Общие сведения о мультивибраторах

Широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, следовательно, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim — много и vibro — колеблю) — релаксационный генератор импульсов почти прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Различают два вида мультивибраторов: автоколебательные (не обладают состоянием устойчивого равновесия) и ждущие (обладают одним состоянием устойчивого равновесия и поэтому называются одновибраторы).

Сущность работы мультивибратора — переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R. Это переключение осуществляется с помощью транзисторных ключей.

Мультивибратор можно построить на базе биполярных транзисторов (БПТ), полевых транзисторов (ПТ), операционных усилителей постоянного тока (ОУПТ) и др.

3.2 Транзисторный мультивибратор. Принцип действия,
осциллограммы работы мультивибратора

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный RC-усилитель охваченный положительной обратной связью (ПОС). Для этого необходимо два транзисторных каскада включённых по схеме с ОЭ (см. рис.3.1) или два инвертирующих ОУПТ.

Для возбуждения мультивибратора необходимо выполнение двух условий — баланса фаз и баланса амплитуд.

Баланс фаз ,

Баланс амплитуд .

т.к. фактор обратной связи , и ,

то фазовый сдвиг усилителя , что и обеспечивается двумя каскадами по схеме с ОЭ.

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема транзисторного мультивибратора

Мультивибраторы на БПТ наиболее часто выполняются по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (см. рис 3.2). Симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов: резисторов , и конденсатора ; параметры транзисторов одинаковы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход последнего. В схеме приведённого мультивибратора использованы транзисторы p-n-p типа.

Рисунок 3.2 — Симметричная схема транзисторного мультивибратора

При подсоединении схемы к источнику питания оба транзистора открыты и обуславливают коллекторные токи. Их рабочие точки находятся в активной области, поскольку на базы через резисторы , подаётся отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме ПОС выполняется условие и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько уменьшается ток транзистора . При этом коллектор транзистора получит отрицательное приращение потенциала . Поскольку напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора , открывая его. Потенциал на базе отрицательный, ток возрос, потери на резисторе возросли, получит приращение и будет приложено на ( ), т.е. ток уменьшиться, а ток возрастёт. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор входит в режим насыщения, а транзистор в режим отсечки.

Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). Время нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии определяется процессами перезарядки ёмкостей (см. рис.3.3).

Пусть транзистор заперт, а транзистор открыт – первое временно устойчивое состояние. Конденсатор заряжен, цепь заряда: ЭБ₂ , , , и на “–”. Т.к заперт, то . В предыдущем цикле был открыт и напряжение на нём было . По мере заряжения ёмкости ток уменьшается, потери на уменьшаются и .

В момент времени (предыдущий цикл) транзистор насыщен, а транзистор – в отсечке. Ёмкость была заряжена до . Начиная с момента времени , ёмкость начнёт разряжаться. Цепь разряда: “ ”, , , и на “–” .

Напряжение за счёт открытого транзистора приложено между Б и Э транзистора (“ ” на Б, а “–” на Э).

После перезаряда конденсатора, если бы мы схему оставили в включённом режиме, то напряжение на меняется в . Потенциал , транзистор открывается. Транзистор закрывается и начинается лавинный процесс перехода транзисторов из одного состояния в другое. В результате этого процесса транзистор открыт, а транзистор закрыт – наступает второе временно устойчивое состояние.

Рисунок 3.3 — Временные диаграммы напряжений автоколебательного мультивибратора

Начинается заряд конденсатора по цепи “ ”, БЭ , , , и на “–” . Напряжение достигает нуля, т.е. больше . После переходный процесс повторяется.

Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого из транзисторов, почти прямоугольной формы.