Multivibrátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 27. září 2018; kontroly vyžadují 18 úprav .

Multivibrátor je relaxační generátor elektrických obdélníkových kmitů s krátkými čely .

Multivibrátor je jedním z nejběžnějších obdélníkových pulzních generátorů používaných v elektronice a radiotechnice. Obvykle se jedná o dvoustupňový odporový zesilovač obklopený hlubokou kladnou zpětnou vazbou .

V elektrotechnice se používá široká škála multivibračních obvodů, které se liší zapojením, typem použitých aktivních součástek ( elektronka , tranzistor , tyristor , mikroelektronika a další), které se liší režimem činnosti ( samooscilační , čekající, s externí synchronizací), typ spojení mezi zesilovacími prvky, způsoby nastavení doby trvání a frekvence generovaných impulsů a další parametry.

Historie

Multivibrátor byl vynalezen během první světové války francouzskými vědci Henri Abrahamem a Eugenem Blochem a byl poprvé popsán v článku publikovaném v Annales de Physique v roce 1919 [1]

Název multivibrátor pro zařízení navrhl holandský fyzik van der Pol a odráží skutečnost, že ve spektru pravoúhlých kmitů multivibrátoru je mnoho vyšších harmonických - na rozdíl od generátoru sinusových kmitů ("monovibrátor").

Některé typy a klasifikace multivibrátorů

V závislosti na provozním režimu existují tři typy multivibrátorů:

nestabilní , samooscilující nebo astabilní : zařízení nepřetržitě kmitá a spontánně se mění z jednoho stavu do druhého. To nevyžaduje externí synchronizační signál, pokud nepotřebujete zachytit kmitočet oscilací.
monostabilní : jeden ze stavů je stabilní, ale druhý stav je nestabilní (přechodný). Multivibrátor po určitou dobu, určenou parametry jeho součástí, přejde působením spouštěcího impulsu do nestabilního stavu. Poté se vrátí do stabilního stavu, dokud nepřijde další spouštěcí impuls. Takové multivibrátory se používají k vytvoření pulzu s pevnou dobou trvání, nezávislou na trvání spouštěcího pulzu. Tento typ multivibrátoru je někdy v literatuře označován jako jednoduché vibrátory nebo záložní multivibrátory .
bistabilní : multivibrátor je stabilní v kterémkoli ze dvou stavů a lze jej přepínat z jednoho stavu do druhého pomocí externích impulsů. Taková zařízení se nazývají bistabilní klopné obvody . Takové spouštěče se někdy nazývají "multivibrátory", což není správné, protože tyto spouštěče jsou pouze podtřídou multivibrátorů, ale vůbec ne multivibrátory.

Zařazení multivibrátoru do třídy samooscilátorů je oprávněné pouze v samooscilačním režimu jeho činnosti. V pohotovostním režimu multivibrátor generuje impulsy pouze tehdy, když jsou na jeho vstupu přijímány synchronizační signály.

Synchronizační režim se od samooscilačního liší tím, že v tomto režimu je možné pomocí externího řídícího (synchronizačního) kmitání synchronizovat kmitočet kmitání samooscilačního multivibrátoru na kmitočet synchronizačního signálu popř. udělejte to jeho násobkem ( režim „ zachycení frekvence “ ) pro samooscilující multivibrátory.

Schmittův multivibrátor

Někdy se multivibrátory nazývají Schmittovy spouštěče - elektronické obvody, které nejsou fyzicky multivibrátory, ale komparátory s hysterezí .

Symetrický multivibrátor

„Klasický“ multivibrátorový obvod na dvou tranzistorech stejného typu vodivosti, znázorněný jako příklad na obrázku, se nyní téměř nepoužívá, protože má špatné frekvenční vlastnosti a nedostatečně strmé fronty, což omezuje jeho generační frekvenci na jednotky MHz . . S poklesem hodnot součástek (odporů rezistorů a kapacity kondenzátorů) pro zvýšení generační frekvence přecházejí oba tranzistory do otevřeného nebo nasyceného stavu bez generování - generování je samovolně přerušeno a pro obnovení generování musí být zařízení restartován - například přivedením impulsu na bázi jednoho z tranzistorů, což je v mnoha aplikacích nepřijatelné.

Symetrický multivibrátor se nazývá, když jsou odpory rezistorů R1 a R4, R2 a R3 stejné v párech, kapacity kondenzátorů C1 a C2, stejně jako parametry tranzistorů Q1 a Q2.

Symetrický multivibrátor generuje pravoúhlé oscilace (" meandr ") s pracovním cyklem 2, tj. pravoúhlý signál, ve kterém je trvání pulsu a trvání pauzy stejné.

Symetrický multivibrátor podle "klasického" schématu je široce používán pro vzdělávací a demonstrační účely jako nejjednodušší generátor elektrických oscilací v návrhu obvodů . Princip činnosti tohoto obvodu je snadno pochopitelný a tento obvod je také vhodný v tom, že pro jeho implementaci nevyžaduje objemné a nepohodlné cívky a transformátory .

Čekací multivibrátory

Monostabilní multivibrátor

Monostabilní multivibrátor, také často označovaný jako jednoduchý vibrátor, je typem záložního multivibrátoru. Má jeden stabilní stav a jeden nestabilní stav. Když dorazí spouštěcí impuls, jednoduchý stabilní multivibrátor se na čas přepne do nestabilního stavu a tato doba nezávisí na trvání spouštěcího impulsu (pro obvod na obrázku 2) a poté se vrátí do stabilního stavu. $t=\ln(2)\cdot R_{2}\cdot C_{1}$

Jednoduché vibrátory se používají k transformaci tvaru pulzů v pulzních expandérech [2] [3] .

Bistabilní multivibrátor

Bistabilní multivibrátor je druh pohotovostního multivibrátoru, který má dva stabilní (ustálené) stavy, charakterizované různými úrovněmi výstupního napětí. Bistabilní multivibrátory se zpravidla přepínají z jednoho stabilního stavu do druhého pomocí signálů přiváděných na různé vstupy, jak je znázorněno na schématu na obrázku. V tomto případě je bistabilním multivibrátorem klopný obvod typu RS . V některých obvodech se pro spínání používá jeden vstup, na který se přivádějí pro spínání pulzy různé nebo stejné polarity, při spínání stavů s pulzy stejné polarity na jednom vstupu se taková zařízení nazývají „klopné obvody s počítacím vstupem“. “.

Bistabilní multivibrátor se kromě funkce spouštění používá také k sestavení generátorů synchronizovaných s externím signálem. Tento typ bistabilních multivibrátorů se vyznačuje minimální dobou zdržení v každém ze stavů nebo minimální periodou oscilací. Změna stavu multivibrátoru je možná až po uplynutí určité doby od posledního sepnutí (tzv. „mrtvá doba sepnutí“) a nastane v okamžiku příchodu čela synchronizačního signálu.

Multivibrátor na operačním zesilovači

V zásadě je možné postavit samooscilační multivibrátor na invertujícím komparátoru s hysterezí pokrytou negativní zpětnou vazbou. Příklad takové struktury využívající operační zesilovač (op amp) je znázorněn na obrázku vpravo.

Dělič napětí z dvojice rezistorů R4 obsažených v obvodu kladné zpětné vazby převádí operační zesilovač do režimu komparátoru s hysterezí přes invertující vstup, ke kterému je připojen integrační obvod R2, C1. Když se komparátor přepne ze stavu do stavu, změní se směr proudu v integračním obvodu a kondenzátor se začne dobíjet v opačném směru, dokud není dosaženo jiného komparačního prahu a polarita napětí na výstupu operačního systému -amp je zapnutý. V tomto obvodu plní operační zesilovač několik funkcí najednou: zdroj vybíjecího a nabíjecího napětí pro kondenzátor, komparátor a výstupní spínač.

Multivibrátor na indukčnosti

V některých obvodech se používá symetrický multivibrátor, kde rozvodový řetězec nevyužívá náboj kondenzátoru, ale výskyt samoindukčního EMF v tlumivkách. V tomto případě lze samoindukční napěťové impulzy, ke kterým dochází při spínání multivibrátoru, použít k získání zvýšeného napětí .

