Мультивибратор на полевых транзисторах принцип работы. Симметричный мультивибратор

Аннотация

В данной пояснительной записке представлены описание схемы и временных диаграмм, расчетные методики мультивибратора на полевых транзисторах. В соответствии с заданием рассчитаны необходимые параметры схемы.

THE SUMMARY

In the given explanatory note the description of the circuit and time diagrams, settlement techniques of the multivibrator on field transistors are submitted. According to the task necessary parameters of the circuit are designed.

период следования импульсов Т: 200 мкс

длительность

: 10 мкс

длительность среза

: 1 мкс

амплитуда импульсов U вых. u: -10 В

Титульный лист

Аннотация

Техническое задание

Введение

1.Описание схемы устройства фантастронного генератора пилообразного напряжения

2.Расчет фантастронного генератора пилообразного напряжения

2.1.Электрические расчеты

2.2.Выбор обоснование элементной базы

Заключение

Библиографический список

Спецификация

Временные диаграммы

ВВЕДЕНИЕ

Электронная вычислительная техника – сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.

Генераторы преобразуют энергию источника питания в энергию периодических или квазипериодических электрических колебаний. Основное назначение генераторов в электронике – это формирование импульсов начальной установки и синхронизации, управляющих сигналов различной формы и длительности.

Все многообразие генераторов можно подразделить на следующие типы:

Генераторы прямоугольных импульсов;

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН);

Генераторы ступенчато-изменяющегося напряжения;

Генераторы синусоидальных колебаний

Типичные формы прямоугольных колебаний показаны на рис.1

Генераторы прямоугольных импульсов, имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.

Мультивибраторы подразделяются на две группы:

Автоколебательные мультивибраторы;

Ждущие мультивибраторы или одновибраторы.

Основное различие между этими мультивибраторами заключается в том, что автоколебательные мультивибраторы формируют импульсную последовательность при подаче напряжения питания на схему, так как они имеют две цепи обратной связи с накопителями энергии, а ждущие мультивибраторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами по внешнему запуску, так как одна петля обратной связи не имеет накопителя энергии. Одновибратор – что-то среднее между мультивибратором и триггером .

Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения мультивибраторов. При мягком режиме любые изменения напряжения в цепи обратной связи в момент включения питания приводят к возникновению режима генераций; при жестком режиме генерация возникает, когда напряжение в цепи обратной связи достигает определенного порога.

Мультивибраторы подразделяются на перезапускаемые и неперезапускаемые. В первом случае при подаче импульса запуска генерация выходных сигналов начинается заново с исходного состояния. Перезапуски позволяют неограниченно увеличивать длительность выходного импульса независимо от параметров схемы мультивибратора. Неперезапускаемые мультивибраторы не реагируют на внешние импульсы запуска

1. Описание схемы мультивибратора на полевых транзисторах

Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых ёмкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искажённой, а скважность больше, чем у мультивибраторов на биполярных транзисторах.

Для автоколебательных мультивибраторов наиболее подходят ПТ с управляющим p-n переходом, так как во время заряда конденсаторов напряжение на участке затвор-исток приложено в прямом направлении и поэтому сопротивление этого участка мало и малым становится время заряда конденсаторов.

Схема мультивибраторов из ПТ с управляющим p-n переходом и каналом p-типа изображена на рис.2. В этом мультивибраторе через резисторы

подаётся небольшое отрицательное напряжение на затвор относительно истока, что повышает стабильность периода колебаний и длительность выходных импульсов В отличие от мультивибратора на БП транзисторах работа устройства не нарушается, если резисторы включить между затвором и общей точкой (схема с «нулевым» затвором).

Временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора показаны рис.3. В основных чертах принцип действия этого мультивибратора такой же, как и у лампового. От мультивибратора на БТ его отличает то, что во временно устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы

и не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки (обычно 1-6 В)

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

I. Выбор транзистора. Для обеспечения временно устойчивых состояний равновесия необходимо выбирать транзисторы, у которых

- максимально допустимое напряжение сток-исток, - напряжение отсечки.

По справочнику выбираем ПТ КП103Л, имеющий следующие параметры:

При напряжениях

=10 В и =0 ток стока =3 - 6,6 мА, крутизна характеристики S=1.8 – 3.8 мА/В; ток затвора 20 нА, входная ёмкость пФ, проходная ёмкость пФ и рассеиваемая на коллекторе мощность P = 120 мВт. Рассчитаем средние значения напряжения отсечки и входного сопротивления.

