Симметричный мультивибратор принцип работы

• Симметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов равны.
• Несимметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов не равны.

Существуют несколько видов самовозбуждающихся устройств типа мультивибратор. По форме генерируемого сигнала выделяют:

• Симметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов равны.
• Несимметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов не равны.

По типу стабильности мультивибраторы делят на:

Вот так устройство выглядит на макетной плате :

Мультивибратор на транзисторах – это генератор прямоугольных сигналов. Ниже на фото одна из осциллограмм симметричного мультивибратора.

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы со скважностью два. Подробнее про скважность можно прочитать в статье генератор частоты. Принцип действия симметричного мультивибратора мы будем использовать для поочередного включения светодиодов.

Схема состоит из:

– двух транзисторов КТ315Б (можно с любой другой буквой)

– двух конденсаторов емкостью по 10 микроФарад

– четырех резисторов, два по 300 Ом и два по 27 КилоОм

– двух китайских светодиодов на 3 Вольта

Вот так устройство выглядит на макетной плате :

А вот так он работает:

Для изменения длительности моргания светодиодов можно поменять значения конденсаторов С1 и С2, или резисторов R2 и R3.

Существуют также другие разновидности мультивибраторов. Подробнее о них можно прочитать здесь. Также там описан принцип работы симметричного мультивибратора.

Кому лень собирать такое устройство, можно приобрести готовое 😉 На Алике я даже находил готовое устройство. Его можете глянуть по этой ссылке.

Вот видео, где подробно описывается, как работает мультивибратор:

Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.

Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.

От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.

Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.

Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.

Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными.

На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.

В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (t_и) = t паузы (t_п). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.

Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:

,где f — частота в герцах (Гц), С — ёмкость в микрофарадах (мкФ) и R — сопротивление в килоомах (кОм). Например: С = 0,02 мкФ, R = 39 кОм. Подставляем в формулу, выполняем действия и получаем частоту в звуковом диапазоне приблизительно равную 1000 Гц, а точнее 897,4 Гц.

Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.

Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:

Частота. Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.

Длительность импульса. Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.

Амплитуда. В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.

Скважность. Отношение периода (Т) к длительности импульса (t). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.

Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.

Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.

Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.

Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.

Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.

При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.

Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.

Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.

Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.

Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром.

Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов, которым можно измерить ёмкость конденсатора.

Файл для печати формата .lay6 качаем здесь. 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:

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 способом ЛУТ. Размер кусочка текстолита 40 на 40 мм, можно взять и с запасом.

Файл для печати формата .lay6 качаем здесь. 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.

Рис. 10.117. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) симметричного

На рис. 10.117, а приведена схема симметричного мультивибратора на ОУ. Мультивибратор состоит из ТШ на ОУ DA с цепью ПОС на резисторах R1 и R3 и времязадающей RC — цепи R2C, включенной в цепь ООС.

Принцип действия мультивибратора состоит в периодическом перезаряде конденсатора С до напряжения включения U_BKJl и выключения и_ьыкл под действием выходного напряжения п_вых ОУ, равного ±U_n. Поскольку основной частью мультивибратора является ТШ, то выходное напряжение мультивибратора может быть равно +U_n либо -U_n.

Работа мультивибратора поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 10.117, б.

Рис. 10.117. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) симметричного

мультивибратора на ОУ

В исходном состоянии источники питания ОУ отключены: +U_n = О, -U_n = 0. Конденсатор С разряжен и и_с = 0. В момент времени t = 0 производится включение источников питания. При их включении в схеме под действием ПОС развивается случайный лавинообразный процесс, в результате которого на выходе ОУ может установиться либо +U_n либо -U_n.

Допустим, что в момент времени t = 0 на выходе ОУ установилось напряжение +U_n. Тогда на неинвертирующем входе ОУ установится напряжение и_ос, равное напряжению выключения ?/_выкл:

Под действием п_вых = +U_n начинает заряжаться конденсатор С через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе и_с растет по экспоненте, стремясь к +U_n. Как только в момент времени t₁ напряжение и_с достигнет напряжения Н_выкл, присутствующего на неинвертирующем входе ОУ, ТШ переключится и выходное напряжение мультивибратора изменится скачком до -U_n. В результате на неинвертирующем входе ОУ установится напряжение и_пос, равное напряжению включения П_вкл:

Выражение для длительности выходных импульсов ?_и мультивибратора следует из уравнения (10.63):

где т = R2C.

Подставив в выражение (10.73) напряжения U_BKJ1 и Н_выкл, получаем:

Из временных диаграмм видно, что в рассмотренном мультивибраторе длительность импульсов ?_и равна длительности пауз t_n, т.е. ?_и = ?_п. Такой мультивибратор называется симметричным. При этом частота выходных импульсов определяется по формуле

В симметричном мультивибраторе скважность выходных импульсов Q = 2.

