Методична розробка. Для позааудиторної самостійної роботи

для позааудиторної самостійної роботи

До теми: М ультивібратори

1. Навчальна мета: Ознайомити студентів з пристроями генерування релаксаційних коливань: мультивібратори, одновібратори. Блокінг-генератори, генератори пилкоподібної напруги. Принцип роботи даних пристроїв та області їх застосування.

2. Студент повинен знати:

- Пристрої генерування релаксаційних коливань: мультивібратори, одновібратори.

- Блокінг-генератори, генератори пилкоподібної напруги.

- Принцип роботи даних пристроїв та області їх застосування.

3. Студент повинен вміти:

-розраховувати параметри схем;

-дсліджувати схеми.

4 Базові знання, необхідні для засвоєння теми:

Дисципліни	Знати
1.ТОЕ 2.Математика

5Орієнтовна карта роботи з літературою:

№	Навчальні завдання	Вказівки до завдання
1.	Опрацювати матеріал за літературою та підготувати конспект за поданою літературою і переліком запитань з теми

6 Методичні вказівки з вивчення.

Релаксаційними коливаннями називаються такі, форма яких відрізняється від синусоїди.

По (2, с. 177) вивчіть принцип роботи мультивібратора на біполярних транзисторах (мал. 6.24), форму напруги на колекторах та базах, схему мультивібратора на елементах І - НІ (мал. 6.25).

7.Питання для самоконтролю:

1. ЯКІ КОЛИВАННЯ НАЗИВАЮТЬ РЕЛЕКСАЦІЙНИМИ

2. Що називають мультивібратором?

3. Принцип роботи даних пристроїв та області їх застосування.

8 Література для самостійної роботи:

1.Забродин Ю.С.Промышленая електроника. -М.:Высшая школа, 1982.

2.Криштафович А.К.. Трифонюк В.В, Основи промышленной електороники. -М.: Высшая школа, 1985.

3.Основи промислової електроніки. Під ред. Герасимова В.Г.-М.:Вища школа, 1986.

4.Атаржанян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоиздат, 1983.

5.Князев А.Д.Элементы теория и практика обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Ра-диосвязь, 1984.

6. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - К., Высшая школа 1989.

7. Колонтаєвський Ю., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: 8. Підручник/За редакцією А.Г.Соскова- К: Каравела,2007.-384с.

Тема: Мультивібратори

Загальні відомості

Мультивібратори (від латинського multum - багато; vibro - коли­ваю) - це релаксаційні автогенератори напруги прямокутної форми (релаксаційний - такий, що різко відрізняється від гармонійного -синусоїдного; автогенератор - пристрій, що генерує незатухаючі коли­вання без запуску ззовні і не має стійких станів).

Виконуються мультивібратори на основі електронних приладів, що мають на вольтамперній характеристиці ділянку з негативним опором (наприклад, тунельні діоди, тиристори), а також на підсилювачах постій­ного струму з додатніми зворотними зв'язками (на транзисторах, ОП, цифрових і спеціальних ІМС). Електронні прилади в них працюють у ключових режимах.

Мультивібратори можуть працювати у трьох режимах: чекаючому, автоколивальному та режимі синхронізації.

Найчастіше вони працюють в автоколивальному режимі, коли мульти­вібратор має два квазісталих (нестійких) стани рівноваги і переходить із одного стану в інший самочинно під впливом внутрішніх перехідних процесів. У такому режимі мультивібратор використовується як генератор прямокутної напруги.

У чекаючому режимі мультивібратор має один сталий і один квазі-сталий стани рівноваги. Зазвичай він знаходиться у сталому стані і переходить до квазісталого під дією зовнішнього електричного сигналу. Час перебування у квазісталому стані визначається внутрішніми процесами в схемі мультивібратора. Такі мультивібратори використо­вуються для формування імпульсів напруги необхідної тривалості, а також для затримки імпульсів на визначений час. Мультивібратор, що працює у такому режимі, має назву одновібратора.

У режимі синхронізації використовується мультивібратор, що пра­цює в автоколивальному режимі, але його перехід із одного стану в інший забезпечується зовнішньою синхронізуючою напругою. Для його нормальної роботи в цьому режимі необхідно, щоб частота синхронізу­ючого сигналу перевищувала частоту власних коливань. В результаті частота коливань мультивібратора практично не залежить від дестабілі­зуючих факторів, які впливають на його елементи. Використовуються такі мультивібратори для створення генераторів стабільної частоти і при керуванні складними електронними пристроями, робота яких син­хронізована якоюсь зовнішньою дією (наприклад, синхронізація розгортки електронного осцилографа).

