Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я писал о различных преобразователях и формирователях импульсных сигналов. Сегодня вы узнаете, как импульсы образуются, или генерируются.

Существует несколько типов генераторов импульсов различной формы, такие как мультивибратор, блокинг-генератор, ГЛИН, фантастотрон и другие. Все они имеют различное устройство и генерируют различные типы импульсов, и имеют следующие режимы работы:

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Автоколебательный режим. В данном режиме работы генератор непрерывно генерирует импульсы.

Ждущий (или заторможенный) режим работы. В данном случае генератор находится в состоянии покоя и не вырабатывает импульсы, но если на его вход подать импульс, называемый запускающим, то генератор выработает свой импульс, параметры которого определятся параметрами схемы генератора.

Режим синхронизации. Данный режим работы, так же как и автогенераторный характеризуется непрерывным генерированием импульсных сигналов, но на вход генератора поступают внешние (синхронизирующие) импульсы. В результате частота следования импульсов генератора равна частоте синхронизирующих импульсов.

Режим деления частоты. Данный режим работы подобен режиму синхронизации, но частота импульсов на выходе генератора меньше частоты синхронизирующих импульсов в целое число раз.

В данной статье я расскажу об одном из простейших генераторов прямоугольных импульсов, который называется мультивибратором. Различают две основные схемы: автоколебательный мультивибратор (или просто мультивибратор) и ждущий мультивибратор.

Схема автоколебательного мультивибратора и принцип её работы

Чаще всего мультивибратор создают с использованием биполярных транзисторов, связь между которыми осуществляется за счёт коллекторно-базовых цепей. Схема симметричного мультивибратора показана ниже.

Схема мультивибратора.

Простейший мультивибратор состоит из следующих основных элементов: транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1 и R4 являются коллекторной нагрузкой транзисторов, резисторы R2 и R3 являются элементами частотозадающей цепи и конденсаторы C1 и C2 также являются элементами частотозадающей цепи и связи между транзисторами. По своей сути данная схема представляет собой двухкаскадный усилитель с ОЭ, который охвачен глубокой положительной обратной связью. Для правильного функционирования мультивибратора необходимо, чтобы плечи мультивибратора обладали идентичными параметрами. В частности должны быть одинаковыми транзисторы VT1 и VT2, а в случае симметричного мультивибратора также одинаковые параметры элементов R1 = R4, R2 = R3 и C1 = C2. Опишем принцип работы мультивибратора, основываясь на его временные диаграммы.

Временные диаграммы работы мультивибратора.

Как уже говорилось выше, мультивибратор функционирует в автоколебательном режиме, поэтому для описания работы выделим один период его колебаний. Условно период работы можно разделить на два промежутка: Х1 – Х2 и Х2 – Х3. Давайте рассмотрим их по отдельности, но прежде опишем начальные условия работы.

Как говорилось выше, мультивибратор имеет два плеча, которые обладают некоторой идентичностью, но она мнимая, так как практически невозможно подобрать одинаковые во всем элементы схемы. Поэтому в начальный момент времени, при подаче питания, допустим коллекторный ток транзистора VT1 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT2. Это вызовет увеличение напряжения на резисторе R1 и уменьшению коллекторного напряжения VT1, а через конденсатор C1 уменьшение на базе транзистора VT2, что в свою очередь уменьшит коллекторный ток транзистора и падение напряжения на резисторе R4. Уменьшение напряжения на R4, в свою очередь, через конденсатор C2 увеличит напряжение на базе VT1, что ещё больше увеличит коллекторный ток VT1, а соответственно и падение напряжения на резисторе R1. Таким образом, транзистор VT1 окажется, насыщен, и ток через него будет ограничен только коллекторным резистором R1, а транзистор VT2 – закрыт, а ток через него практически равен нулю.

Итак мы подошли к моменту времени Х1 на временных диаграммах работы мультивибратора, когда конденсатор C1 начинает заряжаться через открытый транзистор VT1 и резистор R2, а конденсатор C2 начнёт разряжаться через p-n переход база-эмиттер VT1 и резистор R4. По мере заряжания конденсатора C1 напряжение на базе VT2 увеличивается, а напряжение на базе VT1 уменьшается, и в момент времени Х2 произойдёт отпирание транзистора VT2. Вместе с открыванием VT2 произойдёт закрытие транзистора VT1. И таким образом процесс открытия и закрытия транзисторов будет происходить периодически, а на коллекторах транзисторов будут периодически возникать импульсы прямоугольной формы. Параметры импульсов полностью определяются значениями элементов схемы.

Расчет автоколебательного мультивибратора

Для расчёта автоколебательного мультивибратора необходимо задать некоторые исходные параметры: частота импульсов f (или период колебаний T = 1/f), длительность генерируемых импульсов t_i, амплитуда импульса U_m.

