Лаби по электронике / Лабораторна робота №8. Дослідження автоколивальних та ждучих мультивібраторів на біполярних транзисторах

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8

Тема. Дослідження автоколивальних та ждучих мультивібраторів на біполярних транзисторах.

Мета роботи: вивчення принципів, методів розрахунку і особливостей настроювання автоколивальних та ждучих мультивібраторів, набуття навичок реалізації їх на дискретних елементах, навичок конструювання та дослідження їх в реальних умовах.

Теоретичні відомості

Ждучі мультивібратори, котрі також називають одновібраторами - це пристрої, здатні почергово знаходитися в двох станах: довготривалому стійкому стані і короткочасному /квазистійкому/ стані. Для переведення з стійкого стану в квазистійкий на вхід схеми треба подати зовнішній запускаючий імпульс, після якого вона формує одне перемикання, а потім самостійно повертається в початковий стан, гальмується.

Якщо використовувати тільки момент закінчення квазистійкого стану, який може мати регульовану довжину, то довжина вихідного імпульсу визначить затримку вихідного сигналу по відношенню до фронту вхідного імпульсу і одновібратор працюватиме як схема регульованої затримки сигналу.

Одновібратори широко використовуються в пристроях автоматики та системах управління різноманітних модифікацій. Вони можуть бути реалізовані на дискретних елементах, логічних мікросхемах або операційних підсилювачах. Схеми на дискретних елементах використовуються в нестандартній апаратурі систем автоматичного регулювання і контролю процесів виробництва, в перетворювальній техніці, ядерній фізиці, де необхідні підвищені значення напруги та струму. В якості активних елементів в таких системах частіше всього використовуються біполярні транзистори, але також можуть використовуватись і польові та одноперехідні транзистори, діодні та тріодні тиристори.

Схеми на логічних елементах найбільш широко використовуються в різного роду цифровій апаратурі в силу своєї простоти, універсальності живлення (як правило, джерело +5В використовується для живлення всього пристрою) та зручності роботи з іншими інтегральними елементами. В деяких серіях логічних елементів одновібратори є у вигляді спеціальних мікросхем - наприклад, К1533АГ1. Схеми на операційних підсилювачах в основному використовуються в аналого-цифрових пристроях. Вони більш стабільні в роботі, але складніші за схемою, вимагають двох різнополярних джерел живлення, та мають на виході двохполярний сигнал.

Одновібратори на біполярних транзисторах. Найбільш відомі дві основні схеми одновібраторів цього типу: з колекторно-базовими зв’язками, та з емітерним зв’язком (рис.12.1,а, б).

Рисунок 12.1(а) – Одновібратор з колекторно-базовими зв’язками

Рисунок 12.1(б) – Одновібратор з емітерним зв’язком

В схемі рис.12.1,а транзистор VT1 в початковому стані закритий позитивною напругою +Езт а транзистор VT1 відкритий і насичений струмом бази з резистора R. При дії короткого вхідного позитивного імпульсу в колектор транзистора VT1 (рис.12.1,а) в схемі відбувається регенеративний процес, в результаті якого транзистор VT2 закривається, а транзистор VТ1 відкривається. Такий стан схеми квазистійкий і визначається часом перезаряду конденсатора С через відкритий VT1 сталою часу =RC.

При цьому позитивна напруга на базі транзистора VT2 зменшується по експоненті з тією ж сталою часу, намагаючись досягти значення (-Ек — ІкоR). В момент часу t₂ напруга U_б2. досягає нульового значення, транзистор VT2 відкривається, знову виникає регенеративний процес, в результаті якого після заряджання конденсатора С зі сталою часу _=R_к1 C схема повертається в початковий стан.

При розрахунку одновібратора з колекторно-базовими зв'язками задаються:

• амплітуда вихідного імпульсу U_max;

• тривалість імпульсу t_u;

• тривалість позитивного фронту t_ф;

• період слідування;

• опір R_н навантаження;

• ємність С_н навантаження.

