор представляет собой автоколебательную систему с положительной обратной связью, которая реализуется с помощью конденсаторов C1 и С2. Однако в режиме отсечки (транзистор закрыт) положительная обратная связь будет практически разорвана. Поэтому она существует при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то есть в активном режиме работы транзисторов. Последнее обуславливает большую скорость переключения транзисторов за счет значительного коэффициента усиления по току и действия положительной обратной связи. Графики изменения во времени коллекторных и базовых напряжений транзисторов показаны на рис. 3. Здесь же стрелками показаны направления воздействия сигналов.

Работу мультивибратора рассмотрим с момента времени t₁, когда после очередного опрокидывания транзистор VT1 открылся (перешел в режим насыщения, при этом –U_КЭ1 » 0, см. рис. 3, б) и через него начался разряд конденсатора C1 (см. рис. 3, в), заряженного ранее до напряжения U_Cm ≈ Eк, разрядный ток которого протекает по цепи (см. рис. 2):

+ С1 ® R_Б2 ® -Eк ® R_Ек » 0 ® +Е_К ® э-к VT1 ® - C1

G

Поскольку в режиме насыщения сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT1 практически равно нулю, можно считать, что в момент t₁ левая, отрицательно заряженная, обкладка конденсатора С1 соединится с общим проводом (эмиттером VT2) и все напряжение заряда конденсатора U_C2 = +E_К приложится к переходу база-эмиттер транзистора VT2 (плюсом к базе, т.е. U_БЭ2 = +U_C2), переводя его в режим отсечки (U_КЭ2 = –Е_К).

Если пренебречь влиянием на процесс разряда конденсатора С1 входной цепи закрытого транзистора VT2 (напряжение U_С1 является обратным для p-n перехода база-эмиттер) и сопротивления эмиттер - коллектор

Рис.3. Временные зависимости коллекторных (выходных)

и базовых напряжений симметричного мультивибратора

открытого (насыщенного) транзистора VT1, то его разряд происходит с постоянной времени

t_Р = С₁× R_Б2 = С× R_Б. (1)

При этом изменение напряжения на конденсаторе С1 отзначения U_Cm ≈ E_Кпри разряде определяется выражением:

, (2)

Одновременно в момент времени t₁ начинается заряд конденсатора C2 (см. рис. 3, а) по цепи (см. рис. 2):

+Е_К ® э-б VT1 ® С2 ® R_К2 ® -E_К

Постоянная времени заряда конденсатора

t_З = С₂× R_К2 = С× R_К (3)

Изменение напряжения на конденсаторе С2 при заряде определяется выражением:

, (4)

Для обеспечения автоколебательного режима работы необходимо, чтобы выполнялось условие t_Р > t_З. В симметричном мультивибраторе это условие схемно реализуется путем выбора R_Б> R_К.

Во время заряда конденсатора С2 ток базы открытого транзистора VT1 состоит из двух составляющих: тока через резистор R_Б1 и тока заряда конденсатора С2, т.е.

I_Б1 = I_RБ1 + I_{ЗАР С2}. (5)

Этим объясняется отрицательный пик напряжения на базе транзистора VT1 (см. рис. 3, а) в момент его открывания t₁, поскольку

U_БЭ1 = I_Б1× R_БЭ1. (6)

M

Наличие зарядного тока I _{ЗАР С2} приводит к искажению фронта импульса на коллекторе закрытого транзистора VT2 (см. рис. 3, г), что следует из выражения

–U_KЭ2 = – (E_K – I_ЗАР.С2R_K2). (7)

Поскольку ток I_ЗАР.С2 = , то при t=0 (в момент времени начала заряда t₁) этот ток имеет наибольшее значение, равное Е_К / R_К2, при котором (из (5.6)) напряжение на коллекторе U_КЭ2 = 0 (точка А на рис. 3, г ), вместо U_КЭ2 =–Е_К (точка В), соответствующего закрытому состоянию транзистора VT2.

С ростом времени (в промежутке t₁ – t₂) ток заряда уменьшается до нуля, что приводит (см. (7)) к возрастанию напряжения на коллекторе VT2 до значения U_КЭ2 = –Е_К (см. рис. 3, г)).

После быстрого заряда конденсатора С2 (т.к. t_З < < t_Р ) к моменту времени t₂ ток базы транзистора VT1 уменьшается (спад пика U_БЭ1 при I_{ЗАР С2} = 0, (см. (5.5) и (5.6)), однако транзистор VT1 остается в открытом ( насыщенном ) состоянии за счет тока базы I_Бнас= Е_К / R_Б1(см. рис.2 и 3, а), протекающего через резистор R_Б1.