Для расчёта принимаем

Начинающие радиолюбители, конечно, знают, что мультивибраторы (симметричные и несимметричные) выполняют на биполярных транзисторах. К сожалению, подобные мультивибраторы обладают недостатком - при работе с достаточно мощной нагрузкой, например, лампами накаливания, для полного открывания транзисторов необходимы большие базовые токи.Если же плечи мультивибратора переключаются с частотой 3...0,2 Гц, приходится устанавливать в частотозадающих цепях оксидные конденсаторы большой емкости, а значит, и больших габаритов. Не следует забывать и об относительно большом напряжении насыщения открытых транзисторов.В предлагаемом мультивибраторе (см. рисунок) использованы отечественные полевые n-канальные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Внутри корпуса между выводами затвора и истока стоит защитный стабилитрон, который значительно уменьшает вероятность выхода из строя транзистора при неумелом с ним обращении

Частота переключения транзисторов мультивибратора около 2 Гц, она задается конденсаторами и резисторами. Нагрузка транзисторов мультивибратора - лампы накаливания EL1, EL2.Резисторы, включенные между стоком и затвором транзисторов, обеспечивают мягкий запуск мультивибратора. К сожалению, они немного "затягивают" выключение транзисторов.Вместо ламп накаливания в цепь стока транзисторов допустимо включить светодиоды с ограничительными резисторами сопротивлением 360 Ом либо телефонный капсюль, например, ТК-47 (для этого варианта мультивибратор должен работать в области звуковых частот). В случае использования только одного капсюля, в цепь стока другого транзистора необходимо включить в качестве нагрузки резистор сопротивлением 100...200 Ом.Резисторы R1, R2 указанных на схеме номиналов можно составить из нескольких последовательно соединенных меньшего сопротивления. Если такого варианта нет, установите резисторы меньших номиналов, а конденсаторы - больших.Конденсаторы могут быть неполярные керамические либо пленочные, например, серий КМ-5, КМ-6, К73-17. Лампы накаливания применены от "мигающей" елочной гирлянды китайского производства на напряжение 6 В и ток 100 мА. Подойдут также малогабаритные лампы на напряжение 6 В и ток 60 либо 20 мА.Вместо транзисторов указанной серии, выдерживающих постоянный ток до 180 мА, допустимо применить рассчитанные на больший ток ключи серий КР1064КТ1, КР1014КТ1. В случае использования мультивибратора с более мощной нагрузкой, скажем, автомобильными лампами накаливания, понадобятся другие транзисторы, например КП744Г, допускающие ток стока до 9 А. Но при этом варианте нужно между затвором и истоком установить защитные стабилитроны на напряжение 8...10 В (катодом к затвору) - КС191Ж или аналогичные. При больших токах нагрузки транзисторы придется установить на теплоотводы.Налаживают мультивибратор подбором конденсаторов до получения желаемой частоты переключения транзисторов. Для работы устройства на звуковых частотах конденсаторы должны быть емкостью 300...600 пф. Если же оставить конденсаторы указанной на схеме емкости, придется подобрать резисторы меньшего сопротивления - вплоть до 47 кОм.Мультивибратор работоспособен при напряжении питания 3...10 В, разумеется, с соответствующей нагрузкой. Если его предполагается использовать в качестве какого-то узла в разрабатываемой конструкции, между проводами питания мультивибратора устанавливают блокировочный конденсатор емкостью 0,1...100 мкФ.

