Лабораторна робота №7 Мультивібратори різних модифікацій

Мета роботи: Вивчити принципи дії та особливості транзисторних автоколивальних мультивібраторів.

Опис лабораторного устаткування:

Принципова схема лабораторного макету зображена на рис. 1. Макет контактними штирками кріпиться на набірному полі навчально-лабораторного стенду. Напруга на рівні 15 В подається від блока живлення постійним струмом.

В лабораторній роботі досліджуються мультивібратори двох модифікацій: звичайний та з покращеною формою імпульсу. Перехід від однієї модифікації до іншої здійснюється шляхом перемикання тумблера Т(див схему рис.1). Покращення форми вихідного імпульсу спостерігається після введення в схему мультивібратора діодно - резистивних ланцюжків Rd-VD.

Частота перемикання мультивібратора регулюється за допомогою подвоєного резистора R_Б.

Розміщення елементів та приладів на лабораторному макеті забезпечує читання їх номіналів та типів.

Домашнє завдання:

1. Накреслити схему найпростішого мультивібратора.

2. Вивчити та зрозуміти принцип роботи мультивібратора в автоколивальному режимі.

Послідовність виконання роботи.

1. Встановити лабораторний макет в набірне поле. Тумблер Т встановити в положення “Викл”. Під’єднати вхідний шнур осцилографа до вихідних клем мультивібратора. З блока живлення постійним струмом подати напругу Е_К = 15 В.

16. Обертаючи ручку резистора R_Б, визначити за допомогою осцилографа частотний діапазон мультивібратора.

17. Зняти осцилограми вихідної напруги на колекторному резисторі R_K для максимальної, мінімальної та середньої частоти. Виміряти тривалість та період тих же імпульсів і визначити їх скважність.

18. Перемкнути тумблер Т в положення “Вкл”. Зняти ті ж осцилограми, що й в п.3. Визначити скважність імпульсів мультивібратора та перевірити її залежність від положення тумблера Т.

Рисунок 1.

Зміст звіту:

1. За даними п.3 визначити відношення f max / f min.

6. Накреслити суміщені осцилограми вихідної напруги та напруги на резисторі R_K, отримані в обох положеннях тумблера Т.

Креслити осцилограми для кожної частоти окремо. За дослідними даними визначити тривалість та скважність отриманих імпульсів та розрахувати ті ж величини окремо для усіх випадків. Порівняти отримані результати

7. Письмово пояснити вплив ланцюжка Rd-VD на форму імпульсів мультивібратора.

8. Зробити висновки за результатами роботи.

Примітки:

1. Скважність імпульсу визначається за допомогою осцилографа. Вона дорівнює відношенню періоду повторення Т_і імпульсів до тривалості імпульсу t_i, тобто:

9. Мультивібратором пристрій називається тому, що його вихідна напруга є несинусоїдною і має дуже складний гармонічний склад, тобто спектр вихідного сигналу є надзвичайно широким і вміщує практично нескінченну кількість гармонік (вібрацій).

Контрольні запитання:

1. Пояснити роботу мультивібраторів в автоколивальному режимі.

10. Чому генератор вказаного типу називають мультивібратором?

11. Пояснити, чому при вмиканні діодно-резистивного ланцюжка покращується форма імпульсів.

Короткі теоретичні відомості:

Мультивібратор відноситься до генераторів релаксаційного типу, у котрих форма генерованих коливань різко відрізняється від синусоїдної, а тривалість коливань залежить від параметрів реактивних елементів (частіше конденсаторів), що входять в схему. Мультивібратори широко застосовуються для отримання імпульсів напруги прямокутної форми і можуть використовуватись як задаючі (керуючі) генератори різних пристроїв промислової електроніки.

Мультивібратор може працювати в одному з трьох режимів: автоколивальному, ждучому (загальмованому) та синхронізації (поділювач частоти). В лабораторній роботі використовується перший режим роботи і всі подальші пояснення стосуються тільки його.