Регулирование частоты мультивибратора может осуществляться изменением либо параметров времязадающей ЛС-цепи R2 или С, либо изменением сопротивления одного из резисторов ПОС R1 или R3.

Из выражения (10.23) для сбалансированной схемы следует выдерживать соотношение

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, используемый в электронике и радиотехнике. Обычно представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, охваченный глубокой положительной обратной связью.

Содержание

• 1 Некоторые типы и классификация мультивибраторов
  • 1.1 Мультивибратор Шмитта
  • 1.2 Симметричный мультивибратор
  • 1.3 Ждущие мультивибраторы
    • 1.3.1 Моностабильный мультивибратор
    • 1.3.2 Бистабильный мультивибратор
  • 1.4 Мультивибратор на операционном усилителе
• 2 Принцип действия «классического» двухтранзисторного мультивибратора
  • 2.1 Частота мультивибратора
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

Найдем значение сопротивления R3

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

мультивибратор схема на транзисторах

Мультивибраторы устройства аналого-импульсной электроники и позволяют простейшим методом сформировать синхронизированные тактовые импульсные последовательности, а также дают возможность расширить длительность коротких импульсов, сгенерировать их требуемой длительности, задавать различные интервалы времени, создавать петли фазовой автоподстройки частоты.

Простейшая схема представлена на рисунке ниже:

мультивибратор схема на транзисторах

Причем емкости конденсаторов C1, C2 всегда подбираются максимально одинаковыми, а номинал базовых сопротивления R2, R3 должен быть выше чем коллекторные. Это важное условие для правильной работы МВ

Как же все таки работает мультивибратор на транзисторах, итак: при включении питания начинают заряжаться емкости C1, C2.

Первый конденсатор по цепочки R1- C1- переход БЭ второго биполярного транзистора корпус.

Вторая емкость зарядится по цепи R4 — C2 — переход БЭ первого транзистора — корпус.

Так как на транзисторах имеется базовый ток, то они почти открываются. Но так как двух одинаковых транзисторов не бывает, какой то из них откроется чуть раньше своего коллеги.

Предположим, у нас раньше откроется первый транзистор. Открывшись он разрядит емкость С1. Причем разряжаться она будет в обратной полярности, закрывая второй транзистор. Но первый находиться в открытом состоянии только на момент, пока конденсатор С2 не зарядится до уровня напряжения питания. По окончании процесса зарядки С2, Q1 запирается.

Но к этому времени С1 почти разряжен. А это значит, что через него потечет ток, открывающий второй транзистор, который, разрядит емкость С2 и будет оставаться в открытом состоянии до повторной зарядки первого конденсатора. И так из цикла в цикл, пока не отключим питание от схемы.

Как легко заметить время переключения здесь определяется номиналом емкости конденсаторов. Кстати и сопротивление базовых сопротивлений R1, R3 здесь тоже вносит определенный фактор.

Вернемся в первоначальное состояние, когда первый транзистор у нас открыт. В этот момент емкость С1 у нас уже не только успеет разрядится, но и начнет заряжаться в обратной полярности по цепи R2- С1- коллектор-эммитер открытого Q1.

Но сопротивление у R2 достаточно большое и C1 не успевает зарядиться до уровня источника питания, но зато при запирании Q1 она разрядится через базовую цепочку Q2, помогая ему скорее открыться. Это же сопротивление увеличивает и время зарядки первого конденсатора C1. А вот коллекторные сопротивления R1, R4 являются нагрузкой и на частоту генерации импульсов особого влияния не оказывают.

В качестве практического ознакомления предлагаю собрать схему новогодней гирлянды на мультивибраторах, в той же статье рассмотрена и конструкция на трех транзисторах.

мультивибратор схема на транзисторах в конструкции новогодней мигалки

Разберемся с работой несимметричного мультивибратора на двух транзисторах на примере простой схемы радиолюбительской самоделки издающей звук подскакивающего металлического шарика. Работает схема следующим образом: по мере разряда емкости С1 громкость ударов снижается. От номинала С1 зависит общая продолжительность звучания, а конденсатор С2 задает длительность пауз. Транзисторы могут быть абсолютно любые p-n-p типа.

Существуют два типа мультивибраторов отечественного микро исполнения — автоколебательные (ГГ) и ждущие (АГ).

Автоколебательные генерируют периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы. Их длительность и период следования задаются параметрами внешних элементов сопротивлений и емкостей или уровнем управляющего напряжения.