С течением времени (в промежутке t₁…t₃) напряжение конденсатора С1 уменьшается (см. (5.2)), следовательно, положительное напряжение на базе транзистора VT2 понижается. К моменту t₃ конденсатор С1 полностью разрядится до U_С1 = U_БЭ2 = 0 и начнется его перезарядка по цепи:

+E_К ® э-к VT1 ® С1 ® R_Б2 ® –Е_К

Как только напряжение на конденсаторе С1 сменит знак (U_С1=U_БЭ2 £ 0, после момента t₃, см. пунктир на рис. 3, в), появляется ток базы I_Б2 и транзистор VT2 начинает открываться. Появляется ток коллектора I_К2 и происходит повышение (уменьшение отрицательного) потенциала на коллекторе транзистора VТ2 за счет увеличения падения напряжения на R_К2 в соответствии с выражением:

– U_КЭ2 = – (Е_К – I_К2R_K2). (8)

Это повышение потенциала через конденсатор связи С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит после его выхода из насыщения к уменьшению тока коллектора I_К1. Потенциал на коллекторе транзистора VT1 понижается (становится более отрицательным, см. (8) для U_КЭ1). Это понижение потенциала на коллекторе транзистора VT1, через конденсатор связи С1 передается на базу транзистора VT2 и вызывает его дальнейшее открывание. При этом потенциал на коллекторе VT2 еще более возрастает и это изменение потенциала через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1, вызывая его дальнейшее закрывание и т.д.

За счет положительной обратной связи процесс изменения состояния транзисторов носит лавинообразный характер, происходит скачком. В результате этого процесса в момент t₃ транзистор VT1 перейдет в состояние отсечки, а транзистор VT2 полностью откроется и перейдет в насыщение.

В дальнейшем процессы будут происходить аналогично рассмотренным выше для момента t_1, только теперь начнет разряжаться конденсатор С2 и заряжаться конденсатор С1. На графиках (см. рис. 3) стрелками показаны причинно-следственные связи процессов, происходящих в схеме.

Анализ протекающих в мультивибраторе процессов показывает, что в каждом цикле колебаний длительность импульса t_И, формируемого на коллекторе закрытого транзистора , определяется временем разря­да конденсатора, соединенного с его базой (в процессе перезаряда) отнапряжения U_С = +Е_К до U_С £ 0.

Найдем это время, а значит и длительность выходного импульса. Перезаряд конденсатора от +Е_К до –Е_К (пунктирная линия на графике) не происходит, так как при достижении U_C £ 0 транзисторы переключаются и конденсатор опять быстро заряжается до +Е_К.

Приняв двойную амплитуду напряжения от +Е_К до –Е_К за U_m (т.е. U_m = 2E_K, см. рис.3, а), можно записать выражение для изменения напряжения, к моменту разряда конденсатора от +E_К до U_С = 0, соответствующего 0, 5 U_m:

0, 5U_m = U_m , (9)

откуда 0, 5 = .

Прологарифмируем это выражение, откуда найдем искомое t_И:

ln = – ,

t_И = – t_Р ·ln = –t_Р ·ln1 +t_Р ·ln2 = 0, 69t_Р (10)

tИ = tРАЗР С®0 » 0, 7∙ tР,

Таким образом, длительность импульса (на закрытом VT) равна:

(11)

гдеt_Р = R_БC - постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Пауза между импульсами t_П = T – t_И формируется на коллекторе транзистора, когда VT – открыт (U_KЭ » 0) и определяется временем закрытого состояния другого транзистора (т.е. t_П2 = t_И1).

Для симметричного мультивибратора, где С₁ = С₂ и R_Б1 = R_Б2 имеет место равенство t_И = t_П. Очевидно, что период колебаний симметричного мультивибратора

Т = t_И + t_П = 2t_И » 1, 4 R_БC (12)

Прямоугольные колебания, для которых выполняется условие равенства t_И = t_П называются меандром, при этом скважность Q = Т/ t_И = 2

Из формул (11) и (12) видно, что изменение длительности импульсов и частоты колебаний (величины, обратной периоду) возможно путем изменения величин емкостей С1 и С2 и резисторов R_Б1 и R_Б2, т.е. изменением параметров разрядных цепей конденсаторов.