В автоколивальному режимі мультивібратор має два стани квазірівноваги, під час яких в схемі відбуваються відносно повільні зміни струмів та напруг. Але перехід від одного стану рівноваги до іншого здійснюється стрибком. Таким чином, в означеному режимі мультивібратор без впливу зовнішніх сил поперемінно переходить стрибком від одного стану квазірівноваги до іншого, тобто, є автогенератором. Параметри генерованих імпульсів (амплітуда, тривалість, частота, форма) залежать тільки від параметрів елементів схеми. До мультивібраторів в автоколивальному режимі висуваються вимоги високої стабільності частоти. Проте, стабільність частоти мультивібраторів без застосування спеціальних мір стабілізації порівняно невисока. Відносна нестабільність частоти під впливом дестабілізуючих факторів (коливань температури, напруги живлення і т. п.) досягає кількох відсотків.

Принципова схема автоколивального мультивібратора з колекторно-базовими зв’язками зображена на рис. 2а.

Рис.2.

На бази транзисторів VT1 і VT2, через резистори R_б1 і R_б2, подається від’ємна напруга зміщення від джерела живлення Е_к, тому цей мультивібратор називається мультивібратором з від’ємною базою. Він являє собою двокаскадний ключ зі спільним емітером, ємнісним зв’язком між каскадами та виходом, котрий замкнений на вхід протилежного каскаду. З іншого боку мультивібратор можна розглядати як мостову схему з плечима неврівноваженого мосту, що утворені з резисторів R_к1 і R_к2 , а також транзисторів VT1 і VT2, між якими існує зворотний зв’язок, тобто вихідний сигнал транзистора VT1 через конденсатор зв’язку C _б2 подається на вхід транзистора VT1 і навпаки. Внаслідок такого зворотного зв’язку міст у відповідні моменти стрибкоподібно змінює свій стан рівноваги і на його елементах з’являються імпульси напруги.

Конденстори С_б1 та С_б2 виконують роль елементів зв’язку і є складовими часовизначних ланцюжків. Другим елементом цих ланцюжків є резистори R_б1 і R_б2. Вихідні імпульси знімаються з колекторів транзисторів VT1 та VT2.

Мультивібратор має два стани квазірівноваги: в одному транзистор VT1 вимкнутий, а VT2 — насичений, в другому — навпаки. В мультивібраторі з від’ємною базою напруга бази вимкнутого транзистора при перезарядці конденсатора знижується по експоненті до рівня (-Е_к) (див. мал.2б). Крутизна експоненти біля порогу вмикання ( в мить стрибка ) достатньо велика, що покращує стабільність частоти вихідних імпульсів.

В зв’язку з тим, що мультивібратор працює в автоколивальному режимі, розгляд процесів можна почати з будь-якої миті, наприклад, коли після чергового стрибка VT1 виявляється насиченим, а VT2 — вимкнутим.

Насичений транзистор VT1 в цю мить можна замінити еквіпотенціальною точкою, тому U_к1 0 і U_б2 0. Напруга на конденсаторі С_б2, зарядженому в попередньому циклі з полярністю, вказаній на мал. 2б, прикладена між базою та емітером транзистора VT2 і утримує останній у вимкненому стані. На вимкнутому транзисторі VT2 напруга колектора U_к2=-Е_к, а напруга бази U_б2=U_сб2 в першу мить приблизно дорівнює (+Е_к), а потім починає знижуватись по експоненті внаслідок перезаряду конденсатора С_б2. Перезаряд конденсатора відбувається по колу: корпус (+Е_к) — емітер-колектор VT1-C_б2-R_екв2-(-Е_к). Еквівалентний опір R_екв2 складається з внутрішнього опору транзистора r_к2, тобто опору його колекторного переходу, а також опору резисторів R_б2 та R_к2, тобто

R_екв2=[(r_к2+R_к2)R_б2]/(r_к2+R_к2+R_б2) (1)

В той же час заряджається конденсатор C_б2 по ланцюжку: корпус (+Ек) — емітер-база VT1-C_б1-R_к2-(-Е_к) з полярністю, зображеній на мал. 2а.

Елементи схеми завжди вибирають таким чином, щоб процес зарядки конденсатора С_б1 протікав швидше, ніж перезарядка С_б2. Після закінчення зарядки С_б1 транзистор VT1 утримується в насиченому стані за рахунок протікання базового струму достатнього для насичення.