Отечественными микросхемами автоколебательных МВ, например являются 530ГГ1, К531ГГ1, КМ555ГГ2 более подробную информацию по ним и многим другим вы найдете в справочниках по микросхемам, например Якубовский С. В. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы или ИМС и их зарубежные аналоги. Справочник в 12 томах под редакцией Нефедова

Для ждущих МВ длительность генерируемого импульса также задается характеристиками навесных радиокомпонентов, а период следования импульсов задается периодом следования импульсов запуска, поступающих на отдельный вход.

Примеры: К155АГ1 содержит один ждущий мультивибратор, формирующий одиночные импульсы прямоугольной формы с хорошей стабильностью длительности; 133АГ3, К155АГ3, 533АГ3, КМ555АГ3, КР1533АГ3 содержит два ждущих МВ, формирующих одиночные импульсы напряжения прямоугольной формы с хорошей стабильностью; 533АГ4, КМ555АГ4 два ждущих МВ, формирующих одиночные импульсы напряжения прямоугольной формы.

Очень часто в радиолюбительской практике предпочитают не специализированные микросхемы, а собирают его на логических элементах.

Самая простая схема мультивибратора на логических элементах И-НЕ показана на рисунке ниже. Она имеет два состояния: в одном состоянии DD1.1 заперт, а DD1.2 открыт, в другом — все обстоит противоположным образом.

Еще одна из простых схем, которую можно собрать на логических элементах это генератор импульсов прямоугольной формы. Причем такой генератор будет работать в режиме автогенерации, аналогично транзисторному. На рисунке ниже представлен генератор, построенного на одной логической цифровой отесественной микросборке К155ЛА3

Практический пример такой реализации можно посмотреть на странице занимательные схемы электроники в конструкции вызывного устройства.

Рассмотрен практический пример реализации работы ждущего МВ на триггере в конструкции оптического выключателя освещения на ИК лучах.

По сути своей симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель, причем схема построена, так что выход первого каскада соединен с входом второго. Вследствие этого после подачи питания на схему, обязательно получается, так что один из биполярных транзисторов открыт, а другой находится в закрытом состоянии.

Описание работы мультивибратора на транзисторах

Принцип работы проанализируем на примере следующей схемы.

Легко заметить, что она практически копирует принципиальную схему симметричного триггера. Различие только в том, что связи между блоками переключения, как прямая, так и обратная, осуществлены по переменному току, а не по постоянному. Это кардинально изменяет особенности устройства, так как в сравнении с симметричным триггером у схемы мультивибратора нет стабильных состояний равновесия, в которых он мог бы находиться продолжительное время.

Взамен этого имеются два состояния квазиустойчивого равновесия, благодаря чему устройство находится в каждом из них строго определенное время. Каждый такой промежуток времени определяется переходными процессами, происходящими в схеме. Функционирование устройства заключается к постоянной смене данных состояний, что сопровождается появлением на выходе напряжения, очень напоминающее по форме прямоугольное.

По сути своей симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель, причем схема построена, так что выход первого каскада соединен с входом второго. Вследствие этого после подачи питания на схему, обязательно получается, так что один из биполярных транзисторов открыт, а другой находится в закрытом состоянии.

Допустим, что транзистор VT1 открыт и находится в состоянии насыщения током, идущим через резистор R3. Транзистор VT2, как уже было сказано выше, закрыт. Теперь в схеме происходят процессы, связанные с перезарядом конденсаторов C1 и C2. Первоначально конденсатор C2 абсолютно разряжен и вслед за насыщением VT1 происходит постепенная зарядка его через резистор R4.

Поскольку конденсатор C2 шунтирует коллектор-эммитерный переход транзистора VT2 через эммитерный переход транзистора VT1, то скорость его заряда определяет скорость изменения напряжения на коллекторе VT2. После заряда C2 транзистор VT2 закрывается. Продолжительность этого процесса (длительность фронта напряжения коллектора) можно вычислить по формуле:

t1a = 2,3*R1*C1

Также в работе схемы протекает и второй процесс, связанный с разрядом ранее заряженного конденсатора C1. Его разряд происходит через транзистор VT1, резистор R2 и источник питания. По мере разряда конденсатора на базе VT1 появляется положительный потенциал, и он начинает открываться. Данный процесс заканчивается после полного разряда C1. Длительность этого процесса (импульса) равна:

t2a = 0,7*R2*C1

По прошествии времени t2a транзистор VT1 будет заперт, а транзистор VT2 будет в насыщении. После этого процесс повторится по аналогичной схеме и длительность интервалов следующих процессов можно рассчитать также по формулам:

t1b = 2,3*R4*C2 и t2b = 0,7*R3*C2

Для определения частоты колебаний мультивибратора справедливо следующее выражение: