Цель: получить основные сведения о методе проведениия анализа параметров работы мультивибратора.
Образовательные результаты по ФГОС:
Знать: сущность физических процессов, протекающих в электронных приборах и устройствах; принципы включения электронных приборов и построения электронных схем;
типовые узлы и устройства электронной техники.
Уметь: определять и анализировать основные параметры электронных схем и устанавливать по ним работоспособность устройств электронной техники; производить подбор элементов электронной аппаратуры по заданным параметрам.
Задание: составить конспект лекции, выделить главное, ответить на контрольные вопросы.
.
План.
Тема: Определение и анализ параметров работы мультивибратора.
Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, форма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования одиночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхронизирующего сигнала и т. д.
Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания накопителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Накопитель переключается с процесса накопления на выделение энергии с помощью коммутирующего устройства при достижении определенного уровня энергии. Управление коммутирующим устройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энергии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной связи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.
Релаксационный генератор может работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.
В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некоторое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров генератора.
В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.
В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.
Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной технике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное устройство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью конденсаторов. Блокинг-генератор - это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.
В мультивибраторе происходит периодическое замыкание и размыкание двух транзисторных ключей без внешних воздействий, при этом замыкание каждого ключа автоматически приводит к размыканию другого. В результате этого процесса на выходе каждого ключа (на коллекторе каждого транзистора) формируется положительный импульс напряжения с амплитудой, близкой к напряжению источника питания. Работу схем, содержащих ключи, принято рассматривать во времени по частям, для чего реальное время разбивается на интервалы, в каждом из которых ключи замкнуты или разомкнуты.
Сначала покажем, что в схеме, приведенной на рисунке 4, возникают автоколебания, а затем определим форму генерируемого напряжения.
Рисунок 4- Схема мультивибратора на транзисторах
Запишем второй закон Кирхгофа для коллекторных цепей транзисторов
где 1 2 i i, – токи заряда конденсаторов 1 2 C C,, соответственно.
Напряжения на базах транзисторов
Выражения (6) и (7) описывают работу мультивибратора. Предположим, что в начальный момент времени t = t1 оба транзистора открыты и находятся в активном режиме, а конденсаторы заряжены до постоянных напряжений, определяемых соотношениями (5). Это состояние схемы неустойчиво, так как малейшее изменение тока в любой цепи приведет к его нарушению. Действительно, пусть в момент t = t1 за счет флуктуации увеличился ток коллектора первого транзистора i К1. Это приведет к возрастанию напряжения на резисторе RК1 и уменьшению uКЭ1. Снижение uКЭ1 u согласно (7) вызовет уменьшение uБЭ2 u, так как напряжение на конденсаторе C2 не может измениться мгновенно. Уменьшение uБЭ2 u вызовет уменьшение коллекторного тока второго транзистора i К 2, как это происходит при работе транзистора в активном режиме. В свою очередь, уменьшение i К2 приведет к увеличению uКЭ2. Так как напряжение на конденсаторе C1 не может измениться мгновенно, произойдёт возрастание напряжения uБЭ1 (см. (7)), что вызовет дальнейший рост iК1, как следует из работы транзистора в активном режиме. Таким образом, первоначальное увеличение iК1, возникшее из-за флуктуации тока в цепи, приводит к еще большему увеличению этого тока. Это значит, что в схеме есть положительная обратная связь, необходимая для перевода усилителя в режим генерации. Рассмотренный рост коллекторного тока iК1 происходит лавинообразно, так как коэффициент усиления схемы двухкаскадного усилителя много больше единицы. Поэтому транзистор VT1 практически мгновенно входит в режим насыщения (ключ на VT1 замыкается), значит, uКЭ1 быстро падает почти до нуля. Падение uКЭ1 должно вызвать разряд C2 (см.(5)), но так как напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может, напряжение базе VT2 при этом становится oтрицательным и примерно равным напряжению на конденсаторе C2 (см.(7)).
Поэтому второй транзистор входит в режим отсечки (ключ на VT2 размыкается) и напряжение на его коллекторе увеличивается до uКЭ u Ek2. Это вызовет заряд конденсатора C1 (см.(5)),но напряжение на C1 не меняется мгновенно.
