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 КТ315Б (можно с любой другой буквой)
– двух конденсаторов емкостью по 10 микроФарад
– четырех , 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 . 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:
Знают все радиолюбители, а вот то, что он может работать и на 3 канала - не многие. Простая схема трёхфазного мультивибратора на трёх транзисторах при работе создает эффект бегущей дорожки из трёх источников света (светодиодов). Резисторы на 68 Ом возможно и не использовать, они только ограничивают ток светодиода. На фото вместо резисторов 68 Ом - два параллельно соединённые по 150 Ом, которые дали при таком соединении 75 Ом.
Электролитические конденсаторы 47 мкФ определяют частоту мигания светодиодов, чем выше их ёмкость - тем реже происходит переключение светодиодов, при уменьшение количества мкФ светодиоды мигают чаще. Если поставите конденсаторы большой ёмкости (200 мкФ и выше), то три светодиода будут просто гореть.
Возможно использование других транзисторов: BC547 , КТ3102 , КТ315.
Плата существует как формата.lay для , так и для программы с расширением.lyt . Первая спроектирована под транзисторы КТ315 , а вторая под BC547 (КТ3102 ). Скачать файлы .
Я использовал синие крупные светодиоды диаметром 10 мм. Если есть желание, можно впаять сразу два светодиода, соединённые последовательно, ток немного возрастёт, но совокупная яркость излучаемого света значительно увеличится.
Питание для схемы около 5 вольт, удобно применять 3-4 батарейки или аккумулятора типоразмером AA (пальчиковые). Если подключите к схеме источник питания с напряжением больше нужного, то частота мигания уменьшится. При слишком большом напряжение светодиоды будут просто гореть. Ток потребления мультивибратора весьма мал и колеблется в рамках 50-54 mA, у меня вышел 53,3 милиампер.
Ниже можно увидеть 3D модель собранной на печатной плате схемы (3D Visualization ). Длинна моей платы составила 3,9 см, а ширина 2,8 см (~1.5x1 inch).
В данной статье расскажем про мультивибратор, как он работает, способы подключения нагрузки на мультивибратор и расчёт транзисторного симметричного мультивибратора.
Мультивибратор — это простой генератор прямоугольных импульсов, который работает в режиме автогенератора. Для его работы необходимо лишь питание от батареи, или другого источника питания. Рассмотрим самый простой симметричный мультивибратор на транзисторах. Схема его представлена на рисунке. Мультивибратор может быть усложнён в зависимости от необходимых выполняемых функций, но все элементы, представленные на рисунке, являются обязательными, без них мультивибратор работать не будет.
Работа симметричного мультивибратора основана на зарядно-разрядных процессах конденсаторов, образующих совместно с резисторами RC-цепочки.
О том, как работают RC-цепочки, я писал ранее в своей статье Конденсатор , которую вы можете почитать на моём сайте. На просторах интернета если и находишь материал о симметричном мультивибраторе, то он излагается кратко, и не доходчиво. Это обстоятельство не позволяет начинающим радиолюбителям что-либо понять, а только помогает опытным электронщикам что-либо вспомнить. По просьбе одного из посетителей моего сайта я решил исключить этот пробел.
Как работает мультивибратор?
В начальный момент подачи питания конденсаторы С1 и С2 разряжены, поэтому их сопротивление току мало. Малое сопротивление конденсаторов приводит к тому, что происходит «быстрое» открывание транзисторов, вызванное протеканием тока:
— VT2 по пути (показано красным цветом): «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания»;
— VT1 по пути (показано синим цветом): «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление разряженного С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания».
Это является «неустановившимся» режимом работы мультивибратора. Длится он в течение очень малого времени, определяемого лишь быстродействием транзисторов. А двух абсолютно одинаковых по параметрам транзисторов, не существует. Какой транзистор откроется быстрее, тот и останется открытым — «победителем». Предположим, что на нашей схеме это оказался VT2. Тогда, через малое сопротивление разряженного конденсатора С2 и малое сопротивление коллекторно-эмиттерного перехода VT2, база транзистора VT1 окажется замкнута на эмиттер VT1. В результате транзистор VT1 будет вынужден закрыться — «стать побеждённым».
Поскольку транзистор VT1 закрыт, происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Этот заряд происходит почти до напряжения источника питания.
Одновременно происходит заряд конденсатора С2 током обратной полярности по пути: «+ источника питания > резистор R3 > малое сопротивление разряженного С2 > коллекторно-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Длительность заряда определяется номиналами R3 и С2. Они и определяют время, при котором VT1 находится в закрытом состоянии.
Когда конденсатор С2 зарядится до напряжения приблизительно равным напряжению 0,7-1,0 вольт, его сопротивление увеличится и транзистор VT1 откроется напряжением приложенным по пути: «+ источника питания > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». При этом, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. В результате VT2 закроется, а ток, который ранее проходил через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2 побежит по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». По этой цепи произойдёт быстрый перезаряд конденсатора С2. С этого момента начинается «установившийся» режим автогенерации.
Работа симметричного мультивибратора в «установившемся» режиме генерации
Начинается первый полупериод работы (колебания) мультивибратора.
При открытом транзисторе VT1 и закрытом VT2, как я только что написал, происходит быстрый перезаряд конденсатора С2 (от напряжения 0,7…1,0 вольта одной полярности, до напряжения источника питания противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > малое сопротивление С2 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». Кроме того, происходит медленный перезаряд конденсатора С1 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > — -источника питания».
Когда, в результате перезаряда С1, напряжение на базе VT2 достигнет значения +0,6 вольта относительно эмиттера VT2, транзистор откроется. Поэтому, напряжение заряженного конденсатора С2, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT1 обратной полярностью. VT1 закроется.
Начинается второй полупериод работы (колебания) мультивибратора.
При открытом транзисторе VT2 и закрытом VT1 происходит быстрый перезаряд конденсатора С1 (от напряжения 0,7…1,0 вольта одной полярности, до напряжения источника питания противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление С1 > базо-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Кроме того, происходит медленный перезаряд конденсатора С2 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «правая обкладка С2 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT2 > — источника питания > + источника питания > резистор R3 > левая обкладка С2». Когда напряжение на базе VT1 достигнет значения +0,6 вольта относительно эмиттера VT1, транзистор откроется. Поэтому, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. VT2 закроется. На этом, второй полупериод колебания мультивибратора заканчивается, и снова начинается первый полупериод.
Процесс повторяется до момента отключения мультивибратора от источника питания.
Способы подключения нагрузки к симметричному мультивибратору
Прямоугольные импульсы снимаются с двух точек симметричного мультивибратора – коллекторов транзисторов. Когда на одном коллекторе присутствует «высокий» потенциал, то на другом коллекторе – «низкий» потенциал (он отсутствует), и наоборот – когда на одном выходе «низкий» потенциал, то на другом — «высокий». Это наглядно показано на временном графике, изображённом ниже.
Нагрузка мультивибратора должна подключаться параллельно одному из коллекторных резисторов, но ни в коем случае не параллельно транзисторному переходу коллектор-эмиттер. Нельзя шунтировать транзистор нагрузкой. Если это условие не выполнять, то как минимум — изменится длительность импульсов, а как максимум – мультивибратор не будет работать. На рисунке ниже показано, как подключить нагрузку правильно, а как не надо это делать.
Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.
На примере показано подключение низкоомной динамической головки к мультивибратору . Добавочный резистор повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора мультивибратора.
Для подключения к мультивибратору высокоомной динамической головки буферный каскад не нужен. Головка подключается вместо одного из коллекторных резисторов. Должно выполняться единственное условие – ток, идущий через динамическую головку не должен превышать максимальный ток коллектора транзистора.
Если вы хотите подключить к мультивибратору обычные светодиоды – сделать «мигалку», то для этого буферные каскады не требуются. Их можно подключить последовательно с коллекторными резисторами. Связано это с тем, что ток светодиода мал, и падение напряжения на нём во время работы не более одного вольта. Поэтому они не оказывают никакого влияния на работу мультивибратора. Правда это не относится к сверхярким светодиодам, у которых и рабочий ток выше, и падение напряжения может быть от 3,5 до 10 вольт. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора.
Обратите внимание, что оксидные (электролитические) конденсаторы подключаются плюсами к коллекторам транзисторов. Связано это с тем, что на базах биполярных транзисторов напряжение не поднимается выше 0,7 вольта относительно эмиттера, а в нашем случае эмиттеры – это минус питания. А вот на коллекторах транзисторов напряжение изменяется почти от нуля, до напряжения источника питания. Оксидные конденсаторы не способны выполнять свою функцию при их подключении обратной полярностью. Естественно, если вы будете применять транзисторы другой структуры (не N-P-N, a P-N-P структуры), то кроме изменения полярности источника питания, необходимо развернуть светодиоды катодами «вверх по схеме», а конденсаторы – плюсами к базам транзисторов.
Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора?
На что влияют номиналы коллекторных резисторов? Я встречал в некоторых бездарных интернетовских статьях, что номиналы коллекторных резисторов незначительно, но влияют на частоту мультивибратора. Всё это полная чушь! При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений этих резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит частоты мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. Но зато, номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность мультивибратора прямого влияния не оказывают. А вот длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).
Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.
Длительность перезаряда конденсаторов определяется простой формулой, где Тау – длительность импульса в секундах, R – сопротивление резистора в Омах, С – ёмкость конденсатора в Фарадах:
Таким образом, если вы уже не забыли написанное в этой статье на пару абзацев ранее:
При равенстве R2=R3 и С1=С2 , на выходах мультивибратора будет «меандр» — прямоугольные импульсы с длительностью равной паузам между импульсами, который вы видите на рисунке.
Полный период колебания мультивибратора – T равен сумме длительностей импульса и паузы:
Частота колебаний F (Гц) связана с периодом Т (сек) через соотношение:
Как правило, в интернете если и есть какие либо расчёты радиоцепей, то они скудные. Поэтому произведём расчёт элементов симметричного мультивибратора на примере .
Как и любые транзисторные каскады, расчёт необходимо вести с конца — выхода. А на выходе у нас стоит буферный каскад, потом стоят коллекторные резисторы. Коллекторные резисторы R1 и R4 выполняют функцию нагрузки транзисторов. На частоту генерации коллекторные резисторы никакого влияния не оказывают. Они рассчитываются исходя из параметров выбранных транзисторов. Таким образом, сначала рассчитываем коллекторные резисторы, потом базовые резисторы, потом конденсаторы, а затем и буферный каскад.
Порядок и пример расчёта транзисторного симметричного мультивибратора
Исходные данные:
Питающее напряжение Uи.п. = 12 В .
Необходимая частота мультивибратора F = 0,2 Гц (Т = 5 секунд) , причём длительность импульса равна 1 (одной) секунде.
В качестве нагрузки используется автомобильная лампочка накаливания на 12 вольт, 15 ватт .
Как вы догадались, мы будем рассчитывать «мигалку», которая будет мигать один раз за пять секунд, а длительность свечения – 1 секунда.
Выбираем транзисторы для мультивибратора. Например, у нас имеются самые распространенные в Советские времена транзисторы КТ315Г .
Для них: Pmax=150 мВт; Imax=150 мА; h21>50 .
Транзисторы для буферного каскада выбирают исходя из тока нагрузки.
Для того, чтобы не изображать схему дважды, я уже подписал номиналы элементов на схеме. Их расчёт приводится далее в Решении.
Решение:
1. Прежде всего, необходимо понимать, что работа транзистора при больших токах в ключевом режиме наиболее безопасна для самого транзистора, чем работа в усилительном режиме. Поэтому расчёт мощности для переходного состояния в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку «В» статического режима транзистора — перехода из открытого состояния в закрытое и обратно проводить нет необходимости. Для импульсных схем, построенных на биполярных транзисторах, обычно рассчитывают мощность для транзисторов, находящихся в открытом состоянии.
Сначала определим максимальную рассеиваемую мощность транзисторов, которая должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике. Но для чего нам загонять мультивибратор в жёсткие рамки больших токов? Да и от повышенной мощности потребление энергии от источника питания будет большим, а пользы мало. Поэтому определив максимальную мощность рассеивания транзисторов, уменьшим её в 3 раза. Дальнейшее снижение рассеиваемой мощности нежелательно потому, что работа мультивибратора на биполярных транзисторах в режиме слабых токов – явление «не устойчивое». Если источник питания используется не только для мультивибратора, либо он не совсем стабильный, будет «плавать» и частота мультивибратора.
