Как работает мультивибратор на транзисторах для чайников. Светодиодная мигалка — мультивибратор. Принцип работы мультивибратора

Этот урок будет посвящен, довольно важной и востребованной теме, о мультивибраторах и их применении. Если бы я попытался только перечислить, где и как используются автоколебательные симметричные и несимметричные мультивибраторы, для этого потребовалось бы приличное кол - во страниц книги. Нет, пожалуй, такой отрасли радиотехники, электроники, автоматики, импульсной или вычислительной техники, где бы такие генераторы не применялись. В этом уроке будут даны теоретические сведения об этих устройствах, а в конце, я приведу несколько примеров практического использования их применительно к вашему творчеству.

Автоколебательный мультивибратор

Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. Спектр колебаний, генерируемых мультивибратором, содержит множество гармоник - тоже электрических колебаний, но кратных колебаниям основной частоты, что и отражено в его названии: "мульти - много", "вибро - колеблю".

Рассмотрим схему, показанную на (рис. 1,а). Узнаете? Да, это схема двухкаскадного транзисторного усилителя 3Ч с выходом на головные телефоны. Что произойдет, если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией? Между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором колебаний звуковой частоты, и в телефонах мы услышим звук низкого тона.С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.

Теперь посмотрите на (рис. 1,б). На нем вы видите схему того же усилителя, охваченного положительной обратной связью , как на (рис. 1, а), только начертание ее несколько изменено. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов. Опыт - самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. В этом вы убеждались не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора - автомата, предлагаю провести опыт с ним. Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов вы видите на (рис. 2, а). Смонтируйте его на макетной плате. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39 - МП42), так как у высокочастотных транзисторов очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электролитические конденсаторы С1 и С2 - типа К50 - 6, К50 - 3 или их импортные аналоги на номинальное напряжение 10 - 12 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов Rl, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используйте батарею "Крона" или БП. В коллекторную цепь любого из транзисторов включите миллиамперметр (РА) на ток 10 - 15 мА, а к участку эмиттер - коллектор того же транзистора подключите высокоомный вольтметр постоянного тока (PU) на - напряжение до 10 В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключите к мультивибратору источник питания. Что показывают измерительные приборы? Миллиамперметр - резко увеличивающийся до 8 - 10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение. О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора. Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180° : когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитайте, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно раз 15 - 20. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3 - 4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытайтесь изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывайте в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной - соответствующий этим состояниям коллекторный ток. У вас получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 2, б.

Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами длительностью паузы Тn - Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность Тn которых равна паузам между ними, называют симметричными. Следовательно, собранный вами опытный мультивибратор - симметричный. Замените конденсаторы С1 и С2 другими конденсаторами емкостью по 10 - 15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3 - 4 раза - до 60 - 80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Стрелки измерительных приборов еле успевают следовать за изменениями токов и напряжений в цепях транзисторов. А если конденсаторы С1 и С2 заменить бумажными емкостью по 0,01 - 0,05 мкФ? Как теперь будут вести себя стрелки измерительных приборов? Отклонившись от нулевых отметок шкал, они стоят на месте. Может быть, сорвана генерация? Нет! Просто частота колебаний мультивибратора увеличилась до нескольких сотен герц. Это колебания диапазона звуковой частоты, фиксировать которые приборы постоянного тока уже не могут. Обнаружить их можно с помощью частотомера или головных телефонов, подключенных через конденсатор емкостью 0,01 - 0,05 мкФ к любому из выходов мультивибратора или включив их непосредственно в коллекторную цепь любого из транзисторов вместо нагрузочного резистора. В телефонах услышите звук низкого тона. Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 2, а. В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 - через эмиттерный переход транзистора V2 и резистор R1; С2 - через эмиттерный переход транзистора V1 и резистор R4. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое положительное напряжение, например, из - за разницы коэффициентов передачи токов h21э номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются. Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2, а открытым - транзистор V1. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1, сопротивление участка эмиттер - коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разрядки конденсатора С1 положительное напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что вами уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем вы можете убедиться сейчас же. Попробуйте, например, базовые резисторы R2 и R3 заменить резисторами больших сопротивлений. Частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключите верхние (по схеме) выводы резисторов R2 и R3 от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включите реостатом переменный резистор сопротивлением 30 - 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, вы в довольно широких пределах сможете изменять частоту колебаний мультивибраторов. Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: F = 700/(RC), где f - частота в герцах, R - сопротивления базовых резисторов в килоомах, С - емкости конденсаторов связи в микрофарадах. Пользуясь этой упрощенной формулой, подсчитайте, колебания каких частот генерировал ваш мультивибратор. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2, а). Конденсатор С2 замените конденсатором емкостью 2 - 3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора V2 включите миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразите графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора V2 будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2, в). Длительность импульсов Тh будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами Тh, во сколько уменьшилась емкость конденсатора С2 по сравнению с его прежней емкостью. А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включите в коллекторную цепь транзистора V1. Что показывает измерительный прибор? Тоже импульсы тока, но их длительность значительно больше пауз между ними (рис. 2, г). Что же произошло? Уменьшив емкость конденсатора С2, вы нарушили симметрию плеч мультивибратора - он стал несимметричным . Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными : в коллекторной цепи транзистора V1 ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора V2 - короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 - длинные импульсы напряжения. Временно поменяйте местами конденсаторы С1 и С2. Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные - на Выходе 2. Сосчитайте (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличьте емкость конденсатора С1, подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 - 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится. А если, наоборот, емкость этого конденсатора уменьшать? Частота следования импульсов должна увеличиваться. Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов - изменением сопротивления резистора R2: с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 - 5 кОм, иначе транзистор V2 будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться. Проверьте опытным путем - так ли это? Подберите резистор такого номинала, чтобы число импульсов в 1 мин составляло точно 60. Стрелка миллиамперметра будет колебаться с частотой 1 Гц. Мультивибратор в этом случае станет как бы электронным механизмом часов, отсчитывающих секунды.

