Схемы мультивибраторов, принцип работы, расчет

Одновибратор

Формирование импульсов с помощью простейших логических элементов. Одновибратор или ждущий или заторможенный мультивибратор генерирует импульс заданной амплитуды и длительности после прихода запускающего импульса. Одновибратор строят с использованием цепи положительной обратной связи и пороговых элементов. Очень часто в качестве времязадающих элементов в мультивибраторах применяют RC цепочки. Могут быть использованы также линии задержки, отрезки кабеля. Один из способов построения одновибраторов – использование логических элементов.

Условие нормальной работы:

t зап < t имп. . Если это условие не выполняется, то можно укоротить импульс с помощью дифференцирующей цепочки, включенной на входе запуска.

Часто требуется сформировать импульс по логическому перепаду на входе. Одна из возможных схем показана на рисунке. Длительность выходного импульса определяется на этой схеме длительностью схемы задержки ().

Вместо RC цепочки можно включить любой элемент задержки: два последовательно включенных инвертора, линию задержки, отрезок кабеля и т.д. Элемент 2И-НЕ с триггером Шмидта на входе обеспечивает устойчивую работу схемы.

Полупроводниковая промышленность выпускает специализированные микросхемы, с помощью которых при минимальном числе внешних элементов можно строить генераторы импульсов. Пример такой микросхемы в ТТЛ серии – 1533АГ3. В одном корпусе микросхемы имеется 2 независимых элемента. Длительность импульса с выхода каждого элемента равна tимп = 0.5 RC.

Таблица состояний 1533АГ3

Моностабильный

Рисунок 2: Базовый BJT моностабильный мультивибратор

В моностабильном мультивибраторе одна резистивно-емкостная сеть (C₂-Р₃ на рисунке 1) заменена резистивной цепью (просто резистором). Схема может быть представлена как 1/2 . Напряжение коллектора Q2 является выходом схемы (в отличие от , он имеет идеальную прямоугольную форму волны, так как выход не загружен конденсатором).

При срабатывании входного импульса моностабильный мультивибратор на какое-то время переключается в нестабильное положение, а затем возвращается в стабильное состояние. Время нахождения моностабильного мультивибратора в нестабильном состоянии определяется выражением т = ln (2)р₂C₁. Если повторное приложение входного импульса поддерживает цепь в нестабильном состоянии, это называется перезапускаемый моностабильный. Если дальнейшие импульсы запуска не влияют на период, схема является без повторного запуска мультивибратор.

Для схемы на Рисунке 2 в стабильном состоянии Q1 выключен, а Q2 включен. Он запускается нулевым или отрицательным входным сигналом, подаваемым на базу Q2 (с таким же успехом его можно запускать, подавая положительный входной сигнал через резистор на базу Q1). В результате контур переходит в описано выше. По истечении времени он возвращается в свое стабильное исходное состояние.

Моностабильный с использованием операционного усилителя

моностабильный мультивибратор на ОУ

Схема полезна для генерации одиночного выходного импульса регулируемой длительности в ответ на сигнал запуска. Ширина выходного импульса зависит только от внешних компонентов, подключенных к операционному усилителю. Диод D1 ограничивает напряжение конденсатора до 0,7 В, когда на выходе + Vsat. Предположим, что в стабильном состоянии выход Vo = + Vsat. Диод D1 ограничивает конденсатор до 0,7 В. Напряжение на неинвертирующем выводе через делитель потенциала будет + βVsat. Теперь на неинвертирующую клемму подается отрицательный триггер с величиной V1, так что эффективный сигнал на этой клемме меньше 0,7 В. Затем выходное напряжение переключается с + Vsat на -Vsat. Теперь диод будет смещен в обратном направлении, и конденсатор начнет экспоненциально заряжаться до -Vsat через R. Напряжение на неинвертирующем выводе через делитель потенциала будет-βVsat. Через некоторое время конденсатор заряжается до напряжения более — βVsat. Напряжение на неинвертирующем входе теперь больше, чем на инвертирующем входе, и выход операционного усилителя снова переключается на + Vsat. Конденсатор разряжается через резистор R и снова заряжается до 0,7 В.