Рисунок 5- Временные зависимости напряжений на коллекторах и базах обоих транзисторов
Итак, в результате заданной флуктуации iК1 при t = t1 схема практически скачком переходит в первое стационарное состояние: транзистор VT1 открыт и насыщен (КЭ1 u ≈ 0), транзистор VT2 – заперт (uКЭ и Ek2), конденсатор C2 начинает разряжаться, C1 начинает заряжаться. На рисунке 5 приведены временные зависимости напряжений на коллекторах и базах обоих транзисторов. Рассмотренный переход схемы в первое стационарное состояние показан на рис.5 скачком в момент времени t = t1. По сути это процесс возбуждения автогенератора. Покажем, что это первое состояние схемы является временно устойчивым. При t > t1, после лавинообразного процесса, в течение которого напряжения на конденсаторах можно было считать неизменными, необходимо учесть заряд C1 и разряд C2, в результате чего напряжения на конденсаторах будут меняться со временем по экспоненциальному закону. Как видно из рисунка 4, C1 заряжается по цепи: + E→rK2 →C1 →r БЭ1 →− Ek, где rБЭ1 – сопротивление открытого эмиттерного перехода первого транзистора. Постоянная времени заряда C1 равна 
. Конденсатор C2 разряжается по цепи: 
где r – внутреннее сопротивление источника питания, которое в схеме не показано. Так как сопротивление насыщенного транзистора VT1 и r – малые величины, то постоянная времени разряда C2 равна примерно 
Заряд и разряд конденсаторов в мультивибраторе определяют параметры генерируемых импульсов. Действительно, ток заряда C1, протекая по R К 2, препятствует скачкообразному увеличению uКЭ2 до EК после запирания VT2 при t = t1. Только после окончания заряда C1, когда i1 уменьшится практически до нуля, uКЭ2 достигнет установившегося значения, близкого к EК (см.(6)). Таким образом, время заряда C1 определяет время нарастания положительного импульса на коллекторе VT2, то есть длительность фронта импульса τф. Время разряда конденсатора C2 определяет длительность импульса на коллекторе VT2. Действительно, по мере разряда C2 напряжение на базе VT2 согласно (7) увеличивается от
≈ – EК по экспоненциальному закону (рис.5). Однако пока uБЭ2 остается меньше Uбэпор, VT2 находится в режиме отсечки и uКЭ2 ≈ EК. Так формируется плоская вершина импульса на коллекторе VT2. C2 после разряда до нуля стремится перезарядиться до величины + EК, так как VT2 заперт (ключ на VT2 разомкнут). Цепь перезаряда конденсатора 
насыщенный транзистор VT1 → – EК. При перезаряде конденсатора знак напряжения на нем будет противоположен знаку, указанному на рис.4 и в формулах (7). Очевидно постоянная времени перезаряда равна 
. В результате перезаряда конденсатора C2 в момент t = t2, когда напряжение на базе uБЭ2 немного превысит UБЭпор, появится небольшой ток коллектора второго транзистора iК2. В схеме мультивибратора усилители на транзисторах VT1 и VT2 связаны между собой одинаковым образом, так как часть напряжения с выхода каждого транзистора поступает на вход другого, что отражено в соотношениях (6) и (7). Поэтому закономерное появление iК2 приведет к процессу, рассмотренному выше при увеличении тока iК1 за счет флуктуации. Таким образом, при t = t2 возникнет второй лавинообразный процесс, в результате которого схема перейдет во второе состояние: VT2 окажется в режиме насыщения (uКЭ=0), VT1 – в режиме отсечки (uКЭ и Eк). Это изображено на рисунке 5 скачком при t = t2. В результате на коллекторе VT2 формируется почти прямоугольный импульс с длительностью τ1 = t2. 2. В результате на коллекторе VT2 формируется почти прямоугольный импульс с длительностью 
. При t > t2 начинается второй такт работы мультивибратора, идентичный первому, только транзисторы меняются ролями. С момента t2 начинается разряд конденсатора C1 и заряд конденсатора C2. Второе состояние схемы также временно устойчиво: VT1 заперт только до тех пор, пока конденсатор C1 не перезарядится до UБЭпор ≈ 0.6 В. При t = t3, когда БЭ1 u превысит UБЭпор, появится ток коллектора первого транзистора iК1 и в схеме будет происходить процесс, как при t = t1. Это показано на рисунке 5 скачком при t = t3. В результате на коллекторе VT1 формируется почти прямоугольный импульс с длительностью τ2 = t3 – t2. Таким образом, схема имеет два состояния равновесия. Оба состояния временно устойчивы и система непрерывно переходит из одного состояния в другое практически скачком. В результате этого на коллекторах обоих транзисторов формируется периодическая последовательность положительных импульсов почти прямоугольной формы. Эти импульсы являются выходными импульсами мультивибратора.
Времязадающими элементами данной схемы являются резисторы RБ1, RБ2 и конденсаторы C1 и C2. Чем меньше их номиналы, тем чаще будут переключаться транзисторы,
Контрольные вопросы.
1.Какие колебания вырабатывает мультивибратор?
2.Какие импульсы формирует мультивибратор?
3.Что используют в качестве коммутирующего элемента в мультивибраторе?
4.От чего зависит время переключния мультивибратора?
5.Какой закон описывает работу мультивибратора?
6.В чём заключается суть колебательных процессов в релаксационном генераторе?
Источник:
https://montazhtv.ru/principialnaya-shema-simmetrichnogo-multivibratora-svetodiodnaya-migalka/
Видео:
1.https://www.youtube.com/watch?v=JpIsxw_LHxg&feature=emb_logo
2.https://www.youtube.com/watch?v=p66FANMbSUU&feature=emb_rel_pause