В лабораторной работе исследуется мультивибратор, схема которого приведена на рис.4. В этой схеме предусмотрена возможность изменения сопротивлений резисторов в цепях баз транзисторов с помощью потенциометра R4. Это позволяет изменять постоянную времени разряда конденсаторов t_р и тем самым менять скважность – соотношение длительностей импульса и паузы при неизменном периоде колебаний (Q = Т/ t_И).

	Рис.4. Схема для исследования мультивибратора

С помощью резистора R1 можно менять величину напряжения и тока смещения транзисторов, что дает возможность изменять период и частоту колебаний мультивибратора На рис. 5 приведены начальные рабочие точки В, С и Н, характеризующие состояние транзисторов соответственно при В ерхнем, С реднем и Н ижнем положениях движка потенциометра R1

В верхнем положении потенциометра R1 имеет место максимальное смещение (точка В ) транзисторов (их базовые цепи соединены через свои R_Б с –Е_К) и схема является аналогом схемы на рис. 2, протекание процессов в которой рассмотрено выше.

В крайнем нижнем положении R1 (точка Н ) базовые цепи замыкаются на общий провод. При этом начальные базовые напряжения и токи равны нулю и транзисторы находятся в режиме отсечки (закрыты). В этом случае работа мультивибратора отличается от рассмотренной. Зарядные цепи конденсаторов остались теми же, а разрядные изменились в принципе. Теперь разряд конденсатора происходит только через соответствующий R_Б и открытый транзистор (раньше в цепи было внутреннее сопротивление источника питания R_ИП). Кроме того, исчезли цепи перезаряда конденсаторов, которые теперь со стороны базы не имеют связи с –Е_К. Следовательно, знак напряжения (полярность) на конденсаторах никогда не изменяется.

В этом режиме, в отличие от режима В, работа мультивибратора определяется процессами заряда конденсаторов. Действительно, оба транзистора находятся в режиме отсечки, и только во время заряда одного из конденсаторов протекает базовый ток и соответствующий транзистор открывается. С уменьшением зарядного тока I_Б = I_ЗАР.С транзистор прикрывается и на его коллекторе возрастает отрицательное напряжение, способствующее заряду и, следовательно открыванию другой пары конденсатор-транзистор. Поскольку конструктивно t_З < < t_Р и именно зарядные процессы управляют здесь переключениями транзисторов, то частота колебаний в этом режиме выше, чем в базовой схеме.

Режим С является промежуточным с элементами обоих рассмотренных. В среднем положении движка потенциометра R1 в цепь разряда конденсаторов вводится половина R1, что увеличивает время разряда (теперь t_Р = (R_Б + 0, 5R1)С) и уменьшает частоту выходных колебаний ниже базовой. Кроме того, возрастание сопротивления в цепи базы открытого транзистора (на величину 0, 5R1) приводит к уменьшению тока базы и, как следствие, к выводу транзистора из насыщения (при котором U_КЭ=const) в активную область. Этим объясняется появление “ступеньки” – снижение максимального напряжения импульса после завершения заряда соответствующего конденсатора.

Детально изучить работу мультивибратора помогут [ 2, 5, 6, 7, 11 ].

Порядок выполнения работы

5.2.1 Исследование схемы мультивибратора

В автоколебательном режиме

1. Собрать схему мультивибратора (см. рис.4).

2. Добиться равенства длительности импульса и паузы с помощью потенциометра R4.

3. Качественно снять и зарисовать осциллограммы времен­ной зависимости напряжений U_БЭ1, U_КЭ1, U_КЭ2.

5.2.2. Определение влияния величины напряжения смещения

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ И ФУНКЦИИ МИОКАРДА
2. I. Общие сведения о воспитательном мероприятии
3. VI. Регламент переговоров ДСП станции, машинистов (ТЧМ) и составителя поездов при маневровой работе
4. VII. Сигналы, применяемые при маневровой работе
5. Адаптивные процессы и адаптационные технологии в социальной работе.
6. Безопасность при работе в смотровой канаве (каска, электроинструмент, кто может находится в смотровой канаве).
7. В курсовой работе необходимо
8. В работе ставится цель - изучить влияние переменного параметра в одной из параллельных ветвей на величины и фазы токов ветвей и источника питания.
9. В этой работе философия предстает как искусство существования и медицинская практика.
10. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДО И СЕМЬИ В РАБОТЕ ПО ОЗНАКОМЛЕНИЮ ДЕТЕЙ С ПРИРОДОЙ.
11. Виртуозные приёмы при работе руками для великолепного времяпрепровождения
12. Вопрос 61: Соотношение права и государства: основные теоретические модели