Princip činnosti "klasického" dvoutranzistorového multivibrátoru

Obvod může být v jednom ze dvou nestabilních stavů a periodicky se přepíná z jednoho do druhého a zpět. Přechodová fáze je velmi krátká vzhledem k době trvání ve stavech kvůli hluboké pozitivní zpětné vazbě, která zahrnuje dvě fáze zesílení.

Předpokládejme, že ve stavu 1 je Q1 uzavřen, Q2 je otevřený a nasycený, zatímco C1 je rychle nabit proudem otevřené báze přechodu Q2 přes R1 a Q2 téměř na napájecí napětí, načež s plně nabitým C1 až R1 , proud se zastaví, napětí na C1 je (základní proud Q2) R2 a na kolektoru Q1 - na napájecí napětí.

V tomto případě je napětí na kolektoru Q2 malé (rovná se úbytku napětí na nasyceném tranzistoru).

C2, nabitý dříve v předchozím stavu 2 (polarita podle schématu), se pomalu vybíjí přes otevřené Q2 a R3. V tomto případě je napětí na bázi Q1 záporné a tímto napětím je udržováno v uzavřeném stavu. Zablokovaný stav Q1 je udržován, dokud není C2 dobit přes R3 a napětí na bázi Q1 nedosáhne prahové hodnoty pro odblokování (asi +0,6 V). Současně se Q1 začne mírně otevírat, napětí jeho kolektoru klesá, což způsobí, že Q2 se začne blokovat, kolektorové napětí Q2 se začne zvyšovat, čímž se Q1 ještě více otevře přes kondenzátor C2. V důsledku toho se v okruhu rozvíjí lavinový regenerační proces, který vede k tomu, že Q1 přejde do otevřeného nasyceného stavu a Q2 je naopak zcela zablokován.

Dále se oscilační procesy v obvodu periodicky opakují.

Doba trvání tranzistorů v uzavřeném stavu je určena časovými konstantami pro Q2 - T 2 \u003d C1 R2, pro Q1 - T 1 \u003d C2 R3.

Hodnoty R1 a R4 jsou zvoleny mnohem menší než R3 a R2, takže nabíjení kondenzátorů přes R1 a R4 je rychlejší než vybíjení přes R3 a R2. Čím delší je doba nabíjení kondenzátorů, tím kladnější budou čela impulsů. Poměry R3/R1 a R2/R4 ale nesmějí být větší než zesílení příslušných tranzistorů, jinak se tranzistory plně neotevře.

Frekvence multivibrátoru

Doba trvání jedné ze dvou částí období je

t=\ln 2\cdot RC

Doba trvání období dvou částí se rovná:

T=t_{1}+t_{2}=\ln 2\cdot R_{2}C_{1}+\ln 2\cdot R_{3}C_{2}

f={\frac {1}{T))={\frac {1}{\ln 2\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2)))))\cca { \ frac {1}{0,693\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}

kde

f je frekvence v Hz ,
R2 a R3 - hodnoty rezistoru v ohmech , _
C1 a C2 jsou hodnoty kondenzátorů ve faradech , _
T je doba trvání období (v tomto případě součet dvou částí období).

Ve zvláštním případě , kdy

t 1 \ u003d t 2 (50% cyklus),
R 2 \ u003d R 3 ,
C 1 \ u003d C 2 ,

f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln 2\cdot 2RC}}\cca {\frac {0,721}{RC}}

Viz také

Poznámky

↑ Abraham, H.; E. Bloch. Mesure en valeur absolue des périodes des oscillations électriques de haute fréquence (francouzsky) // Annales de Physique :časopis. - Paříž: Société Française de Physique, 1919. - Sv. 9 , č . 1 . - str. 237-302 . - doi : 10.1051/jphystap:019190090021100 .
↑ http://library.espec.ws/books/constructor/Part1/1-3.htm Archivováno 8. října 2009 na Wayback Machine Pulse Expanders
↑ http://cxem.net/beginner/beginner27.php Archivováno 5. srpna 2009 na Wayback Machine Pulse Expanders

Literatura

Manaev E.I. Základy radioelektroniky. - M . : Rádio a komunikace, 1990. - S. 322-325. - ISBN 5-256-00408-5 .