Определяем максимальную рассеиваемую мощность:Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 150мВт = 120мВт
Определяем номинальную рассеиваевую мощность: Pрас.ном. = 120 / 3 = 40мВт
2. Определим ток коллектора в открытом состоянии: Iк0 = Pрас.ном. / Uи.п. = 40мВт / 12В = 3,3мА
Примем его за максимальный ток коллектора.
3. Найдём значение сопротивления и мощности коллекторной нагрузки: Rк.общ=Uи.п./Iк0 = 12В/3,3мА= 3,6 кОм
Выбираем в существующем номинальном ряде резисторы максимально близкие к 3,6 кОм. В номинальном ряде резисторов имеется номинал 3,6 кОм, поэтому предварительно считаем значение коллекторных резисторов R1 и R4 мультивибратора: Rк = R1 = R4 = 3,6 кОм .
Мощность коллекторных резисторов R1 и R4 равна номинальной рассеиваемой мощности транзисторов Pрас.ном. = 40 мВт. Используем резисторы мощностью, превышающей указанную Pрас.ном. — типа МЛТ-0,125.
4. Перейдём к расчёту базовых резисторов R2 и R3 . Их номинал находят исходя из коэффициента усиления транзисторов h21. При этом, для надёжной работы мультивибратора значение сопротивления должно быть в пределах: в 5 раз больше сопротивления коллекторных резисторов, и меньше произведения Rк * h21.В нашем случае Rmin = 3,6 * 5 = 18 кОм, а Rmax = 3,6 * 50 = 180 кОм
Таким образом, значения сопротивлений Rб (R2 и R3) могут находиться в пределах 18…180 кОм. Предварительно выбираем среднее значение = 100 кОм. Но оно не окончательно, так как нам необходимо обеспечить требуемую частоту мультивибратора, а как я писал ранее, частота мультивибратора напрямую зависит от базовых резисторов R2 и R3, а также от ёмкости конденсаторов.
5. Вычислим ёмкости конденсаторов С1 и С2 и при необходимости пересчитаем значения R2 и R3 .
Значения ёмкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT2. Именно во время действия этого импульса наша лампочка должна загораться. А в условии было задана длительность импульса 1 секунда.
определим ёмкость конденсатора: С1 = 1сек / 100кОм = 10 мкФ
Конденсатор, ёмкостью 10 мкФ имеется в номинальном ряде, поэтому он нас устраивает.
Значения ёмкости конденсатора С2 и сопротивления резистора R3 определяют длительность выходного импульса на коллекторе VT1. Именно во время действия этого импульса на коллекторе VT2 действует «пауза» и наша лампочка не должна светиться. А в условии был задан полный период 5 секунд с длительностью импульса 1 секунда. Следовательно, длительность паузы равна 5сек – 1сек = 4 секунды.
Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С2 = 4сек / 100кОм = 40 мкФ
Конденсатор, ёмкостью 40 мкФ отсутствует в номинальном ряде, поэтому он нас не устраивает, и мы возьмём максимально близкий к нему конденсатор ёмкостью 47 мкФ. Но как вы понимаете, изменится и время «паузы». Чтобы этого не произошло, мы пересчитаем сопротивление резистора R3 исходя из длительности паузы и ёмкости конденсатора С2: R3 = 4сек / 47 мкФ = 85 кОм
По номинальному ряду, ближайшее значение сопротивления резистора равно 82 кОм.
Итак, мы получили номиналы элементов мультивибратора:
R1 = 3,6 кОм, R2 = 100 кОм, R3 = 82 кОм, R4 = 3,6 кОм, С1 = 10 мкФ, С2 = 47 мкФ .
6. Рассчитаем номинал резистора R5 буферного каскада .
Сопротивление добавочного ограничительного резистора R5 для исключения влияния на мультивибратор выбирается не менее чем в 2 раза больше сопротивления коллекторного резистора R4 (а в некоторых случаях и более). Его сопротивление вместе с сопротивлением эмиттерно-базовых переходов VT3 и VT4 в этом случае не будет влиять на параметры мультивибратора.