Ширина импульса T моностабильного мультивибратора рассчитывается следующим образом: Общее решение для RC-цепи нижних частот:

Vо=Vж+(Vя−Vж)е−трC{displaystyle V_ {o} = V_ {f} + (V_ {i} -V_ {f}) e ^ {- t / RC}}

куда Vж=−Vсидел{displaystyle V_ {f} = — V_ {ext {sat}}} и Vя=Vd{displaystyle V_ {i} = V_ {d}}, прямое напряжение диода. Следовательно,

Vc=−Vсидел+(Vd+Vсидел)е−трC{displaystyle V_ {c} = — V_ {ext {sat}} + (V_ {d} + V_ {ext {sat}}) e ^ {- t / RC}}

в т=Т{displaystyle t = T},

Vc=−βVсидел{displaystyle V_ {c} = — eta V_ {ext {sat}}}

−βVсидел=−Vсидел+(Vd+Vсидел)е−ТрC{displaystyle — eta V_ {ext {sat}} = — V_ {ext {sat}} + (V_ {d} + V_ {ext {sat}}) e ^ {- T / RC}}

после упрощения,

Т=рCпер⁡(1+VdVсидел1−β){displaystyle T = RCln left ({1 + V_ {d} / V_ {ext {sat}} за 1-eta} полёт)}

куда β=р2р1+р2{displaystyle eta = {R2 вместо R1 + R2}}

Если Vсидел>>Vd{displaystyle V_ {ext {sat}} >> V_ {d}} и р1=р2{displaystyle R1 = R2} так что β=0.5{displaystyle eta = 0,5}, тогдаТ=0.69рC{displaystyle T = 0.69RC}

Расчёт ждущего мультивибратора

Для расчёта ждущего мультивибратора необходимо задать некоторые исходные данные: амплитуда импульсов U_m, длительность импульсов t_i, частота запускающих импульсов f.

Для примера рассчитаем ждущий мультивибратор с эмиттерными связями со следующими параметрами: U_m = 5 В, длительность импульсов t_i = 100 нс, частота запускающих импульсов f = 500 кГц, ток коллектора VT2 I_k = 5 мA.

Определим напряжение питания мультивибратора Е_К

Выберем Е_К = 6 В

Выбираем тип транзисторов VT1 и VT2

По данным параметрам подходит транзистор КТ315Б со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).

Определим значение коллекторного резистора R6

Выберем R6 = 3,3 кОм

Определим значение базового резистора R5

Примем значение R5 = 100 кОм

Найдём значение сопротивления эмиттерного резистора R4

Определим значение сопротивление резистора R2

Примем значение R2 = 2,2 кОм

Вычислим значение сопротивления R1

Примем значение R1 = 12 кОм

Найдем значение сопротивления R3

Примем значение R3 = 4,7 кОм

Рассчитаем ёмкость конденсатора С2

Примем значение С2 = 1,5 нФ

Детали

Генератор ВЧ собран на элементах DD1.1. DD1.3. В зависимости от подключаемых конденсаторов С1. СЗ генератор выдает колебания соответствующие КВ, СВ или ДВ.

Переменным резистором R2 производится плавное изменение частоты высокочастотных колебаний в любом поддиапазоне выбранных частот. На входы инвертора 12 и 13 элемента DD1.4 подаются колебания ВЧ и НЧ. В результате чего на выходе 11 элемента DD1.4 получаются модулированные высокочастотные колебания.

Плавное регулирование уровня промодулированных высокочастотных колебаний производится переменным резистором R6. С помощью делителя R7. R9 выходной сигнал можно изменить скачкообразно в 10 раз и 100 раз. Питается генератор от стабилизированного источника напряжением 5 В, при подключении которого загорается светодиод VD2 зеленого свечения.

В универсальном генераторе используются постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, переменные — СП-1. Конденсаторы С1. СЗ — КСО, С4 и С6 — К53-1, С5 — МБМ. Вместо указанной серии микросхем на схеме можно использовать микросхемы серии К133. Все детали генератора монтируют на печатной плате. Конструктивно генератор выполняется исходя из вкусов радиолюбителя.

Исследование схемы мультивибратора

Лабораторная
работа № 5

Тема:
«Исследование схемы мультивибратора»

Цель работы: экспериментально исследовать схемы
автоколебательных мультивибраторов на транзисторах и интегральных микросхемах.

Используемое оборудование и аппаратура: осциллограф
С1-68, источник напряжения постоянного тока.

Теоретические сведения

Мультивибратор — релаксационный
генератор сигналов электрических прямоугольных сигналов с короткими фронтами.
Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов
прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель
<#»891974.files/image001.gif»>

Симметричный транзисторный
мультивибратор.

