Принцип работы мультивибратора

Цепей

Изучение работы мультивибратора и формирующих

Лабораторная работа № 13

Приборы и принадлежности: действующая модель мультивибратора, приставки с формирующими цепями, источник постоянного тока ИЭПП-2, электронный осциллограф типа ОДШ-2, соединительные провода.

Цель работы: изучение физических основ мультивибратора, способов получения импульсов различной формы и длительности, методов определения их характеристик.

Применение электрического раздражения с целью изменения функционального состояния клеток, органов и тканей называется электростимуляцией. Для электростимуляции используются токи, называемые импульсными, которые имеют неизменное направление, но меняют свое значение. Форма импульсных токов может быть различной (рис. 1 а, б, в). Согласно закону Дюбуа-Реймона раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой происходит это изменение. Поскольку сила тока i = dq/dt в растворе электролита зависит как от числа движущихся ионов, так и от скорости их перемещения, следовательно, скорость изменения силы тока di/dt = d²q/dt² следует сопоставить с их ускорением.

Поэтому можно считать, что раздражающее действие тока обусловлено ускорением при перемещении ионов тканевых электролитов. Раздражающее действие одиночного импульса тока зависит от крутизны нарастания тока (tg a), длительности импульса t_u и амплитуды А (рис. 2), которые являются основными его характеристиками. При физиологических исследованиях чаще применяются импульсы прямоугольной формы. Раздражающее действие прямоугольного импульса описывается уравнением Вейса-Лапика:

,

где i_n — минимальная сила раздражения, вызывающая реакцию возбудимой ткани и называемая пороговой; а и b — коэффициенты, зависящие от природы возбудимой ткани и ее функционального состояния.

Опыт показывает, что наибольшее раздражающее действие тока имеет место в момент замыкания цепи под отрицательным электродом (катодом), меньшее — под анодом. Поэтому катод при электростимуляции является активным электродом.

Существует определенная связь между пороговой силой тока и длительностью прямоугольного импульса, который вызывает раздражение. Графическое отражение этой зависимости показано на рис.3. Каждой точке кривой и точкам, лежащим выше кривой, соответствуют импульсы, которые вызывают сокращение мышц. Точки, лежащие ниже кривой, отображают импульсы, не вызывающие раздражения.

Кривая, показанная на рис. 3, называется характеристикой возбуждения. Предельно кратковременные импульсы, вызывающие смещение ионов, соизмеримые с амплитудой колебаний в тепловом движении, не оказывают раздражающего действия. При достаточно длительных импульсах раздражающее действие i_n, как это видно из рис. 3, становится независимым от длительности t_u (кривая параллельна оси ox). Значение порогового тока i_n при этом называется реобазой (R). Точка С кривой, ордината которой равна удвоенной реобазе, определяет длительность импульса, называемую хронаксией (chr). Хронаксия и реобаза характеризую возбудимость органа или ткани и могут служить показателями их функционального состояния.

Рассмотрим упрощенную схему мультивибратора на двух транзисторах р-n-р (Рис. 4). Из схемы видно, что коллектор одного транзистора соединяется через конденсатор с базой другого — это так называемая обратная или положительная связь.

Каждая половина мультивибратора представляет собой усилитель напряжения. При подсоединении схемы к источнику питания Е_к оба транзистора пропускают коллекторные токи, поскольку на базы через резисторы R₁ и R₂ подаются отрицательные напряжения смещения. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс генерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого. Этот процесс происходит лавинообразно и заканчивается тем, что один из транзисторов входит в режим насыщения, а другой — в режим отсечки.

Предположим, первый транзистор Т₁ открыт, второй Т₂ закрыт. В схеме начнутся процессы изменения напряжения на обкладках конденсатора С₁ и С₂. Так как R_к2 < R₂, то конденсатор С₂ быстро зарядится до напряжения Е_к через резистор R_к2 и открытый переход база-эмиттер транзистора Т₁, а конденсатор С₁ будет сравнительно медленно разряжаться через сопротивления R₂ и R_к1. Транзистор p-n-p заперт, пока потенциал базы U_б >0. Так как конденсатор С₁ соединен с базой транзистора Т₂, то вследствие разряда конденсатора С₁ положительный потенциал на базе транзистора Т₂ экспоненциально уменьшается и когда достигнет нуля, транзистор Т₂ приоткроется и в схеме возникнет лавинообразный переброс, в результате которого транзистор Т₂ входит в режим насыщения, а транзистор Т₁ — в режим отсечки. Теперь произойдет быстрая зарядка конденсатора С₁ и сравнительно медленная разрядка конденсатора С₂. Когда положительный потенциал на базе транзистора Т₁ упадет до нуля, снова произойдет “опрокидывание” мультивибратора. Далее все процессы повторяются.

Временные диаграммы напряжений на коллекторах и базах (U_k и U_б) транзисторов представлены на рис. 5. Как видно из диаграмм, пока напряжения на базах транзисторов положительны, напряжения на коллекторах запертых транзисторов отрицательны и равны Е_к. Этим промежуткам времени t_u на выходах мультивибратора (рис. 4) соответствуют отрицательные импульсы напряжения, имеющие практически прямоугольную форму. Когда напряжения на базах равны нулю, напряжения на коллекторах открытых транзисторов практически равны нулю вследствие малости их внутренних сопротивлений.

Этим промежуткам времени t_n на выходах мультивибратора соответствуют паузы (отсутствие импульса). Период колебаний мультивибратора в основном определяется постоянными времени цепей обратной связи t = С₁R₂ и t = С₂R₁. Теоретический расчет показывает, что время импульса и время паузы, например, на правом выходе мультивибратора определяются выражениями:

(1)

(2)

Длительность полного рабочего цикла определяется уравнением:

(3)

Для симметричного мультивибратора (R₁ = R₂ = R; C₁ = C₂ = C):

(4)

(5)

Величину S, равную отношению полного периода к длительности импульса называют скважностью.

Дата добавления: 2014-01-04