R5 = R4 * 2 = 3,6 * 2 = 7,2 кОм
По номинальному ряду ближайший резистор равен 7,5 кОм.
При номинале резистора R5 = 7,5 кОм, ток управления буферным каскадом будет равен:
Iупр. = (Uи.п. – Uбэ) / R5 = (12в – 1,2в) / 7,5кОм = 1,44 мА
Кроме того, как я писал ранее, номинал коллекторной нагрузки транзисторов мультивибратора не влияет на его частоту, поэтому если у вас нет такого резистора, то вы можете его заменить на другой «близкий» номинал (5 … 9 кОм). Лучше, если это будет в сторону уменьшения, чтобы не было падения управляющего тока на буферном каскаде. Но учтите, что добавочный резистор является дополнительной нагрузкой транзистора VT2 мультивибратора, поэтому ток, идущий через этот резистор, складывается с током коллекторного резистора R4 и является нагрузочным для транзистора VT2: Iобщ = Iк + Iупр. = 3,3мА + 1,44мА = 4,74мА
Общая нагрузка на коллектор транзистора VT2 в пределах нормы. В случае её превышения максимального тока коллектора указанного по справочнику и умноженное на коэффициент 0,8 , увеличьте сопротивление R4 до достаточного снижения тока нагрузки, либо используйте более мощный транзистор.
7. Нам необходимо обеспечить ток на лампочке Iн = Рн / Uи.п. = 15Вт / 12В = 1,25 А
Но ток управления буферным каскадом равен 1,44мА. Ток мультивибратора необходимо увеличить на значение, равное отношению:
Iн / Iупр. = 1,25А / 0,00144А = 870 раз .
Как это сделать? Для значительного усиления выходного тока используют транзисторные каскады, построенные по схеме «составного транзистора». Первый транзистор обычно маломощный (мы будем использовать КТ361Г), он имеет наибольший коэфициент усиления, а второй должен обеспечивать достаточный ток нагрузки (возьмём не менее распространённый КТ814Б). Тогда их коэффициенты передачи h21 умножаются. Так, у транзистора КТ361Г h21>50, а у транзистора КТ814Б h21=40. А общий коэффициент передачи этих транзисторов, включённых по схеме «составного транзистора»: h21 = 50 * 40 = 2000 . Эта цифра больше, чем 870, поэтому этих транзисторов вполне достаточно для управления лампочкой.
Ну вот, собственно и всё!
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 (от латинского много колеблю) - нелинейное устройство, преобразующее постоянное напряжение питания в энергию импульсов почти прямоугольной формы. В основе мультивибратора лежит усилитель с положительной обратной связью.
Различают мультивибраторы автоколебательные и ждущие. Рассмотрим первый тип.
На рис. 1 приведена обобщенная схема усилителя с обратными связями.
Схема содержит усилитель с комплексным коэффициентом усиления к=Ке-iк, цепь ООС с коэффициентом передачи m, и цепь ПОС с комплексным коэффициентом передачи В=е-i. Из теории генераторов известно, что для возникновения колебаний на какой-либо частоте необходимо что бы на ней выполнялось условие Вк>1. Импульсный периодический сигнал содержит совокупность частот, образующих линейчатый спектр (см.1-ю лекцию). Т.о. для генерации импульсов необходимо выполнения условия Вк>1не на одной частоте, а в широкой полосе частот. Причем, чем более короткий импульс и с более короткими фронтами сигнал требуется получить, для более широкой полосы частот требуется выполнения условия Вк>1. Приведенное условие распадается на два:
условие баланса амплитуд - модуль общего коэффициента передачи генератора должен превышать 1 в широком диапазоне частот - К>1;
условие баланса фаз - суммарный сдвиг фаз колебаний в замкнутом контуре генератора в том же диапазоне частот должен быть кратен 2 - к + =2n.
Качественно процесс скачкообразного роста напряжения происходит следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в результате флюктуаций напряжение на входе генератора возросло на малую величину u. В результате выполнения обоих условий генерации на выходе устройства появится приращение напряжения: uвых=Вкuвх >uвх, которое передается на вход в фазе с исходным uвх. Соответственно это увеличение приведет к дальнейшему возрастанию выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс роста напряжения в широком диапазоне частот.