Для примера рассчитаем симметричный автоколебательный мультивибратор с частотой выходных импульсов f_i = 1 МГц, амплитудой импульса U_m = 5 В.

1.Определим напряжение источника питания Е_К

Выберем Е_К = 6 В

2.Определим тип транзисторов, которые должны соответствовать следующим значениям

Данным параметрам соответствует транзистор КТ315 со следующими характеристиками: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).

3.Определяем сопротивления R1 и R4 в коллекторных цепях транзисторов

где I_{K imax} – максимально допустимый ток коллектора;

I_KBO – максимально допустимый обратный ток коллектора.

Исходя из практических соображений для маломощных транзисторов выбирают R_K больше (0,5 … 1) кОм, а для мощных транзисторов – не более (200 … 300) Ом.

Так как транзистор КТ315 маломощный, то выберем R_K = 3,3 кОм.

4.Выбираем сопротивление резисторов R2, R3 в цепях баз транзисторов

Выберем R2 = R3 = R_b = 4,7 кОм

5.Выбираем ёмкость конденсаторов С1 и С2

В случае если ведётся расчёт для несимметричного мультивибратора с разной длительностью импульсов t_i, то рассчитываются отдельно конденсаторы С1 и С2

Схема ждущего мультивибратора и принцип её работы

Наиболее распространённой схемой ждущего мультивибратора является схема на основе биполярных транзисторов с эмиттерной связью между ними. Данная схема представлена на рисунке ниже.

Схема ждущего мультивибратора.

В данной схеме в качестве активных элементов используются транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1 и R2 предназначены для установления режима работы транзистора VT1. Резисторы R3 и R6 – коллекторные нагрузки транзисторов, конденсатор C2 и резистор R5 используются для задания параметров импульса, через резистор R4 осуществляется обратная связь по току, конденсатор C1 – элемент цепи запуска ждущего мультивибратора.

Для понимания работы ждущего мультивибратора ниже представлены временные диаграммы его работы.

Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора.

При подаче питания на мультивибратор в нём устанавливается начальный режим работы, при котором транзистор VT1 закрыт, а VT2 находится в состоянии насыщения (открыт). Это достигается при помощи элементов цепей питания транзистора VT1 (резисторы R1, R2, R3 и R4). При этом на выходе мультивибратора присутствует небольшой постоянный уровень напряжения, который определяется в основном резистором R4.

Для того что бы ждущий мультивибратор запустился необходимо на его вход через конденсатор C1 подать импульс тока. Конденсатор C1 предназначен для формирования короткого импульса запуска с крутым фронтом. В результате поступления импульса запуска на базу транзистора VT1 в схеме начинает происходить лавинообразный процесс выработки импульса в следующем порядке: через открытый транзистор VT1 и резистор R5 начинает заряжаться конденсатор C2. Так как R5C2 является дифференцирующей цепочкой, то в момент начала заряда конденсатора на базе VT2 резко уменьшится потенциал, а, следовательно, транзистор закроется и на выходе схемы появится уровень напряжения примерно равный напряжению питания. После зарядки конденсатора C2 до уровня отпирания VT2, транзистор откроется и на выходе мультивибратора установится исходное напряжение. Параметры сформированного импульса полностью определятся параметрами схемы и вычисляются по тем же самым формулам, что и для автогенераторного мультивибратора.

Расчёт ждущего мультивибратора

Для расчёта ждущего мультивибратора необходимо задать некоторые исходные данные: амплитуда импульсов U_m, длительность импульсов t_i, частота запускающих импульсов f.

Для примера рассчитаем ждущий мультивибратор с эмиттерными связями со следующими параметрами: U_m = 5 В, длительность импульсов t_i = 100 нс, частота запускающих импульсов f = 500 кГц, ток коллектора VT2 I_k = 5 мA.

Определим напряжение питания мультивибратора Е_К

Выберем Е_К = 6 В

Выбираем тип транзисторов VT1 и VT2

По данным параметрам подходит транзистор КТ315Б со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).

Определим значение коллекторного резистора R6

Выберем R6 = 3,3 кОм

Определим значение базового резистора R5

Примем значение R5 = 100 кОм

Найдём значение сопротивления эмиттерного резистора R4

Определим значение сопротивление резистора R2

Примем значение R2 = 2,2 кОм

Вычислим значение сопротивления R1

Примем значение R1 = 12 кОм

Найдем значение сопротивления R3

Примем значение R3 = 4,7 кОм

Рассчитаем ёмкость конденсатора С2

Примем значение С2 = 1,5 нФ

Применение мультивибраторов

В практической деятельности мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы, при снятии напряжения с коллекторов транзисторов и пилообразной формы, при снятии напряжения с баз транзисторов. Ждущие мультивибраторы применяются для получения регулируемых по времени временных задержек и импульсов с регулируемой длительностью.

Онлайн калькулятор для расчёта автоколебательного мультивибратора.