Вывод

Глава 11

Гибридный мультивибратор

При первом включении генератора в электросеть 220 В конденсатор С3 начинает заряжаться выпрямленным сетевым напряжением через лампу накаливания EL1, токоограничительные резисторы R4–R6 и эмиттерный переход транзистора VT1. Начальное время его зарядки составляет около 20 с. Это определяет задержку первого включения лампы, что в ряде случаев может оказаться полезным. Левое плечо мультивибратора – транзистор VT1 – питается постоянным напряжением около 12 В, которое формируется из выпрямленного диодным мостом VD5 сетевого, ограничивается стабилитроном VD1 и фильтруется оксидным конденсатором С1. Диод VD2 защищает эмиттерный переход транзистора от возможного пробоя высоким напряжением отрицательной полярности при перезарядке конденсатора С3.
Мощный высоковольтный полевой транзистор VT2 с изолированным затвором и n - каналом обогащенного типа периодически открывается в те моменты, когда закрыт VT1. В это время лампа EL1 светит полным накалом. Чтобы полевой транзистор открывался полностью, т.е. работал в ключевом режиме и не перегревался, напряжение затвор-исток должно быть не менее 10 В, но не более 15…20 В. В данном случае оно будет равно рабочему напряжению стабилитрона VD1. Диоды VD3, VD4 защищают затвор полевого транзистора от пробоя, например, при прикосновении отверткой или паяльником. Варистор R8 защищает полевой транзистор от повреждения при всплесках сетевого напряжения.Частота мигания лампы накаливания, в основном, зависит от параметров цепей С2, R3 и C3, R2, R4–R6.В конструкции можно использовать резисторы С1-4, С2-23, МЛТ и специальные высокомегаомные КИМ-Е, С3-14, С-36. Варистор R8 можно установить на напряжение 390…470 В. Подойдут, например, такие, как FNR307K391, FNR-20K391, FNR-14K431, FNR-05K471 или высоковольтные стабилитроны КС609В, КС903А, КС904АС. Настоятельно не рекомендую пренебрегать этим элементом, так как короткие импульсные всплески сетевого напряжения нередки и могут достигать амплитуды в 5 кВ.В крайнем случае можно воспользоваться варисторами типа СН1-1 на 560…680 В, которые использовались в устаревших отечественных телевизорах. Конденсатор С1 –К50-35 или импортный аналог. Остальные конденсаторы типов К73-17, К73-24, К73-39. При этом С3 должен быть на напряжение не менее 250 В. Стабилитрон VD1 нужно взять маломощный на рабочее напряжение 12…13 В, подойдут КС207В, КС212Ж, КС213Б, КС508А, Д814Д1, 1N4743A, TZMC-12. Перед установкой на плату стабилитрон следует проверить на исправность. Диоды VD2–VD4 любые из серий КД503, КД510, КД512, 1N4148. Выпрямительный мост VD5 – КЦ402А–В, КЦ405А–В, RC204–RC207, RS204–RS207 или четыре диода, например, КД257В. Транзистор VT1 работает в режиме микротока. Он должен иметь коэффициент передачи тока базы не менее 150. Подойдет любой из серий КТ3102, КТ342, КТ6111, SS9014, 2SC900, 2SC1222. Полевой транзистор при работе с нагрузкой мощностью до 150 Вт можно взять любой из серий КП707, КП777А–В, IRF840, IRF430, BUZ214. При монтаже полевой транзистор нужно обязательно защищать от пробоя, например, временно закоротив все его выводы. Так как из3за высоких сопротивлений резисторов он открывается и закрывается относительно медленно, то его крайне желательно установить на алюминиевый теплоотвод размерами не менее 55х30х4 мм. Проблему можно решить усложнением схемотехники устройства, но это уже будет противоречить концепции простоты предлагаемой конструкции. Для работы с лампами накаливания мощностью более 150 Вт можно использовать параллельное включение нескольких полевых транзисторов, но такой подход в данном случае можно признать нерациональным из-за ощутимого увеличения затрат на комплектующие.Чертеж возможного варианта печатной платы 55×105 мм показан на рис.2. Частоту мерцания лампы EL1 удобнее задавать изменением емкости конденсаторов С2, С3. При этом следует помнить, что конденсатор С3 сохраняет заряд длительное время после отключения питания. При настройке и эксплуатации устройства следует помнить, что все его элементы находятся под напряжением осветительной сети, и соблюдать необходимые меры осторожностиВ этой статье речь пойдет о простом генераторе световых импульсов, который работает с мощной высоковольтной нагрузкой, построенном по «классической” схеме двухтранзисторного симметричного мультивибратора, но на транзисторах разного типа – биполярном и полевом (рис.1).