Задача построения практической схемы генератора импульсов сводится к подаче на вход широкополосного усилителя части выходного сигнала с разностью фаз =2. Поскольку один резистивный усилитель сдвигает фазу входного напряжения на 1800, то применяя два последовательно соединенных усилителя, можно удовлетворить условию баланса фаз. Условие баланса амплитуд будет выглядеть в этом случае следующим образом:
Одна из возможных схем, реализующий указанный метод, приведена на рис.2. Это схема автоколебательного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. В схеме используются два усилительных каскада. Выход одного усилителя связан со входом второго конденсатором С1, а выход последнего связан со входом первого - конденсатором С2.
Качественно работу мультивибратора рассмотрим с использованием временных диаграмм напряжений (эпюр), приведенных на рис. 3.
Пусть в момент времени t=t1 происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT1 попадает в режим насыщения, а VT2 - в режим отсечки. С этого момента начинаются процессы перезарядки конденсаторов С1 и С2. До момента t1 конденсатор С2 был полностью разряжен, а С1 заряжен до напряжения питания Еп (полярность заряженных конденсаторов указана на рис.2). После отпирания VT1 начинается его зарядка от источника Еп через резистор Rк2 и базу отпертого транзистора VT1. Конденсатор заряжается практически до напряжения питания Еп с постоянной заряда
зар2 = С2Rк2
Поскольку С2 через открытый VT1 подсоединен параллельно VT2, то скорость его зарядки определяет скорость изменения выходного напряжения Uвых2.. Полагая процесс зарядки законченным когда Uвых2 = 0,9Uп, легко получить длительность
t2-t1= С2Rк2ln102,3С2Rк2
Одновременно зарядке С2 (начиная с момента t1) происходит перезарядка конденсатора С1. Его отрицательное напряжение, приложенное к базе VT2, поддерживает запертое состояние этого транзистора. Конденсатор С1 перезаряжается по цепи: Еп, резистор Rб2, С1, Э-К открытого транзистора VT1. корпус с постоянной времени
разр1 = С1Rб2
Так как Rб >>Rк, то и зар<<разр. Следовательно, С2 успевает зарядиться до Еп пока VT2 еще закрыт. Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент времени t5, когда UC1=0 и начинает открываться VT2 (для простоты считаем, что VT2 открывается при Uбє=0). Можно показать, что длительность перезаряда С1 равна:
t3-t1 = 0,7C1Rб2
В момент времени t3 появляется коллекторный ток VT2, падает напряжение Uкэ2, что приводит к призакрыванию VT1 и, соответственно, к росту Uкэ1. Это приращение напряжение через С1 передается в базу VT2, что влечет дополнительное открытие VT2. Транзисторы переходят в активный режим, возникает лавинообразный процесс, в результате которого мультивибратор переходит в другое квазистационарное состояние: VT1 закрыт, VT2 - открыт. Длительность опрокидывания мультивибратора намного меньше всех других переходных процессов и ее можно считать равным нулю.
С момента t3 процессы в мультивибраторе пойдут аналогично описанному, следует лишь поменять местами индексы у элементов схемы.
Таким образом, длительность фронта импульса определяется процессами заряда конденсатора связи и численно равна:
Длительность нахождения мультивибратора в квазиустойчивом состоянии (длительность импульса и паузы) определяется процессом разряда конденсатора связи через базовый резистор и численно равна:
При симметричной схеме мультивибратора (Rк1 =Rк2 =Rк, Rб1 =Rб2 =Rб, С1=С2=С) длительность импульса равна длительности паузы, и период следования импульсов равен:
Т = и + п =1,4CRб
Сравнивая длительности импульса и фронта необходимо учесть, что Rб/Rк=h21э/s (h21э для современных транзисторов 100, а s2). Следовательно, длительность фронта всегда меньше длительности импульса.