Измерим ток коллектора с помощью
осциллографа. Просуммировав время открытого и закрытого состояния получим
Т-период. Зная период, вычислим частоту сигнала.=5.5 мс=1/T=5,5 кГц

Вид сигнала мультивибратора

Транзисторы не мгновенно переходят
из открытого состояния в закрытое из-за времени зарядки конденсатора.

Подключим дополнительный конденсатор
к C1. Время в открытом состоянии увеличилось. Если доп. Конденсатор поставим к
C2 — увеличится время в закрытом состоянии.

Подключим питание ко второму
мультивибратору.

-K155ЛА8

Видя сигнал на экране осциллографа
определим частоту:=220 мкс=1/T=4.45 ГГц.

При подключении дополнительного
конденсатора увеличится и время паузы, и время сигнала

При нажимании кнопки S1 сигнала не
будет.

Вывод: В ходе выполнения
лабораторной работы мы исследовали 2 схемы мультивибратора — симметричного
мультивибратора на транзисторах p-n-p типа и на интегральных микросхемах
(И-НЕ).

Контрольные вопросы

1.
Чем ограничивается величина максимальной частоты генерации мультивибраторов в
схемах, приведенных в работе?

Ёмкостью
конденсаторов.

.
Что такое скважность генерируемых сигналов?

Скважность
— отношение периода следования (повторения) электрических импульсов к их длительности.
Скважность определяет соотношение между пиковой и средней мощностью импульсов
напряжения или тока, что необходимо учитывать при выборе режима эксплуатации
радиоэлектронных устройств. .
Как можно плавно регулировать частоту генерации мультивибратора на первой
схеме?

.
Как можно плавно регулировать частоту генерации мультивибратора на первой
схеме?

Для
плавного регулирования частоты создается смещение на базах транзисторов
отдельным источником, напряжение которого можно регулировать.

.
Как будет вести себя вторая схема, если отключить ёмкость С?

Частота
колебаний мультивибратора увеличится.

Одновибратор на логических элементах К155ЛА3

Одновибратором именуют генератор, вырабатывающий одиночные электрические импульсы. Алгоритм работы одновибратора таков: при поступлении на вход одновибратора электрического сигнала, схема выдает на выходе короткий импульс, продолжительность которого определяется номиналами RC цепи.

После окончания формирования выходного импульса, одновибратор вновь возвращается в свое первоначальное состояние, и процесс повторяется при поступлении нового сигнала на его входе. Поэтому данный одновибратор еще именуют ждущим мультивибратором.

На практике применяется множество разновидностей одновибраторов, таких как одновибратор на транзисторах, операционных усилителях и одновибратор на логических элементах.

Пример использования мультивибратора на микросхеме 4011

На рисунке ниже приведена схема простого преобразователя постоянного напряжения на выходное напряжение 90 — 120 В

Генератор прямоугольных импульсов здесь выполнен по первой схеме и работает на частоте 2.5 — 3 кГц. Частоту можно настроить подбором резистора R1 или/и конденсатора C1.

Четвертый логический элемент D1.4 используется как буфер между генератором импульсов и затвором ключевого транзистора VT1. В качестве этого транзистора можно использовать любой MOSFET, рассчитанный на напряжение, не меньшее чем выходное напряжение преобразователя.

Катушку L1 (дроссель) я намотал на ферритовой «гантельке» от катушки, выпаянной из старого электронного балласта для люминесцентной лампы. Намотка проводом диаметром 0.1мм до заполнения «гантельки».

Выходное напряжение зависит от напряжения питания а также от частоты импульсов на выходе мультивибратора. При попадании частоты в резонанс катушки (и ёмкости монтажа) напряжение значительно возрастает. В моем случае это была частота в районе 2.5 кГц. При этом напряжение было примерно 130 вольт. При увеличении частоты до 4..5 кГц выходное напряжение было в районе 65 — 80 вольт. Индуктивность катушки на «Гантельке» получилась равной 5mH. Индуктивность можно измерить вот этим прибором.

Структурная схема

Конденсатор С1 обеспечивает положительную обратную связь между выходом второго и входом первого инвертора необходимую для возбуждения генератора.

Резистор R1 обеспечивает необходимое смещение по постоянному току, а также позволяет осуществлять небольшую отрицательную обратную связь на частоте генератора.