Загалом, мультивібратори повинні забезпечувати стабільність час­тоти і довжини імпульсів, а також необхідну (зазвичай, мінімальну) три­валість їх фронтів.

Мультивібратор з колекторно-базовими зв'язками в

автоколивальному режимі

На транзисторах автоколивальний мультивібратор найчастіше будують за симетричною схемою з колекторно-базовими зв'язками.

Він складається з двох одинакових каскадів підсилення з СЕ. Для забезпечення додатнього зворотного зв'язку, за рахунок якого мультивібратор самозбуджується, вихідна напруга кожного з каскадів подається на вхід іншого. Схема такого мультивібратора зображена на мал. 1хоча зараз її практично не застосовують (бо використовують, в основ­ному, мультивібратори на ІМС), вона якнайкраще підходить для здобут­тя навиків аналізу роботи імпульсних пристроїв.

Мал. 1Мультивібратор з колекторно-базовими зв'язками

Симетрія схеми забезпечується тим, що задають R_K1 = R_K2 та R_Б1 = R_Б2 (вони при­значені для забезпе­чення насиченого стану транзисторів), С_Б1 = С_Б2 (забезпечу­ють зв'язок між кас­кадами). Відповідно, параметри транзис­торів повинні бути повністю ідентичні. І така ідеальна схема буде не­працездатною: обидва транзистори будуть відкриті. Неможливість ре­ально забезпечити абсолютну симетрію і наявність додатнього зворот­ного зв'язку призводять до того, що після подачі напруги живлення один із транзисторів повністю відкривається, а другий - закривається. Роботу мультивібратора ілюструють часові діаграми, наведені на мал. 10.10.

Отже, мультивібратор має два квазісталих стани:

1 - транзистор VT1 відкритий, a VT2 закритий;

2 - транзистор VT2 відкритий, a VT1 закритий.

Уявимо, що початковий стан мультивібратора такий: VT1 відкритий (знаходиться у режимі насичення), a VT2 закритий (знаходиться у ре­жимі відтинання). При цьому і надалі:

1) через VT1 і R_K1 від Е_к протікає колекторний струм насичення І_К1;

2) через R_Б1 і базо-емітерний перехід VT1 протікає струм бази І_Б1, який утримує VT1 в режимі насичення (маємо схему зміщення фіксо­ваним струмом бази);

Мал. 2- Часові діаграми роботи мультивібратора з колекторно-базовими зв'язками

3) конденсатор С_Б1 заряджається струмом I_1зар від е_к через R_K1, і базо-емітерний перехід VТ1;

4) конденсатор С_Б1 заряджений з вказаною на схемі полярністю до напруги, рівної е_к (у попередньому такті роботи схеми), і через VT1

(замкнений ключ) підімкнений до нульової точки, за рахунок чого че­рез нього протікає струм I_2зарт від Е_к через R_Б2 цей струм намагається перезарядити С_Б2 від напруги –Е_к до напруги +Е_К, при цьому від'ємна напруга з С_Б2 подається на базу VТ2 відносно його емітера і утримує транзистор в закритому стані (розімкнений ключ);

5) процес перезарядки конденсатора С_Б2 триває доти, доки напруга на ньому не перетне нульового рівня і не стане вищою за порогову напругу базо-емітерного переходу транзистора VT2 U_БЕнас » 0,6 В, після чого потече базовий струм VT2 і він почне відкриватися;

6) через VT2, що перейшов у активний режим, конденсатор С_Б1 об­кладкою «+» підмикається до нульової точки і від'ємна напруга з С_Б2 подається на базу VT1 відносно його емітера, закриваючи транзистор;

7) як тільки VT1 починає закриватися, збільшується додатня на­пруга на його колекторі і починає заряджатися С_Б2 від Е_к через R_K1 і базо-емітерний перехід VT2, за рахунок чого останній відкривається ще більше -діє додатній зворотний зв'язок: розвивається лавиноподіб­ний регенеративний процес, по закінченні якого VT1 повністю закри­вається, a VT2 відкривається і мультивібратор переходить до свого другого квазісталого стану.

Далі процеси в схемі протікають аналогічно, тільки тепер заряджаєть­ся С_Б2, а перезаряджається С_Б1.

Таким чином, пристрій фактично працює за рахунок автоматичної комутації конденсаторів ключами-транзисторами.

