Лаб схемотехники / Лаб схемотех 5

Работа № 5

Транзисторные мультивибраторы

Для получения незатухающих колебаний применяют автоколебательные системы, преобразующие энергию источника питания в энергию электрических колебаний. Колебания поддерживаются незатухающими благодаря периодическому поступлению энергии от источника питания. Устройством, регулирующим поступление энергии от источника, может служить транзистор, электронная лампа или полупроводниковый прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельный диод, динистор, тиристор и другие).

Различают синусоидальные (гармонические) и релаксационные (разрывные) колебания. Синусоидальные колебания получают при помощи генераторов, содержащих обычно колебательные контуры. В генераторах релаксационных колебаний колебательный контур, как правило, отсутствует и колебания возникают вследствие “освобождения” запаса энергии клапаном (ключом), отдающим энергию импульсами. Обычно в качестве клапанов применяют транзисторы, работающие в ключевом режиме, или приборы с отрицательным сопротивлением. Когда ключ заперт, происходит накопление энергии, а когда отперт – отдача энергии. При этом частота колебаний определяется параметрами схемы, режимом работы транзистора и напряжением источника питания. Релаксационные генераторы достаточно легко и просто синхронизируются внешними импульсами различной формы.

Основное различие указанных типов генераторов состоит в том, что в генераторе гармонических колебаний за период расходуется малая часть энергии, накопленной в реактивном элементе, а в релаксационном генераторе – вся мощность. Этим объясняется различие в форме колебаний – плавные (гармонические) в генераторе синусоидальных колебаний и прерывистые (разрывные) в релаксационном генераторе.

Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным резистивным усилителем с глубокой положительной обратной связью – выход каждого из каскадов соединен со входом другого, в результате чего транзисторы входят поочередно - то в режим насыщения, то в режим отсечки. В транзисторных мультивибраторах в принципе возможно, хотя и с малой вероятностью, длительное устойчивое состояние, когда оба транзистора находятся в насыщении. При этом для возникновения колебаний необходим импульс, запирающий один из транзисторов. Следовательно, в транзисторном мультивибраторе возможен жесткий режим возбуждения колебаний.

Рассмотрим работу мультивибратора на кремниевых транзисторах по схеме на рисунке 1:

Рисунок 1

Рисунок 2

Мультивибратор может быть как симметричным, когда базовые и коллекторные резисторы, конденсаторы и транзисторы попарно одинаковы, так и несимметричным. Рассмотрим вначале симметричный мультивибратор. На рисунке 2 приведены зависимости коллекторного тока и напряжений на коллекторе и базе транзистора VT₁ от времени. Аналогичные зависимости для другого транзистора имеют такой же вид, но сдвинуты по фазе на половину периода генерируемых импульсов.

Если транзистор VT₁ открыт и находится в режиме насыщения, то в то же время транзистор VT₂ заперт. При этом правая обкладка конденсатора С_Б1 соединена через R_К2 с источником питания, а левая соединена с базой транзистора VT₁ . Протекающий зарядный ток поддерживает потенциал базы транзистора VT₁ на уровне, близком к U_БЭ  0,8 В. вполне достаточном, чтобы VT₁ в режиме насыщения. Напряжение база-эмиттер не может стать заметно большим этого напряжения из-за ограничивающего действия экспоненциальной входной характеристики транзистора и ограничения тока резистором R_К2 . Конденсатор заряжается до напряжения U_П – U_БЭ1 , где U_БЭ1  0,8 В. После окончания заряда конденсатора С_Б1 напряжение U_Б1 остается примерно таким же и поддерживается за счет тока через R_Б1 .

Во время и после окончания заряда конденсатора С_Б1 транзистор VT₂ остается запертым напряжением на конденсаторе С₂ , зарядившемся в предыдущий полупериод. В самом деле, если С_Б2 зарядился до напряжения U_П- U_БЭ2 , то все это напряжение приложено между базой и эмиттером VT₂ , так как потенциал левой обкладки конденсатора, равный напряжению коллектор – эмиттер насыщенного транзистора VT₁ , очень близок к нулю.