У міру розрядки конденсатора С_б2 напруга на ньому зменшується і в деякий момент досягає нуля. Починаючи з цієї миті, розвивається лавиноподібний процес стрибкоподібної зміни стану схеми. Транзистор VT2 починає вмикатись і напруга на його колекторі V_к2 зростає від (-Е_к) до нуля (див. діаграми рис. 4). І як наслідок виникає додатній приріст ΔV_к2, котрий через конденсатор С_б1 передається на базу транзистора VT1 і призводить до його вимикання. В процесі вимикання напруга V_к1 знижується (прямує до –Е_к) і на колекторі VT1 виникає від’ємний приріст напруги ΔV_к2, котрий через С_б2 подається на базу VT2, сприяючи його вмиканню. Транзистор VT2 насичується, VT1 вимикається, а конденсатор С_б2 заряджається по колу: корпус (+Е_к) — емітер-база VT2-C_б2-R_к1-(-Е_к) з полярністю, вказаній без дужок. Одночасно із зарядкою конденсатора С_б2 триває більш повільний процес перезарядку конденсатора С_б1 згідно з еквівалентною схемою перезарядки, котра складається з опору r_к1 колекторного переходу транзистора VT1 а також резисторів R_к1 і R_б1. Полярність перезарядки С_б1 вказана в дужках. Зміна в часі колекторних та базових напруг ілюструється миттєвими діаграмами, зображеними на рис.3, на котрих за тривалість імпульсів t_i приймається тривалість відкритого стану першого або другого транзистора. Тоді тривалість імпульсу на колекторі транзистора VT1 дорівнюватиме t_i2 і визначається тривалістю перезарядки конденсатора С_б1 через відкритий транзистор VT2 і опір R_екв1.

, (2)

де

I_к0 — струм утічки колекторного переходу транзистора.

Рисунок 3.

В зв’язку з тим, що опір колектора вимкнутого транзистора r_к1 лежить в межах 10⁵-10⁶ Ом і r_к1 >>R_к1, опором резистора R_к1 можна знехтувати. Крім того, для підвищення температурної стабільності, вибирають R_б1>> R_к1. (R_б=β·R_к1)

З урахуванням зроблених припущень вираз (2) спрощується:

або, за умовою E_к>>I_к0^.R_б1, що часто виконується

(3)

Аналогічно, тривалість імпульсу на колекторі транзистора VT1

(4)

Період повторювання імпульсів

У випадку симетричного мультивібратора, коли С_б1=С_б2=С_б і R_б1=R_б2=R_б, R_к1=R_к2=R_к і t_i1=t_i2=t_i період повторення імпульсів

(5)

З виразів (3) та (4) витікає, що тривалість імпульсів t_i1 та t_i2 можна регулювати шляхом зміни величини ємності конденсаторів С_б1 та С_б2 або опорів резисторів R_б1 та R_б2, тобто шляхом зміни постійної часу ланцюжка, що задає тривалість імпульсів. В лабораторній роботі використовується спосіб регулювання опору резисторів R_б1 та R_б2.

Скважність

(7)

обмежується часом повного перезаряду конденсатора з більшою ємністю через відповідний опір. При використанні транзисторів з типовим значенням β=30 максимальна скважність становитиме приблизно 10.

Тривалість фронту імпульсу в основному залежить від частотних властивостей транзистора.

Тривалість зрізу імпульсу визначається тривалістю заряду часовизначаючих конденсаторів, тобто t_з 3С_б^.R_к. В зв’язку з тим, що часовизначаючий конденсатор має відносно більшу ємність, то тривалість зрізу виявляється набагато більшою, ніж тривалість фронту (див. мал. 3).

Транзисторні мультивібратори можуть працювати в жорсткому або м’якому режимі самозбудження. М’який режим характеризується обов’язковим виникненням генерації в разі вмикання напруги живлення. Саме такий режим встановлено в лабораторних пристроях.

Жорсткий режим самозбудження спостерігається в мультивібраторах, коли при вмикнні напруги живлення обидва транзистори виявляються в режимі насичення. Для збудження коливань потрібен сторонній запускаючий імпульс, що для автоколивального режиму недопустимо.

Щоб запобігти жорсткому самозбудженню, наведені нижче нерівності не повинні бути значними:

і .