Устройство, собранное по предлагаемой схеме, может найти применение для новогодней иллюминации, дискотек, в системах сигнализации или использоваться в качестве рабочего макета для различных экспериментов.При первом включении генератора в электросеть 220 В конденсатор С3 начинает заряжаться выпрямленным сетевым напряжением через лампу накаливания EL1, токоограничительные резисторы R4–R6 и эмиттерный переход транзистора VT1. Начальное время его зарядки составляет около 20 с. Это определяет задержку первого включения лампы, что в ряде случаев может оказаться полезным. Левое плечо мультивибратора – транзистор VT1 – питается постоянным напряжением около 12 В, которое формируется из выпрямленного диодным мостом VD5 сетевого, ограничивается стабилитроном VD1 и фильтруется оксидным конденсатором С1. Диод VD2 защищает эмиттерный переход транзистора от возможного пробоя высоким напряжением отрицательной полярности при перезарядке конденсатора С3.
Мощный высоковольтный полевой транзистор VT2 с изолированным затвором и n - каналом обогащенного типа периодически открывается в те моменты, когда закрыт VT1. В это время лампа EL1 светит полным накалом. Чтобы полевой транзистор открывался полностью, т.е. работал в ключевом режиме и не перегревался, напряжение затвор-исток должно быть не менее 10 В, но не более 15…20 В. В данном случае оно будет равно рабочему напряжению стабилитрона VD1. Диоды VD3, VD4 защищают затвор полевого транзистора от пробоя, например, при прикосновении отверткой или паяльником. Варистор R8 защищает полевой транзистор от повреждения при всплесках сетевого напряжения.Частота мигания лампы накаливания, в основном, зависит от параметров цепей С2, R3 и C3, R2, R4–R6.В конструкции можно использовать резисторы С1-4, С2-23, МЛТ и специальные высокомегаомные КИМ-Е, С3-14, С-36. Варистор R8 можно установить на напряжение 390…470 В. Подойдут, например, такие, как FNR307K391, FNR-20K391, FNR-14K431, FNR-05K471 или высоковольтные стабилитроны КС609В, КС903А, КС904АС. Настоятельно не рекомендую пренебрегать этим элементом, так как короткие импульсные всплески сетевого напряжения нередки и могут достигать амплитуды в 5 кВ.В крайнем случае можно воспользоваться варисторами типа СН1-1 на 560…680 В, которые использовались в устаревших отечественных телевизорах. Конденсатор С1 –К50-35 или импортный аналог. Остальные конденсаторы типов К73-17, К73-24, К73-39. При этом С3 должен быть на напряжение не менее 250 В. Стабилитрон VD1 нужно взять маломощный на рабочее напряжение 12…13 В, подойдут КС207В, КС212Ж, КС213Б, КС508А, Д814Д1, 1N4743A, TZMC-12. Перед установкой на плату стабилитрон следует проверить на исправность. Диоды VD2–VD4 любые из серий КД503, КД510, КД512, 1N4148. Выпрямительный мост VD5 – КЦ402А–В, КЦ405А–В, RC204–RC207, RS204–RS207 или четыре диода, например, КД257В. Транзистор VT1 работает в режиме микротока. Он должен иметь коэффициент передачи тока базы не менее 150. Подойдет любой из серий КТ3102, КТ342, КТ6111, SS9014, 2SC900, 2SC1222. Полевой транзистор при работе с нагрузкой мощностью до 150 Вт можно взять любой из серий КП707, КП777А–В, IRF840, IRF430, BUZ214. При монтаже полевой транзистор нужно обязательно защищать от пробоя, например, временно закоротив все его выводы. Так как из3за высоких сопротивлений резисторов он открывается и закрывается относительно медленно, то его крайне желательно установить на алюминиевый теплоотвод размерами не менее 55х30х4 мм. Проблему можно решить усложнением схемотехники устройства, но это уже будет противоречить концепции простоты предлагаемой конструкции. Для работы с лампами накаливания мощностью более 150 Вт можно использовать параллельное включение нескольких полевых транзисторов, но такой подход в данном случае можно признать нерациональным из-за ощутимого увеличения затрат на комплектующие.Чертеж возможного варианта печатной платы 55×105 мм показан на рис.2. Частоту мерцания лампы EL1 удобнее задавать изменением емкости конденсаторов С2, С3. При этом следует помнить, что конденсатор С3 сохраняет заряд длительное время после отключения питания. При настройке и эксплуатации устройства следует помнить, что все его элементы находятся под напряжением осветительной сети, и соблюдать необходимые меры осторожности

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!