Частота выходного напряжения симметричного мультивибратора не зависит от напряжения питания и определяется только параметрами схемы:
Для изменения длительности импульсов и периода их следования нужно варьировать величины Rб и С. Но возможности здесь невелики: пределы изменения Rб ограничены сбольшей стороны необходимостью сохранения открытого транзистора, с меньшей стороны - неглубокого насыщения. Изменять плавно величину С затруднительно даже в малых пределах.
Чтобы найти выход из затруднения обратимся к периоду времени t3-t1 на рис. 2. Из рисунка видно, что указанный интервал времени, а, следовательно, и длительность импульса можно регулировать изменяя наклон прямой разряда конденсатора. Этого можно добиться, подключая базовые резисторы не к источнику питания, а к дополнительному источнику напряжения Есм (см. рис. 4). Тогда конденсатор стремится перезарядиться не к Еп, а к Есм и крутизна экспоненты будет изменяться с изменением Есм.
Импульсы, генерируемые рассмотренными схемами, имеют большую длительность фронта. В ряде случаев эта величина становится неприемлемой. Для укорачивания ф в схему вводят отсекающие конденсаторы, как показано на рис.5. Конденсатор С2 заряжается в этой схеме не через Rз, а через Rд. Диод VD2, оставаясь закрытым, «отсекает» напряжение на С2 от выхода и напряжение на коллекторе возрастает практически одновременно с закрытием транзистора.
В мультивибраторах в качестве активного элемента можно использовать операционный усилитель. Автоколебательный мультивибратор на ОУ изображен на рис. 6.
ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной
и отрицательной
Хс/(Хс+R) = 1/(1+wRC).
Пусть генератор был включен в момент t0. На инвертирующем входе напряжение равно нулю, на неинвертирующем - равновероятно положительное или отрицательное. Для определенности возьмем положительное. За счет ПОС на выходе установится максимально возможное напряжение - Uвых m. Время установления этого выходного напряжения определяется частотными свойствами ОУ и можно положить его равным нулю. Начиная с момента t0 конденсатор С будет заряжаться с постоянной времени =RC. До момента времени t1 Uд = U+ - U- >0, и на выходе ОУ удерживается положительное Uвыхm. При t=t1 , когда Uд = U+ - U- = 0 выходное напряжение усилителя изменит свою полярность на - Uвых m. После момента t1 емкость С перезаряжается, стремясь к уровню - Uвых m. До момента t2 Uд = U+ - U- < 0, что обеспечивает квазиравновесное состояние системы, но уже с отрицательным выходным напряжением. Т.о. изменение знака Uвых происходит в моменты уравнивания входных напряжений на двух входах ОУ. Длительность квазиравновесного состояния системы определяется постоянной времени =RC, и период следования импульсов будет равен:
Т=2RCln(1+2R2/R1).
Мультивибратор, приведенный на рис.6 называется симметричным, т.к. времена положительного и отрицательного выходных напряжений равны.
Для получения несимметричного мультивибратора следует резистор в ООС заменить на схему, как показано на рис. 7. Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечена разными постоянными времени перезаряда емкостей:
R"C, - = R”C.
Мультивибратор на ОУ легко превратить в одновибратор или ждущий мультивибратор. Во-первых, в цепи ООС параллельно С подсоединим диод VD1, как показано на рис.8. Благодаря диоду схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательно. Действительно, т.к. Uвых = - Uвых m, то диод открыт и напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю. В то время как напряжение на неинвертирующем входе равно
U+ =- Uвых m R2/(R1+R2)
и сохраняется устойчивое состояние схемы. Для генерации одного импульса в схему следует добавить цепь запуска, состоящую из диодаVD2, С1 и R3. Диод VD2 поддерживается в закрытом состоянии и может открыться только положительным входным импульсом, пришедшим на вход в момент времени t0. С открытием диода меняется знак и схема переходит в состояние с положительным напряжением на выходе. Uвых = Uвых m. После этого конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени =RC. В момент времени t1 напряжения на входя сравниваются. U- = U+ = Uвых m R2/(R1+R2) и =0. В следующий момент дифференциальный сигнал становится отрицательным и схема возвращается в устойчивое состояние. Эпюры приведены на рис. 9.
Применяются схемы ждущих мультивибраторов на дискретных и логических элементах.
Схема рассматриваемого мультивибратора аналогична рассмотренной ранее.