Лабораторная работа №9 мультивибраторы Общие сведения
Для получения незатухающих колебаний применяют автоколебательные системы, преобразующие энергию источника питания в энергию электрических колебаний. Колебания поддерживаются незатухающими благодаря периодическому поступлению энергии от источника питания. Устройством, регулирующим поступление энергии от источника, может служить транзистор, электронная лампа или полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением (туннельный диод, динистор, тиристор и др.).
Различают синусоидальные (гармонические) и релаксационные (разрывные) колебания. Синусоидальные колебания получают при помощи транзисторного или лампового генератора, содержащего обычно колебательные контуры. В генераторах релаксационных колебаний колебательный контур, как правило, отсутствует и колебания возникают вследствие “освобождения” запаса энергии клапаном (ключом), отдающим энергию импульсами. Обычно в качестве клапанов применяют транзисторы, работающие в ключевом режиме, или приборы с отрицательным сопротивлением. Когда ключ заперт, происходит накопление энергии, а когда отперт –отдача энергии. При этом частота колебаний определяется параметрами схемы, режимом работы транзистора и напряжением источника питания. Релаксационные генераторы достаточно легко и просто синхронизируются внешними импульсами различной формы.
Основное различие генераторов состоит в том, что в генераторе гармонических колебаний за период расходуется малая часть энергии, накопленной в реактивном элементе, а в релаксационном генераторе – вся мощность. Этим объясняется различие в форме колебаний – плавные (гармонические) в генераторе синусоидальных колебаний и прерывистые(разрывные) в релаксационном генераторе.
Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным резистивным усилителем с глубокой положительной обратной связью – выход каждого из каскадов соединен со входом другого, в результате чего транзисторы входят поочередно то в режим насыщения, то в режим отсечки. В транзисторных мультивибраторах, в принципе возможно, хотя и с малой вероятностью, длительное устойчивое состояние, когда оба транзистора находятся в насыщении. При этом для возникновения колебаний необходим импульс, запирающий один из транзисторов. Следовательно, в транзисторном мультивибраторе возможен жесткий режим возбуждения колебаний.
Процессы в мультивибраторе
Рассмотрим работу мультивибратора на кремниевых транзисторах по схеме на рис.1:
Мультивибратор может быть как симметричным , когда базовые и коллекторные резисторы, конденсаторы и транзисторы попарно одинаковы, так и несимметричным. Рассмотрим вначале симметричный мультивибратор.
Если транзистор VT1открыт и находится в режиме насыщения, то в то же время транзисторVT2заперт. При этом правая обкладка конденсатора СБ1соединена черезRК2с источником питания, а левая соединена с базой транзистораVT1. Протекающий зарядный ток поддерживает потенциал базы транзистораVT1на уровне, близком кUБЭ0,8 В. вполне достаточном, чтобыVT1в режиме насыщения. Напряжение база-эмиттер не может стать заметно большим этого напряжения из-за ограничивающего действия экспоненциальной входной характеристики транзистора и ограничения тока резисторомRК2. Конденсатор заряжается до напряженияUП–UБЭ1, гдеUБЭ10,8 В. После окончания заряда конденсатора СБ1напряжениеUБ1 остается примерно таким же и поддерживается за счет тока черезRБ1.
Во время и после окончания заряда конденсатора СБ1транзисторVT2остается запертым напряжением на конденсаторе С2, зарядившемся в предыдущий полупериод. В самом деле, если СБ2зарядился до напряженияUП-UБЭ2 , то все это напряжение приложено между базой и эмиттеромVT2, так как потенциал левой обкладки конденсатора, равный напряжению коллектор – эмиттер насыщенного транзистораVT1, очень близок к нулю.
Чтобы транзистор VT2открылся, необходимо, чтобы конденсатор СБ2не только полностью разрядился, но и частично перезарядился до напряженияUБЭ20,6 В , при которомVT2становится проводящим. Как только транзисторVT2начинает проводить, его коллекторный потенциал падает, этот перепад напряжения через конденсатор СБ1передается на базуVT1. Последний переходит в активный режим. Возникающий при этом регенеративный процесс быстро переключает схему из одного квазиустойчивого состояние в другое, при которомVT1находится в режиме отсечки, аVT2- в режиме насыщения.
На рисунке 2 приведены зависимости коллекторного тока и напряжений на коллекторе и базе транзистора VT1 от времени. Аналогичные зависимости для другого транзистора имеют такой же вид, но сдвинуты по фазе на половину периода генерируемых импульсов.
При заряде конденсатора ,где ТЗАР=RКCБ. При разряде конденсатора, где Тразр =RБСБ.
Постоянная времени разряда должна быть не менее чем на порядок больше постоянной времени заряда. Это необходимо для того, чтобы один из конденсаторов практически полностью зарядился (за время, равное нескольким постоянным времени заряда), пока другой конденсатор разряжается и держит запертым “свой” транзистор.
Транзистор отпирается, когда UC(t)0,6 В. Следовательно, полупериод прямоугольного колебания, генерируемого симметричным мультивибратором, можно найти из равенства
,отсюда Пренебрегая напряжением 0,6 В по сравнению с напряжением питания, получаем
. Соответственно, для несимметричного мультивибратора Т 0,7 (RБ1СБ1+RБ2СБ2).
Данные выражения выведены в предположении мгновенности переключения транзисторов и не учитывает времени на рассасывание зарядов, накопленных в базе насыщенного транзистора.
Из описания работы схемы следует, что каждый из конденсаторов в процессе работы изменяет полярность напряжения. На рисунке указана полярность, которую конденсаторы имеют большую часть периода.
Недостатком приведенной схемы является экспоненциальный спад импульса на коллекторе запирающегося транзистора (на рисунке 2 указан пунктиром), который объясняется падением напряжения на коллекторном резисторе при заряде конденсатора, включенного между коллектором запертого и базой отпертого транзистора..
Скважность импульсов несимметричного мультивибратора не может быть сколь угодно большой из-за необходимости получения режима насыщения отпертого транзистора. Максимальная скважность может быть определена по формуле QMAX1 + 0,3.
Чтобы транзистор находился в состоянии насыщения, необходимо выполнить условие IБIК НАС. Т.к.IК НАСUП/RК, аIБ=UП/RБ, то данное неравенство можно переписать в видеRБRК(здесь- коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером). Однако добиваться глубокого насыщения транзисторов нецелесообразно, т.к. при этом возрастает время рассасывания носителей в базе и , соответственно, увеличиваются фронты импульсов и снижается стабильность частоты. Кроме того, с увеличением степени насыщения уменьшается способность схемы к возбуждению колебаний. При слишком малой степени насыщения искажается форма вершины импульса. В практических схемах обычно берутRБ= 0,5RК.