Обчислювання параметрів елементів схеми проводять у послідовності:

а) напругу джерела живлення Е_к визначають за заданою амплітудою вихідних імпульсів U_max з умови:

Ek=(1,1….1,4) U_max; (12.1)

б) транзистор вибирають за колекторною напругою, струмом колектора та швидкодією:

1. для забезпечення надійної роботи допустимі колекторна напруга і струм :

U_кб>=1,5 E_к, І_кдоп>=2I_кн; (12.2)

2. для одержання заданої тривалості позитивного фронту імпульсу

(12.3)

причому транзистор вибирається за більшим значенням граничної частоти коефіцієнта передачі f_a;

в) опір резисторів R_k1=R_k2=R_k обчислюють з співвідношення

при цьому перевіряють умову температурної нестабільності амплітуди вихідного імпульсу R_k<=0.05U_max/I_k0max та умову виключення впливу навантаження на роботу схеми R_k<=(0,1...0,2)R_H

,

де I_ko²⁰ - тепловий струм колекторного переходу при 20 ⁰ С

Амплітуда вихідної напруги

,

де =1,5...2,0 – ступінь насичення транзистора.

Для масових транзисторів рекомендується співвідношення ;

г) ємність часозадаючого конденсатора С визначається з співвідношення:

де ;

д) напруга джерела Е_зм=(0,15…0,25)Е_к;

е) опір резисторів R2 i R1 визначається, з умови:

;

;

ж) ємність прискорювального конденсатора

и) час відновлення схеми при цьому необхідно брати до уваги, що відновлення має закінчитися до приходу наступного вхідного імпульсу, тобто T-t_u>t_b;

к) тривалість негативного фронту імпульсу колекторної напруги транзистора VT1 дорівнює:

;

л) тривалість позитивних фронтів імпульсів обох транзисторів

;

м) діод VD вибирають з малою прямою напругою U_пр і ;

н) амплітуда вхідного запускального імпульсу

де R_вн - внутрішній опір джерела сигналу і вхідний опір. Ємність визначається за формулою:

Недоліком схеми одновібратора з колекторно-базовими зв’язками є вплив опору навантаження на процеси перемикання схеми і велика тривалість фронту колекторної напруги U_k2 при закриванні транзистора VT2, яка визначається зарядом конденсатора С1. Ці недоліки відсутні в схемі ждучого мультивібратора з емітерним зв’язком.

Ждучий мультивібратор з емітерним зв’язком. Робота схеми в стійкому та квазистійкому стані забезпечується різними значеннями напруги емітера U_e, яка визначається емітерним струмом транзистора VT1 або VT2. Емітерний струм VТ1 менший за струм емітера VT2 внаслідок різних опорів R_k1 і R_k2.

Задані параметри одновібратора з емітерним зв'язком аналогічні схемі з колекторно-базовими зв'язками, а методика розрахунку дещо відрізняється.

1. Вибір джерела живлення Е_k та типу транзистора визначають за методикою розрахунку одновібратора з колекторно-базовими зв’язками.

2. Опір резистора R_k1 вибирають з вимоги надійного відкривання та закривання транзистора VТ1 рівнями напруги U_е1 та U_е2, різниця між якими вибирається не менше 1.5...2 В.

Для створення такого перепаду емітерний струм транзистора VT2 має бути у кілька разів більшим за емітерний струм транзистора VT1 тому R_k1 вибирають з співвідношення:

,

.

3. Ємність часозадаючого конденсатора

.

де -

4. Опір резисторів подільника R1 і R2 визначається з вимоги закривання транзистора VT1 в стійкому стані та вимоги насичення транзистора VT1 у квазистійкому стані:

5. Час відновлення схеми При цьому повинна виконуватись умова .

6. Тривалість фронтів імпульсу колекторного навантаження транзистора VT2

де Сн і Сk - ємність навантаження та колекторного переходу відповідно.

8. Амплітуда вихідних імпульсів

Параметри елементів схеми запуску аналогічні схемі одновібратора з колекторно-базовими зв’язками.

Регулювання тривалості вихідних імпульсів в схемах одновібраторів (рис.12.1а,б) можна досягти як зміною параметрів R і С часозадаючого ланцюга, так і ввімкненням резистора R до регульованого джерела напруги. В останньому випадку регулюється напруга до якої намагається перезаряджатися конденсатор С, в квазистійкому стані, а значить змінюється і момент досягнення напруги на конденсаторі нульового значення.

Автоколивальні мультивібратори. Автоколивальні генератори прямокутних імпульсів (мультивібратори) - це пристрої, здатні почергово знаходитися в двох тимчасово стійких (квазистійких) станах, в кожен із яких вони переходять автоматично за рахунок перехідних процесів, що відбуваються в схемі. Як і одновібратори, мультивібратори МВ можна реалізувати на дискретних елементах, логічних, інтегральних схемах та операційних підсилювачах.