В результате преобладания положительной обратной связи над отрицательной на выходе генератора получается напряжение прямоугольной формы.

Изменение частоты генератора в широких пределах производится подбором емкости СІ и сопротивления резистора R1. Генерируемая частота равна fген = 1/(С1 * R1). С понижением питания эта частота уменьшается. По аналогичной схеме собирается и НЧ генератор подбором соответствующим образом С1 и R1.

Рис. 1. Структурная схема генератора на логической микросхеме.

История

Мультивибратор-генератор Абрахама-Блоха на электронных лампах, Франция, 1920 г. (маленькая коробка, слева). Его гармоники используются для калибровки измерителя волн. (центр).

Первая схема мультивибратора, классический нестабильный мультивибратор осциллятор (также называемый пластинчатый мультивибратор) был впервые описан Анри Абрахам и Юджин Блох в Публикация 27 французского Ministère de la Guerre, И в Annales de Physique 12, 252 (1919).. Поскольку он произвел прямоугольная волна, в отличие от синусоидальная волна генерированный большинством других схем генераторов того времени, его выход содержал много гармоники выше основной частоты, которая может использоваться для калибровки высокочастотных радиосхем. По этой причине Авраам и Блох назвали это мультивибратор. Это предшественник триггера Эклса-Джордана. который был выведен из схемы годом позже.

Исторически сложилось так, что терминология мультивибраторов несколько изменчива:

1942 год — мультивибратор подразумевает нестабильность: «Схема мультивибратора (рис. 7-6) в чем-то похожа на схему триггера, но связь анода одного клапана с сеткой другого осуществляется только конденсатором, так что муфта не поддерживается в установившемся состоянии ».
1942 г. — мультивибратор как особая триггерная схема: «Такие схемы были известны как триггерные или триггерные схемы и имели очень большое значение. Самой ранней и самой известной из этих схем был мультивибратор».
1943 г. — триггер как генератор однократных импульсов: «… существенное различие между двухклапанным триггером и мультивибратором состоит в том, что один из клапанов триггера смещен на отсечку».
1949 г. — моностабильные как триггеры: «Моностабильные мультивибраторы также называются« триггерами ».
1949 г. — моностабильный как триггер: «… триггер — это моностабильный мультивибратор, а обычный мультивибратор — нестабильный мультивибратор».

Одновибратор на логических элементах К155ЛА3

Что такое триггер Шмитта

Слово trigger, в переводе на русский, значит, спусковой крючок. Функциональность устройства заключается в быстром переходе из одного устойчивого состояния в другое под внешним воздействием.

Большинство подобных устройств имеют заданное одинаковое значение для нарастающего сигнала. Для быстрорастущих сигналов – это не проблема. Но для сигналов, которые имеют очень медленное нарастание (шумовые, например) – колебания назад и вперед из положения off в on и обратно могут вывести из строя прибор. Триггеры Шмитта применимы для медленно изменяющихся сигналов или шума.

Это решение для случаев, когда сигнал на входе колеблется вокруг заданной точки. Схема для получения петли гистерезиса – это значит, что есть два набора точек, одни на низкой стороне, другие на высокой. Допустим, что на стороне низкого заданное значение составляет 2,0 В, а на стороне высокого – 1,5 В. Как только нарастающий входной сигнал (шум) попадает в точку 2.0 В, триггер переключит выход на 1. И сигнал на выходе останется на 1 до тех пор, пока входной сигнал не упадёт обратно до 1,5 В. В зоне от 1,5 и 2.0 В сигнал не переключается.

Самым простым примером применения является однополюсный двухпозиционный тумблер.

Перемещением рычага вправо соединяются выступы в центре. Цифровые схемы работают на 1 и 0 (вкл. и выкл.) Серединных значений при этом нет.

Опыты с микросхемой К155ЛА3

На макетную плату установите микросхему К155ЛА3 к выводам подсоедините питание (7 вывод минус, 14 вывод плюс 5 вольт). Для выполнения замеров лучше применить стрелочный вольтметр, имеющий сопротивление более 10 кОм на вольт. Спросите, почему нужно использовать стрелочный? Потому, что, по движению стрелки, можно определить наличие низкочастотных импульсов.