Принципиальная схема мощного транзисторного мультивибратора с управлением, построен на транзисторах КТ972, КТ973. Многие радиолюбители начинали свой творческий путь со сборки простых радиоприёмников прямого усиления, несложныхусилителей мощности звуковой частоты и сборки простых мультивибраторов, состоящих из пары транзисторов, двух или четырёх резисторов и двух конденсаторов.

Традиционный симметричный мультивибратор обладает рядом недостатков, среди которых относительно высокое выходное сопротивление, затянутые фронты импульсов, ограниченное напряжение питания, невысокий КПД при работе на низкоомную нагрузку.

Принципиальная схема

На рис. 1. представлена схема управляемого симметричного двухфазного мультивибратора, работающего на звуковых частотах, нагрузка к которому подключается по мостовой схеме Благодаря этому, размах амплитуды сигнала на нагрузке почти вдвое превышает напряжение питания мультивибратора, что позволяет получитъ значительно большую громкость, по сравнению с тем, если бы нагрузка была бы включена в одно из плеч мультивибратора.

Кроме того, на нагрузку подаётся «настоящее» напряжение переменного тока, что значительно улучшает условия работы подключенной в качестве нагрузки динамической головки - отсутствует эффект вдавливания или выпячивания диффузора (в зависимости от полярности включения динамика). Также отсутствуют щелчки при включении или выключении мультивибратора.

Рис. 1. Принципиальна ясхема мощного мультивибратора на транзисторах КТ972, КТ973.

Симметричный двухфазный мультивибратор состоит из двух двухтактных плеч, напряжение на которых попеременно меняется с низкого уровня на высокий. Допустим, что при включении питания, первым открылся составной транзистор VТ2.

Тогда напряжение на выводах коллекторов транзисторов VТ1, VТ2 станет близко к нулю (VТ1 открыт, VТ2 закрыт) К точке соединения их коллекторов через токоограничительный резистор R12 подключен составной р-п-р транзистор VТ5, который откроется. К нагрузке будет приложено напряжение около 8 В при напряжении питания мультивибратора 9 В. С перезарядом конденсаторов С2, С4, мультивибратор переключится - VТ1, VТ6 откроются, VТ2, VТ5 закроются.

К нагрузке будет приложено такое же напряжение, но в обратной полярности. Частота переключения мультивибратора зависит от ёмкости конденсаторов С2, С4, и, в меньшей степени, от установленного сопротивления подстроечного резистора R7. При напряжении питания 9 В частоту можно перестраивать от 1,4 до 1,5 кГц.

При уменьшении сопротивления R7 ниже условного значения, генерация звуковых частот срывается. Следует отметить, что после запуска мультивибратор может работать без резисторов R5, R11. Форма напряжения на выходе мультивибратора близка к прямоугольной.

Резисторы R6, R8 и диоды VD1, VD2 защищают эмиттерные переходы транзисторов VТ2, VТ6 от пробоя, что особенно актуально при напряжении питания мультивибратора более 10В. Резисторы R1, R13 необходимы для устойчивой генерации, при их отсутствии мультивибратор может «хрипеть». Диод VD3 защищает мощные транзисторы от переполю-совки напряжения питания При его отсутствии и при достаточной мощности источника питания при переполюсовке напряжения встроенные защитные дирды транзисторов могут оказаться повреждёнными.

Чтобы расширить функциональные возможности этого мультивибратора, в него введена возможность включения/выключения при подаче напряжения положительной полярности на вход управления. Если управляющий вход никуда не подключен или напряжение на нём не более 0,5 В, транзисторы VТЗ, VТ4 закрыты, мультивибратор работает.

При подаче на вход управления напряжения высокого уровня, например, с выхода ТТЛШ. КМОП микросхем, датчика электрических или неэлектрических величин, например, датчика влажности, транзисторы VТЗ, VТ4 открываются, мультивибратор затормаживается. В таком состоянии мультивибратор потребляет ток менее 200 мкА, без учета тока через R2, R3, R9.

Детали и монтаж

Мультивибратор можно смонтировать на печатной плате размерами 70*50 мм, эскиз которой показан на рис. 2 Постоянные резисторы можно использовать любые малогабаритные. Подстроечный резистор РП1-63М, СП4-1 или аналогичный импортный. Оксидные конденсаторы К50-29, К50-35 или аналоги Конденсаторы С2, С4 - К73-9, К73-17, К73-24 или любые плёночные малогабаритные.

Рис. 2. Печатная плата для схемы мощного мультивибратора на транзисторах.

