10.3. Импульсные устройства с временно устойчивыми
состояниями
Импульсные устройства с временно устойчивыми состояниями являются источниками импульсов напряжения, значение и длительность которых, а также частота повторения могут регулироваться в широких пределах.
Мультивибратор. Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.
Наиболее распространены мультивибраторы на основе ОУ. Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы. У первых длительности прямоугольных импульсов и интервалы времени между ними равны, у вторых — различны.
Рис.
10.9
Схема замещения симметричного мультивибратора приведена на рис. 10. 9, а, в которой ОУ является компаратором (см. рис. 10. 1 и 10.2). Рассмотрим один период работы мультивибратора. По второму закону Кирхгофа для контура цепи, отмеченного на рисунке штриховой линией, составим уравнение
ивх - ис+ и1 = 0, (10.1)
где и1 = Rluвых/(R1+ R2) и ис- напряжения положительной и отрицательной последовательной обратной связи по напряжению.
Пусть в момент времени t = 0 напряжение на входе ОУ ивх(0) > 0 (рис. 10.10, г). Тогда по амплитудной характеристике ОУ (см. рис. 9.57, б, ломаная линия 1) напряжение на его выходе
uвых(0) = -Е,
а напряжения
u1(0) = -R1E/(R1 + R2) = -U1тях
и по (10.1)
ис(0) > u1(0) = -U1тях,
где Е— напряжение источника питания ОУ (рис. 10.10, а— в).
Такое состояние цепи мультивибратора, которому соответствует схема замещения на рис. 10.9, б (ключ S в положении 1),неустойчиво. Действительно, напряжения на выходе мультивибратора и на конденсаторе различны: ис(0) > ивых(0). Поэтому конденсатор будет разряжаться через резистор R цепи отрицательной обратной связи и цепь, подключенную к выходу ОУ, а напряжение на нем — изменяться по экспоненциальному закону, стремясь к значению ЭДС ( —Е = ивых .
Рис.
10.10
В момент времени t1 определяемый условием uex(t1-) = 0, т.е.
uC(t1-) = - U1max напряжение на входе ОУ изменит свое положительное значение на отрицательное. В результате этого произойдет переключение ОУ по его амплитудной характеристике и скачком изменятся напряжения:
ueыx(t1+) = Е; u1(t1+) =R1Е/(R1 +R2) = U1тах;
uex(t1+) = uc(t1+) - u1(t1+) = -2Ulmax,
где учтено, что напряжение на конденсаторе по закону коммутации скачком не изменяется: uc(t1-)= uc(t1+). Одновременно разрядка конденсатора сменится его зарядкой по схеме замещения на рис. 10. 9, б (ключ Sв положении 2)
uc(t) = - U1тах + (E+ U1тах)(1 - е -(t – t1)/(RC)), (10.2,а)
процесс закончится в момент времени t1, определяемый условием
uex(t2-) = 0. т.е. по (10.1)
uc(t2-)= U1тах. (10.2, б)
В этот момент времени вновь скачком изменятся напряжения
ueыx(t2+) = -Е; u1(t2+) = -U1тах;
uex(t2+) = uc(t2+) - u1(t2+) = 2Ulmax,
зарядка конденсатора сменится его разрядкой по схеме замещения на рис. 10. 9, б (ключ S в положении 1)
uc(t) = U1тах -(Е+ U1тах)(1 - е -(t – t2)/(RC)),
процесс закончится в момент времени t3, определяемый условием
uex(t3-) =0, т.е. uC(t3-) =-Ulmax.
Далее процессы в цепи мультивибратора будут периодически повторяться.
Длительность положительных импульсов напряжения определяется формулами (10.2,а), (10.2, б):
t2 - t1 = RСln(1 + 2Rl/R2),
а частота работы симметричного мультивибратора с учетом соотношения
t3 - t2 = t2 - t1 равна
В несимметричном мультивибраторе интервалы времени зарядки
t2 - tt и разрядки t3 - t2 конденсатора различны. Это достигается включением в цепь отрицательной обратной связи параллельно двух различных резисторов: один для зарядки, а другой для разрядки конденсатора. Для этого последовательно с каждым из этих резисторов включается диод, прямое направление которого соответствует току зарядки или току разрядки.
Лекция 21