После подачи напряжения, измерьте напряжение на всех ножках К155ЛА3. При исправной микросхеме напряжение на выходных ножках (3, 6, 8 и 11) должно быть около 0,3 вольт, а на выводах (1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, и 13) в районе 1,4 В.

Для исследования функционирования логического элемента 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3 возьмем первый элемент. Как было сказано выше, его входом служат выводы 1 и 2, а выходом является 3. Сигналом логической 1 будет служить плюс источника питания через токоограничивающий резистор 1,5 кОм, а логическим 0 будем брать с минуса питания.

Опыт первый (рис.1):
Подадим на ножку 2 логический 0 (соединим ее с минусом питания), а на ножку 1 логическую единицу (плюс питания через резистор 1,5 кОм). Замерим напряжение на выходе 3, оно должно быть около 3,5 В (напряжение лог. 1)

Вывод первый
: Если на одном из входов лог.0, а на другом лог.1, то на выходе К155ЛА3 обязательно будет лог.1

Опыт второй (рис.2):
Теперь подадим лог.1 на оба входа 1 и 2 и дополнительно к одному из входов (пусть будет 2) подключим перемычку, второй конец которой будет соединен с минусом питания. Подадим питание на схему и замерим напряжение на выходе.

Оно должно быть равно лог.1. Теперь уберем перемычку, и стрелка вольтметра укажет напряжение не более 0,4 вольта, что соответствует уровню лог. 0. Устанавливая и убирая перемычку можно наблюдать как «прыгает» стрелка вольтметра указывая на изменения сигнала на выходе микросхемы К155ЛА3.

Вывод второй:
Сигнал лог. 0 на выходе элемента 2И-НЕ будет только в том случае, если на обоих его входах будет уровень лог.1

Следует отметить, что неподключенные входы элемента 2И-НЕ («висят в воздухе»), приводит к появлению низкого логического уровня на входе К155ЛА3.

Опыт третий (рис.3):
Если соединить оба входа 1 и 2, то из элемента 2И-НЕ получится логический элемент НЕ (инвертор). Подавая на вход лог.0 на выходе будет лог.1 и наоборот.

У каждого настоящего радиолюбителя имеется микросхема К155ЛА3. Но
обычно их считают сильно устаревшими и не могут найти им серьезного использования, так как во многих
радиолюбительских сайтах и журналах обычно описаны только схемы мигалок, игрушек. В рамках этой статьи постараемся расширить радиолюбительский кругозор в рамках применения схем с использованием микросхемы К155ЛА3.

Эту схему можно использовать для зарядки мобильного телефона от прикуривателя бортовой сети автомобиля.

На вход радиолюбительской конструкции можно подавать до 23 Вольт. Вместо устаревшего транзистора П213 можно использовать более современный аналог КТ814.

Вместо диодов Д9 можно применить д18, д10. Тумблеры SA1 и SA2 используются для проверки транзисторов с прямой и обратной проводимостью.

Для того чтобы исключить перегрев фар можно установить реле времени, которое будет выключать стоп-сигналы если они горят более 40-60 секунд, время можно изменить подбором конденсатора и резистора. При отпускании и следующем нажатии педали фонари снова включаются, так что на
безопасность вождения это никак не влияет

Для повышения КПД преобразователя напряжения и предотвращения сильного перегрева, в выходном
каскаде схемы инвертора применены полевые транзисторы с низким сопротивлением

Сирена используется для подачи мощного и сильного звукового сигнала для привлечения внимания людей и эффективно защищает ваш оставленный и пристегнутый на короткое время байк.

Если вы хозяин дачи, виноградника или домика в деревне, то вы знаете, какой огромный ущерб могут создать мыши, крысы и другие грызуны, и какой затратной неэффективной, а иногда и опасной является борьба с
грызунами стандартными способами

Почти все радиолюбительские самоделки и конструкции имеют в своем составе стабилизированный источник питания. А если ваша схема работает от напряжения питания 5 вольт, то лучшим вариантом будет использование трехвыводного интегрального стабилизатора 78L05

Кроме микросхемы в имеется яркий светодиод и несколько компонентов обвязки. После сборки устройство начинает работать сразу. Регулировка не требуется, кроме подстройки длительности вспышек.

Напомним, что конденсатор C1 номиналом 470 микрофарад впаиваем в схему строго с соблюдением полярности.

С помощью номинала сопротивления резистора R1 можно изменять длительность вспышки светодиода.

Обновлено: 04.06.2021

103583