Схеми на дискретних елементах широко використовують в цифровій апаратурі широкого призначення в складі стандартних комплексів інтегральних елементів.

МВ на ОП в більшості своїй знаходять призначення в вимірювальній апаратурі, спеціальних пристроях.

М ультивібратори на біполярних транзисторах. Типова схема симетричного автоколивального мультивібратора цього виду приведена на рис.12.2.

Рисунок 12.2 – Схема симетричного мультивібратора

Як і в схемі 0В з колекторно-базовими зв’язками, тривалість квазистійкого стану визначається часом перезаряду конденсатора, увімкненого через відкритий транзистор до входу закритого, від напруги Ек до нульової напруги. Цей момент визначає лавиноподібний перехід МВ у новий квазистійкий стан, коли відкритий та закритий транзистори міняють свої стани на протилежні і вступає в дію другий часозадаючий ланцюг, визначаючий тривалість другого квазистійкого стану. За цей час конденсатор першого часозадаючого ланцюга відновлює свій заряд.

При розрахунку автоколивального мультивібратора задаються:

- амплітуда вихідного імпульсу U_max ;

- період коливань T ;

- шпаруватість Q ;

- тривалість позитивного фронту t_ф.

Обчислювання параметрів елементів ведуть в такій послідовності.

1. Визначають напругу джерела живлення Ек за заданою амплітудою вхідних імпульсів U_max при умові Ек=(1,1…1,4)U_max.

2. Транзистор вибирають за колекторною напругою і струмом колектора та швидкодією:

- для забезпечення надійності роботи необхідна колекторна напруга і струм ;

- для забезпечення необхідної частоти роботи

3. Для виключення впливу навантаження на роботу схеми опори резисторів R_k1=R_k2=R_k вибирають при умові R_k<=(0,1…0,2)R_н. Якщо R_н= то максимальний опір резистора R_н вибирають при умові І_коmaxR_k<<E_k. Мінімальний опір резистора обмежено співвідношенням

4. Перевіряють амплітуду вихідного імпульса, яка дорівнює:

Якщо вона менше заданої, збільшують Ек.

5. Значення базових опорів вибирають при умові забезпечення насичення (=1,5..2) транзистора в квазистійкому стані

6. Для симетричного мультивібратора значення ємностей С1=С2=С визначають за формулою

7. Для несиметричного МВ ємності конденсаторів С1 і С2 розраховують підставляючи замість часу Т/2 відповідно тривалості імпульсів t_i1,t_i2 :

8. Тривалість позитивного та негативного фронтів імпульсу відповідно дорівнюють

.

Регулювання тривалості вихідних імпульсів можна досягнути як зміною параметрів С і R_б, так і вмиканням резисторів R_б до регульованого джерела напруги — E_зм. Слід пам’ятати що при зміні параметрів R_б і С тільки одного плеча МВ змінюються його частота та шпаруватість, а при зміні Е_зм змінюється тільки частота.

Порядок виконання роботи

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати такі операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3 . Зібрати схему ждучого мультивібратора, приведеного на рис.12.3, де Rk1=30кОм, Rk2=2,4кОм, R1=24к0м, R2=5,6кОм, Re=820Ом, Rb=56к0м, Cр=30пФ; С=15 нФ.

Рисунок 12.3 – Схема ждучого мультивібратора

4. Зібрати схему, приведену на рис.12.4. Rk1=Rk2=Rk=2.4кОм, Rb1=Rb1=Rb=30к0м, C1=C2=C=6,8пФ.

Р исунок 12.4 – Схема симетричного мультивібратора

5. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку вмикання живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елементу живлення накоротко, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

6. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Виклик термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

7. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

8. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

9. Зробіть висновки.

Контрольні запитання

1. З яких виходів ОВ на дискретних елементах краще знімати напругу?

2. Які засоби зміни тривалості вихідних імпульсів можна застосувати в схемах ОВ?

3. Яку роль грає вхідний подільник у схемі ОВ з емітерним зв’язком?

4. Поясніть фізичні принципи зміни частоти та шпаруватості генерованих імпульсів всіх розглянутих схем МВ.

5. Показати ланцюги заряду та розряду хронувальних конденсаторів в схемі автоколивального МВ.

6. Зрівняти характеристики схем ОВ с колекторно-базовими і емітерними зв’язками.