Чтобы транзистор VT₂ открылся, необходимо, чтобы конденсатор С_Б2 не только полностью разрядился, но и частично перезарядился до напряжения U_БЭ2  0,6 В , при котором VT₂ становится проводящим. Как только транзистор VT₂ начинает проводить, его коллекторный потенциал падает, этот перепад напряжения через конденсатор С_Б1 передается на базу VT₁ . Последний переходит в активный режим. Возникающий при этом регенеративный процесс быстро переключает схему из одного квазиустойчивого состояние в другое, при котором VT₁ находится в режиме отсечки, а VT₂ - в режиме насыщения.

При заряде конденсатора ,где Т_ЗАР = R_КC_Б . При разряде конденсатора , где Т_разр = R_БС_Б .

Постоянная времени разряда должна быть не менее чем на порядок больше постоянной времени заряда. Это необходимо для того, чтобы один из конденсаторов практически полностью зарядился (за время, равное нескольким постоянным времени заряда), пока другой конденсатор разряжается и держит запертым “свой” транзистор.

Транзистор отпирается, когда U_C (t)  0,6 В. Следовательно, полупериод прямоугольного колебания, генерируемого симметричным мультивибратором, можно найти из равенства

,отсюда Пренебрегая напряжением 0,6 В по сравнению с напряжением питания, получаем

(1)

. Соответственно, для несимметричного мультивибратора

Т  0,7 (R_Б1С_Б1 + R_Б2С_Б2) (2)

Данные выражения выведены в предположении мгновенности переключения транзисторов и не учитывает времени на рассасывание зарядов, накопленных в базе насыщенного транзистора.

Из описания работы схемы следует, что каждый из конденсаторов в процессе работы изменяет полярность напряжения. На рисунке указана полярность, которую конденсаторы имеют большую часть периода.

Недостатком приведенной схемы является экспоненциальный спад импульса на коллекторе запирающегося транзистора (на рисунке 2 указан пунктиром), который объясняется падением напряжения на коллекторном резисторе при заряде конденсатора, включенного между коллектором запертого и базой отпертого транзистора.

Скважность импульсов несимметричного мультивибратора не может быть сколь угодно большой из-за необходимости получения режима насыщения отпертого транзистора. Максимальная скважность может быть определена по формуле

Q_MAX  1 + 0,3 (3)

Чтобы транзистор находился в состоянии насыщения, необходимо выполнить условие I_Б  I_{К НАС} . Т.к. I_{К НАС}  U_П/R_К , а I_Б =U_П/R_Б , то данное неравенство можно переписать в виде R_Б  R_К (здесь  - коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером). Однако добиваться глубокого насыщения транзисторов нецелесообразно, т.к. при этом возрастает время рассасывания носителей в базе и, соответственно, увеличиваются фронты импульсов и снижается стабильность частоты. Кроме того, с увеличением степени насыщения уменьшается способность схемы к возбуждению колебаний. При слишком малой степени насыщения искажается форма вершины импульса. В практических схемах обычно берут

R_Б = 0,5  R_К (4)

Рассмотрим некоторые варианты схем мультивибраторов. Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора, может быть достигнуто применением разделительных (отключающих) диодов в цепях коллекторов (рисунок 3):

Рисунок 3

Рисунок 4

Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам включены дополнительные резисторы. После запирания одного из транзисторов и понижения потенциала коллектора подключенный к его коллектору диод также запирается, отключая конденсатор от коллекторной цепи. Заряд конденсатора происходит через дополнительный резистор R_д , а не через коллекторный, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится практически равным напряжению питания. Минимальная длительность фронта и спада коллекторных импульсов определяется в основном частотными свойствами транзисторов

Данная схема позволяет получить импульсы почти прямоугольной формы, но ее недостатки заключаются в более низкой максимальной скважности и невозможности плавной регулировки периода колебаний.

На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора , обеспечивающая высокую частоту автоколебаний. Резисторы R₁ и R₂ подключены параллельно конденсаторам, а резисторы R_Б вместе с резисторами R_К и R образуют делители напряжения, стабилизирующие потенциал базы отпертого транзистора (при токе делителя, превышающем ток базы). При переключении мультивибратора ток базы насыщенного транзистора здесь изменяется более резко, чем в ранее рассмотренных схемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выход транзистора из насыщения.