Диоды КД522А можно заменить на КД503. КД521. Д223 с любым буквенным индексом или импортными 1N914, 1N4148. Вместо диодов КД226А и КД243А подойдёт любой из серий КД226, КД257, КД258, 1 N5401 ...1 N5407.

Составные транзисторы КТ972А можно заменить любым из этой серии или из серии КТ8131, а вместо КТ973 любой из серии КТ973, КТ8130. При необходимости, мощные транзисторы устанавливают на небольшие теплоотводы. При отсутствии таких транзисторов, их можно заменить аналогами из двух транзисторов, включен ных по схеме Дарлингтона, рис. 3. Вместо маломощных п-р-п транзисторов КТ315Г подойдут любые из серий КТ312, КТ315, КТ342, КТ3102, КТ645, SS9014 и аналогичные.

Рис. 3. Принципиальная схема эквивалентной замены транзисторов КТ972, КТ973.

Нагрузкой этого мультивибратора может бытъ динамическая головка, телефонный капсюль, пьезокерамический излучатель звука, импульсный повышающий/понижающий трансформатор.

При использовании динамической головки с сопротивлением обмотки 8 Ом, следует учитывать, что при напряжении питания 9 В на нагрузку будет поступать 8 Вт мощности напряжения переменного тока. Поэтому, двух...четырёхваттная динамическая головка может бытъ повреждена уже через 1...2 минуты работы.

Налаживание

На рабочую частоту мультивибратора значительное влияние оказывает ёмкость нагрузки и напряжение питания. Например, при изменении напряжения питания от 5 до 15 В частота изменяется с 2850 до 1200 Гц при работе на мультивибратора на нагрузку в виде телефонного капсюля с сопротивлением обмотки 56 Ом. В области малых напряжений питания изменение рабочей частоты более значительно

Подбором сопротивлений резисторов R5, R11, R6, R8 можно задать форму импульсов почти строго прямоугольной при работе мультивибратора с конкретной подключенной нагрузкой при заданном напряжении питания.

Этот мультивибратор может найти применение в различных сигнальных устройствах, устройствах звукового оповещения, когда при небольшом имеющемся напряжении источника питания требуется получить значительную мощность на излучателе звука. Кроме того, его удобно использовать в преобразователях низкого напряжения в высокое, в том числе, работающих на низкой частоте осветительной сети 50 Гц.

Бутов А. Л. РК-2010-04.

Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить,
а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент–Экзюпери

Многие радиолюбители, конечно же, сталкивались с технологией поверхностного монтажа печатных плат SMT (Surface mount technology), встречали элементы SMD (Surface mount device), монтируемые на поверхность и слышали о преимуществах поверхностного монтажа, который по праву называют четвертой революцией в электронной технике после изобретения лампы, транзистора и интегральной схемы.

Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.

Нужна практика в создании простых конструкций на SMD элементах, чтобы приобрести навыки, уверенность в своих силах, убедиться в перспективности поверхностного монтажа для себя лично. Ведь процесс изготовления печатной платы упрощается (не нужно сверлить отверстия, формовать выводы деталей), а получаемый выигрыш в плотности монтажа заметен невооруженным глазом.

Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.

Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы .

Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры

(рис. 1) является настоящим «бестселлером» в радиолюбительской литературе .

Рис. 1. Схема несимметричного мультивибратора

Подключая в схему те или иные внешние цепи, можно собрать не один десяток конструкций. Например, звуковой пробник, генератор для изучения азбуки Морзе, прибор для отпугивания москитов, основа одноголосого музыкального инструмента. А применение внешних датчиков или устройств управления в цепи базы транзистора VT1 позволяет получить сторожевое устройство, индикатор влажности, освещённости, температуры и многие другие конструкции.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Список источников

1. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2005, 216 с. (с. 47 – 64).
2. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. – М.: Альтекс-А, 2001. – 352 с.
3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания. Книга 4. – М.: Альтекс-А, 2002. – 176 с.
4. Низковольтная «мигалка». (За рубежом) // Радио, 1998, №6, с. 64.
5.
6.
7.
8. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС. – М:.Мир, 1989 (схема 46. Простой индикатор разряда батареи, с. 104; схема 47. Маркер фалиня (мигающий), с. 105).
9. Генератор на LM3909 // Радиосхема, 2008, №2.Специальность по диплому - радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.