Умовами працездатності мультивібратора є:

R_K2 С_Б1 < R_Б2C_B2 R_K1 С_Б2 <R_K1 С_Б1

R_K1b₁ ³ R_Б1 R_K2b₂ ³ R_Б2

Тривалість імпульсів, що знімаються з колекторів транзисторів VT1 або VT2, становить відповідно

t₁ » 0,7R_Б1 C_Б1 ; t₂ » 0,7R_Б2 C_Б2.

Період надходження імпульсів Т= t_t+ t₂.

Для симетричної схеми Т» 1,4RC,

де R = R_Б1=R_Б2; С=С_Б1=С_Б2.

Співвідношення величин t₁ і t₂ (шпаруватість) можна змінювати, по­рушуючи симетрію схеми: наприклад, збільшуючи величину R_Б1 і про­порційно зменшуючи величину R_Б2 При цьому тривалість періоду за­лишається незмінною.

Якщо змінювати величину тільки одного з резисторів або конденса­торів, то при постійній тривалості імпульсу (або паузи) будуть змінюва­тись період і шпаруватість.

Недоліком розглянутої схеми є значно спотворений передній фронт генерованих імпульсів (він являє собою експоненту). Це відбувається через те, що вихідним сигналом пристрою є напруга, яка знімається з транзисторного ключа і під'єднаного паралельно до нього конденсато­ра - фактично це є напруга на конденсаторі, що заряджається.

Скоротити тривалість фронтів (час заряду конденсаторів) можна, наприклад, зменшивши величину колекторних резисторів R_K1 і R_K2. Але це призведе до значних енергетичних втрат: через транзистори в ре­жимі насичення буде протікати великий струм.

Оскільки причиною спотворення є процес заряду конденсаторів, то забезпечити якість генерованих імпульсів можна, відключаючи колек­тори транзисторів від кіл заряду конденсаторів. Для цього в схему мультивібратора необхідно ввести допоміжні ключі - наприклад, діоди VD1 і VD2, як це показано на мал. 10.11. Для створення кіл заряду кон­денсаторів тут вве­дено резистори R₁ і R₂. У результаті, діодні ключі відтина­ють кола заряду від колекторів на час заряду. Тому такий мультивібратор на­зивають мульти­вібратором з від­тинаючими діодами. Перезаряджатися конденсаторам діодні ключі не заважають. Тепер довжина фронтів імпульсів практично однакова і ви­значається частотними властивостями транзисторів і діодів, а також паразитними ємностями схеми.

Мал. 3. Мультивібратора відтинаючими діодами

Мультивібратор на ОП

Схема мультивібратора на ОП наведена на мал. 10.12,а, часові діа­грами роботи - на мал. 10.13.

Мал. 5- Часові діаграми роботи мультивібратора на ОП

Мал. 4- Мультивібратор на ОП

Автоколивальний режим (збудження генератора) забезпечується додатнім зворотним зв'язком, що охоплює ОП з виходу на неінвер-туючий вхід дільником R_rR,. Часові характери стики вихідного сигна­лу визначаються інтегруючим

RС-ланцюжком, увімкненим у коло від'ємного зворотнього зв'язку: з виходу ОП на його інвертуючий вхід.

ОП тут фактично працює як компаратор, порівнюючи величини на­пруг, що подаються на його інвертуючий та неінвертуючий входи.

Величина напруги на неінвертуючому вході є частиною вихідної на­пруги ОП. Для абсолютних величин.

Тому маємо два пороги спрацьовування. При цьому, якщо напруга на інвертуючому вході буде змінюватися від найбільш можливої від'ємної Uвих^- до найбільш додатної Uвих⁺ спрацьовування відбудеться при її значенні U₀⁺, а якщо вона почне змінюватись у зворотному напрямку - при U₀^-. Такий пристрій (з гістерезисом по вхідному сигналу) називають тригером Шмітта.

Таким чином, при роботі мультивібратора порівнюються фіксована величина напруги, що знімається з дільника, зі змінною напругою на конденсаторі, який намагається зарядитися до вихідної напруги ОП Uвих. Як тільки величини напруг зрівнюються, Uвих змінює знак, а відповідно, і U₀ також, а конденсатор починає заряджуватися до нового значення Uвих і так далі. На виході ОП формується прямокутна напруга типу «меандр»-коли тривалості її від'ємного ti- ідодатнього ti⁺ зна­чень однакові. Період генерованих імпульсів становить

Змінити співвідношення ti i ti можна, якщо замість резистора R ввести два паралельних ланцюжки з двох різних за величиною резисторів R і R з послідовно в різному напрямку ввімкненими діодами VD1, VD2, як це показано на мал. 5

№20

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

Спеціальність Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд

Дата добавления: 2014-01-05