Multivibrator - el-pths/w GitHub Wiki

#Мультивибратор

Мультивибратором называется устройство имеющее схему из двух симметричных половинок, обладающее тем свойством что каждая из этих половинок может находиться в двух состояниях (например, пропускать ток или не пропускать), но при этом в каждый конкретный момент времени их состояния обязательно различны.

Например, если половинки построены на основе транзисторов, то в любой момент времени обязательно один транзистор закрыт, а другой открыт.

В широком смысле термин "мультивибратор" охватывает три типа устройств:

• астабильный, оба состояния которого являются непостоянными и поэтому он все время переключается между ними;
• стабильный - иначе "RS-триггер" - любое из его состояний может поддерживаться неограниченно долго, а переключаются они по сигналу извне;
• моно-стабильный - с одной стабильной и одной нестабильной половиной - это позволяет организовать схему задержки, например, активирующуюся на определенное время после получения сигнала извне.

В узком смысле (если специально не оговорено иное) мы под мультивибратором подразумеваем "астабильную" версию, которая используется обычно как осциллятор, генератор сигналов заданной частоты. Схема такого мультивибратора на транзисторах приведена на следующем рисунке:

Номиналы и типы деталей могут варьироваться в широких пределах, однако основное соотношение обычно таково - резисторы "подтягивающие" базы, т.е. R2 и R3 имеют сопротивление значительно больше (на порядок-два) чем те что включены как нагрузка транзисторов, в коллекторные цепи, т.е. R1 и R4.

###Принцип действия

Рассмотрим принцип работы мультивибратора на транзисторах. Предположим что в какой-то момент схема оказалась в таком состоянии:

• конденсатор C1 заряжен до напряжения питания, причем плюс на его левой по схеме обкладке;
• конденсатор C2 разряжен и разность потенциалов на его обкладках около нуля.

При этом оказывается что VT1 открыт а VT2 заперт. Действительно, такая ситуация квази-стабильна:

• открытый VT1 соединяет левую обкладку C1 с минусом (нижним по схеме проводом) так что потенциал на правой обкладке (и значит на базе VT2) оказывается глубоко отрицательным;
• этот отрицательный потенциал обеспечивает закрытое состояние VT2, а значит потенциал на его коллекторе близок к напряжению питания;
• через незаряженный C2 этот потенциал оказывается и на базе VT1 тем самым "утверждая" его открытое состояние.

"Квази-стабильной" это состояние является потому, что через конденсаторы течет ток, их заряд и напряжение на них следовательно меняются таким образом:

• C2 быстро заряжается через R4 и база-эмиттерный переход VT1, в результате чего потенциал на C2 падает до примерно 0.7В после чего открытое состояние VT1 поддерживается уже слабым током через R3, а через заряженный C2 уже ничего не идет; теперь правая половина готова к следующему этапу и "ждет";
• C1 медленно разряжается (и немного перезаряжается в обратном направлении) через R2 и открытый VT1; при этом потенциал на его правой обкладке - и на базе VT2 - растет; когда этот потенциал дорастет до 0.7В произойдет переключение.

Переключение происходит таким образом - VT2 начинает открываться, потенциал на его коллекторе падает стремясь к 0 - а на левой обкладке C2 синхронно падает от 0.7В до глубоко отрицательного значения. Из-за этого VT1 сразу закрывается, потенциал на его коллекторе резко вырастает - а значит подскакивает и потенциал на правой обкладке почти разряженного C1 - и на базе VT2. Это еще больше открывает правый и еще больше закрывает левый транзистор.

В этом состоянии оказывается что C2 полностью заряжен, C1 напротив по заряду близок к нулю - и ситуация становится зеркальной в сравнении с той, от которой мы начали. После этого происходит все то же самое но в другую сторону.

Длительность переходного процесса в основном определяется медленной перезарядкой конденсаторов через центральные резисторы, таким образом время активности каждой половины примерно пропорционально R2*C1 и R3*C2 соответственно.

Этот процесс можно продемонстрировать такой анимацией:

Остается вопрос о том, как мультивибратор выходит в такой "рабочий режим" после включения. Сразу после подачи питания можно представить что конденсаторы разряжены, транзисторы закрыты. Начинает течь ток зарядки конденсаторов через коллекторные резисторы и базы противоположных транзисторов. Этот же ток сразу вызывает открывание транзисторов. Однако открыться одновременно они не могут - тот кто откроется первым, сразу запрет второй (понизив напряжение на своем коллекторе и через конденсатор - на чужой базе). Такая несимметрия возникает из-за малейшей неодинаковости номиналов компонент, небольшой разницы в коэффициентах передачи тока и т.п. - ток через один из транзисторов будет нарастать быстрее и станет закрывать "оппонента" - дальше нарастание и закрывание будут усиливаться лавинообразно. После того как один из транзисторов закроется - дальше происходит спокойная быстрая зарядка конденсатора в противоположной половине и выход в рабочий режим.

###Варианты подключения нагрузки

Рассмотренная выше принципиальная схема мультивибратора не имеет каких-либо индикаторов позволяющих наблюдать ее функционирование "живьем". Ниже предложены два варианта вывода полезного сигнала.

В первом варианте к одному из транзисторов подключается выходной усилительный каскад. Сопротивление R5 выбирается большим (порядка сотен килоом), чтобы утекающий через него ток почти не оказывал влияния на сам мультивибратор - достаточно лишь чтобы этот ток позволял транзистору VT3 открываться.

В более простом варианте светодиоды можно включить прямо в коллекторные цепи транзисторов. Они будут переключаться, и при этом их разгорание и затухание будет не мгновенным, что соответствует нарастанию и спаду тока зарядки конденсаторов. Недостатком этого варианта является то что появление нелинейных элементов в коллекторных цепях создает в них дополнительное падение напряжения, конденсаторы заряжаются на меньшую величину и в целом схема становится менее стабильной - при некоторых неудачных сочетаниях параметров она не будет запускаться (транзисторы приоткрыты за счет средних резисторов, оба светодиода светятся но на конденсаторах разность потенциалов не создается и они не заряжаются).

Следует также правильно выбирать частотозадающие компоненты - в первую очередь номиналы конденсаторов. Если рабочая частота будет больше нескольких Герц, то мигание светодиодов станет незаметным. Для работы на частотах 10 Гц ... 10 кГц поэтому следует подключать вместо светодиодов высокоомные наушники или пьезоизлучатели - и определять работоспособность схемы по наличию звука.