Лабораторная работа №5 «Транзисторный мультивибратор»

5.1. Приборы и материалы:

• учебно-лабораторный стенд «Транзисторный мультивибратор»;

• учебно-лабораторный стенд «Генераторы»;

• осцилограф С1-118А.

5.2. Цель работы:

• изучение принципа работы транзисторного мультивибратора;

• изучение схем мультивибраторов.

5.3. Краткие сведения из теории:

Мультивибратор - это генератор периодических импульсов, близких по форме к прямоугольным.

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный - усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 5.1а). Обычно мультивибратор изображают в виде симметричной схемы (рис. 5.1б). Для схемы, составленной из неидеальных элементов, даже при тщательном их подборе, не удается реализовать симметричный режим работы. Каждый из каскадов инвертирует сигнал, и случайно возникшая флуктуация, пройдя через оба каскада, вернется в исходную точку с предыдущей полярностью, но усиленная в раз, где - коэффициент усиления каждого из каскадов. Так, например, если по некоторой причине ток первого транзистора уменьшится, то это вызовет увеличение напряжения на его коллекторе. Скачек напряжения пройдет через емкость на базу второго транзистора и приведет к увеличению коллекторного тока и уменьшению коллекторного напряжения . Усиленный скачек напряжения через емкость попадет на базу транзистора , что приведет к дальнейшему уменьшению тока (следует заметить, что хотя режимы транзисторов во время этих скачков существенным образом меняются, напряжения на конденсаторах и (и заряды на них) не могут испытывать мгновенных изменений и потому сохраняют свое предыдущее значение. Это означает, что напряжение на базе будет равняться , где и . Итак, , и это отрицательное напряжение на базе первого транзистора сохраняется). Этот процесс будет развиваться в геометрической прогрессии, лавиноподобно и приведет к полному запиранию транзистора и открывания (возможно, к полному насыщению). При этом один из транзисторов (или оба вместе) теряют способность к управлению, и развитие лавиноподобного процесса срывается. Устанавливается режим, который оказывается временно устойчивым, и схема может находиться в нем определенный промежуток времени.

5.3.1. Якісний розгляд роботи мультивібратора

Простежимо тепер за зміною напруги на базі транзистора , який щойно закрився. Ця напруга дорівнює . Однак, оскільки ми вважаємо, що відкритий до насичення, напруга мало відрізняється від нуля і отже можна вважати, що . Нехай в початковий момент напруга на дорівнює . Тоді і =. З часом ємність буде перезаряджатися від джерела живлення через резистор та відкритий транзистор . Напруга на буде поступово прямувати до , змінюючись за законом

(5.1)

де (внутрішнім опором джерела живлення та транзистора нехтуємо). Цей хід напруги зображено на рис.5.2. Доки ця напруга залишатиметься негативною, вона буде утримувати транзистор в закритому стані. Але в момент напруга досягнуть нуля і перейде через нього. Напруга на базі стане позитивною і він відкриється (насправді транзистор відкривається, коли напруга на його базі буде позитивною та перевищить - потенціал відкривання транзистора. Але цей потенціал складає лише кілька десятих вольта і ним можна у першому наближенні знехтувати). Це спричинить лавиноподібний процес, в результаті якого відкриється, а закриється. Далі процес буде циклічно повторюватися.

Для того, щоб уявити собі хід процесів у всій схемі в цілому, розглянемо систему епюр, що зображають одночасні зміни напруг як на базах, так і на колекторах обох транзисторів (рис.5.3).

Коли один з транзисторів відкривається, його колекторна напруга стрибком зменшується від до напруги насичення , яка складає звичайно кілька десятих вольта. При запиранні транзистора колекторна напруга знову зростає до . Таким чином, напруга на колекторі кожного з транзисторів має являти собою періодичні імпульси прямокутної форми величиною . Напруга на базах визначається процесами перезарядження ємностей і через резистори і і має вигляд імпульсів за формою близькою до трикутної.

Наведену картину слід доповнити деякими уточненнями. Так, після запирання починається відновлення заряду на ємності . Струм через неї потече в зворотному напрямку через і емітерно-базовий перехід транзистора , який щойно відкрився. Цей процес буде відбуватися зі сталою часу і закінчиться тим, що напруга на досягне значення (напругою відкритого емітерно-базового переходу нехтуємо). Однак, поки цей процес триватиме, через буде протікати струм і напруга на колекторі буде залишатися дещо нижчою від . Тому передній фронт імпульсу напруги виявляється зкругленим і напруга встановиться рівною лише тоді, коли мине час порядку .

Одночасно при протіканні струму, що заряджає ємність через базово-емітерний перехід , на останньому буде створюватися невеликий позитивний імпульс напруги , який викличе невеличке додаткове збільшення струму і короткочасне зменшення напруги (ці останні ефекти будуть майже непомітними, якщо транзистор буде відкритим до насичення).

Все це буде справедливим і для перезарядження ємності , коли закритим буде транзистор .