§ 7. Мультивибраторы

Мультивибратор является генератором прямоугольных импульсов. Приставка "мульти" означает, что этот генератор может вырабатывать импульсы в широком диапазоне частот.

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резисторный усилитель с емкостной положительной обратной связью между каскадами. Мультивибраторы, так же, как и блокинг-генераторы, могут быть автоколебательными и ждущими.

7.1. Автоколебательный мультивибратор

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 4.1.21.

Рис. 4.1.21. Автоколебательный мультивибратор

В начальный момент после включения питающего напряжения через транзисторы Т₁ и Т₂ протекают одинаковые токи. Однако, даже незначительное увеличение коллекторного тока одного из транзисторов (например, Т₁) вызовет понижение напряжения на его коллекторе. Отрицательный перепад напряжения передается через конденсатор С₁ на базу транзистора Т₂, что приводит к уменьшению его коллекторного тока и повышению напряжения на коллекторе. Положительный перепад напряжения на коллекторе транзистора Т₂ передается через конденсатор С₂ на базу транзистора Т₁, вызывая дальнейшее увеличение коллекторного тока транзистора Т₁. Происходит лавинообразный процесс, в результате которого транзистор Т₁ окажется открытым, а Т₂ – закрытым. Напряжение на коллекторе транзистора Т₂ повысится до величины Е_К. С этого момента начинается заряд конденсатора С₂ через резистор R_К2 и промежуток база – эмиттер открытого транзистора Т₁. Заряженный к этому времени конденсатор С₁ начнет разряжаться через резистор R_Б2 и коллекторную цепь открытого транзистора Т₁. В процессе разряда конденсатора С₁ транзистор Т₂ остается закрытым, т. к. на его базе поддерживается отрицательное напряжение, создаваемое током разряда конденсатора.

По окончании разряда конденсатора С₁ его разрядный ток уменьшится до нуля, и отрицательное напряжение на базе транзистора Т₂ исчезнет. Это вызовет появление коллекторного тока транзистора Т₂, в результате чего произойдет обратный лавинообразный процесс. Транзистор Т₂ откроется, а транзистор Т₁ – закроется.

С этого момента начинается разряд конденсатора С₂. По окончании разряда конденсатора С₂ происходит лавинообразный процесс, открывающий транзистор Т₁ и запирающий транзистор Т₂.

Длительность импульсов, формируемых каждым плечом автоколебательного мультивибратора, определяется постоянной времени цепи разряда конденсаторов:

τ₁ = 0,7 · С₁ · R_Б2;

τ₂ = 0,7 · С₂ · R_Б1;

Временные диаграммы, поясняющие работу автоколебательного мультивибратора, приведены на рис. 4.1.22.

Рис. 4.1.22. Временные диаграммы автоколебательного мультивибратора

7.2. Ждущий мультивибратор

Схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 4.1.23, а временные диаграммы, поясняющие его работу, на рис. 4.1.24.

В исходном состоянии на базу транзистора Т2 подается положительное напряжение от источника питания Е_к через резистор R_Б2. В этом случае напряжение на базе транзистора Т2 равно:

U_Б2 = Е_к – U_RБ2,

где U_RБ2 – падение напряжения на резисторе R_Б2.

Падение напряжения на резисторе R_Б2 равно произведению тока, протекающего через резистор, на величину сопротивления этого резистора:

U_RБ2 = I_Б2 · R_Б2 ;

Рис. 4.1.23. Ждущий мультивибратор

Рис. 4.1.24. Временные диаграммы ждущего мультивибратора

Поскольку ток, протекающий через резистор R_Б2 незначителен, то падение напряжения на этом резисторе мало, и к базе транзистора Т2 приложено почти полное напряжение источника питания Е_к, благодаря чему транзистор Т2 поддерживается в открытом состоянии.

Коллекторный ток транзистора Т2, протекая через резистор R_Э, создает на этом резисторе падение напряжения, которое прикладывается к эмиттеру транзистора Т1. В то же время к базе транзистора Т1 приложено напряжение, снимаемое с делителя, образованного резисторами R₁ и R_­2. Параметры резисторов R₁, R_­2 и R_Э подобраны таким образом, чтобы в исходном состоянии потенциал базы транзистора Т1 оказался ниже, чем потенциал его эмиттера. В этом случае транзистор Т₁ закрыт, и напряжение на его коллекторе практически равно напряжению источника питания: U_к1 = Е_к. При этом конденсатор С₂ заряжается от источника питания Е_к через резистор R_К1, промежуток база – эмиттер открытого транзистора Т2 и резистор R_Э. Время заряда конденсатора определяется, в основном, величиной емкости этого конденсатора и сопротивлением резистора R_К1. По истечении указанного времени конденсатор С₂ оказывается заряженным до максимального значения U_Cmax, причем левая обкладка конденсатора имеет потенциал, равный напряжению источника питания Е_к, а правая – потенциал (Е_к – U_Cmax).

Запуск ждущего мультивибратора осуществляется подачей положительного импульса на базу закрытого транзистора Т₁ через конденсатор С₁. При этом в цепи коллектора транзистора Т₁ появляется ток I_к1, протекание которого через резистор R_к1 увеличивает падение напряжения на этом резисторе, в связи с чем потенциал коллектора транзистора Т1 понижается на величину U_R1 = I_к1 · R_к1, и становится равным U_К1 = Е_к – U_R1. Это вызывает понижение потенциала левой обкладки конденсатора С₂ до величины U_К1 = Е_к – U_R1. Поскольку в этот момент напряжение на конденсаторе С₁ остается равным U_Cmax, то потенциал правой обкладки этого конденсатора уменьшается от значения (Е_к – U_Cmax) до значения (U_К1 – U_Cmax) = (Е_к – U_R1) – U_Cmax. Этот потенциал приложен к базе транзистора Т2, поэтому понижение указанного потенциала уменьшает коллекторный ток транзистора Т2. Поскольку коллекторный ток транзистора Т2 проходит через резистор R_Э, то уменьшение этого тока уменьшает падание напряжения на резисторе R_Э, что приводит к понижению потенциала эмиттера транзистора Т1, в связи с чем коллекторный ток транзистора Т1 еще больше увеличивается. Происходит лавинообразный процесс отпирания транзистора Т1 и запирания транзистора Т2.

В момент отпирания транзистора Т1 начинается перезаряд конденсатора С₂ по цепи: источник питания + Е_к, резистор R_Б2, промежуток коллектор – эмиттер открытого транзистора Т1, резистор R_Э. Протекание тока перезаряда конденсатора С₂ вызывает падание напряжения U_RБ2 на резисторе R_Б2. Величина этого падения напряжения равна произведению тока перезаряда конденсатора С₂ на величину сопротивления резистора R_Б2. В начальный момент после запирания транзистора Т2 ток перезаряда конденсатора имеет максимальное значение, поэтому величина падения напряжения на резисторе R_Б2 оказывается достаточной для поддержания транзистора Т2 в закрытом состоянии. По мере уменьшения тока перезаряда, величина падения напряжения на резисторе R_Б2 постепенно уменьшается, потенциал базы транзистора Т2 увеличивается, и через некоторое время транзистор Т2 снова отпирается, а транзистор Т1 запирается. Таким образом, после перезаряда конденсатора происходит обратный лавинообразный процесс, возвращающий схему в исходное состояние. Время перезаряда конденсатора С₂ определяется величиной емкости этого конденсатора и величиной сопротивления резистора R_Б2.