Ждущий мультивибратор

Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 включить резистор (на рис. 3 - R3) сопротивлением 10 - 15 кОм; между базой транзистора V1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 (G1 или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 - 5,1 кОм (R5), но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора V1 поключить конденсатор (на рис. 3 - С2) емкостью 1 - 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора V1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора V2 - открытое. Проверьте - так ли это? Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора V1 включите миллиамперметр на ток 10 - 15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один - два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Только не перепутайте:, отрицательный полюс этого внешнего электрического сигнала должен подключаться к контакту Uвх. При этом стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала. Повторите этот опыт несколько раз. Миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8 - 10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора V1. Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвх. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, - на выходе мультивибратора появится только один импульс Попробуйте!

И еще один эксперимент: коснитесь вывода базы транзистора V1 каким - либо металлическим предметом, взятым в руку. Возможно, и в этом случае ждущий мультивибратор сработает - от электростатического заряда вашего тела. Повторите такие же опыты, но включив миллиамперметр в коллекторную цепь транзистора V2. При подаче управляющего сигнала коллекторный ток этого транзистора должен резко уменьшиться почти до нуля, а затем так же резко увеличиться до значения тока открытого транзистора. Это тоже импульс тока, но отрицательной полярности. Каков же принцип действия ждущего мультивибратора? В таком мультивибраторе связь между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 не емкостная, как в автоколебательном, а резистивная - через резистор R3. На базу транзистора V2 через резистор R2 подается открывающее его отрицательное напряжение смещения. Транзистор же V1 надежно закрыт положительным напряжением элемента G1 на его базе. Такое состояние транзисторов весьма устойчиво. В таком состоянии они могут находиться сколько угодно времени. Но вот на базе транзистора V1 появился импульс напряжения отрицательной полярности. С этого момента транзисторы переходят в режим неустойчивого состояния. Под действием входного сигнала транзистор V1 открывается, а изменяющееся при этом напряжение на его коллекторе через конденсатор С1 закрывает транзистор V2. В таком состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока не разрядится конденсатор С1 (через резистор R2 и открытый транзистор V1, сопротивление которого в это время мало). Как только конденсатор разрядится, транзистор V2 тут же откроется, а транзистор V1 закроется. С этого момента мультивибратор вновь оказывается в исходном, устойчивом ждущем режиме. Таким образом, ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое и одно неустойчивое состояние . Во время неустойчивого состояния он генерирует один прямоугольный импульс тока (напряжения), длительность которого зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость этого конденсатора, тем больше длительность импульса. Так, например, при емкости конденсатора 50 мкФ мультивибратор генерирует импульс тока длительностью около 1,5 с, а с конденсатором емкостью 150 мкФ - раза в три больше. Через дополнительные конденсаторы - положительные импульсы напряжения можно снимать с выхода 1, а отрицательные с выхода 2. Только ли импульсом отрицательного напряжения, поданным на базу транзистора V1, можно вывести мультивибратор из ждущего режима? Нет, не только. Это можно сделать и подачей импульса напряжения положительной полярности, но на базу транзистора V2. Итак, вам остается экспериментально проверить, как влияет емкость конденсатора С1 на длительность импульсов и возможность управления ждущим мультивибратором импульсами положительного напряжения. Как практически можно использовать ждущий мультивибратор? По - разному. Например, для преобразования синусоидального напряжения в импульсы напряжения (или тока) прямоугольной формы такой же частоты, или включения на какое - то время другого прибора путем подачи на вход ждущего мультивибратора кратковременного электрического сигнала. А как еще? Подумайте!

Мультивибратор в генераторах и электронных переключателях

Электронный звонок. Мультивибратор можно применить для квартирного звонка, заменив им обычный электрический. Собрать же его можно по схеме, показанной на (рис. 4). Транзисторы V1 и V2 работают в симметричном мультивибраторе, генерирующем колебания частотой около 1000 Гц, а транзистор V3 - в усилителе мощности этих колебаний. Усиленные колебания преобразуются динамической головкой В1 в звуковые колебания. Если для звонка использовать абонентский громкоговоритель, включив первичную обмотку его переходного трансформатора в коллекторную цепь транзистора V3, в его футляре разместится вся электроника звонка, смонтированная на плате. Там же разместится и батарея питания.

Электронный звонок можно установить в коридоре и соединив его двумя проводами с кнопкой S1. При нажатии кнопки - в динамической головке появится звук. Так как питание на прибор подается только во время вызывных сигналов, двух батарей 3336Л соединенных последовательно или "Крона", хватит на несколько месяцев работы звонка. Желательный тон звука устанавливайте заменой конденсаторов С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Мультивибратор, собранный по такой же схеме, может быть использован для изучения и тренировки в приеме на слух телеграфной азбуки - азбуки Морзе. В этом случае надо только кнопку заменить телеграфным ключом.

Электронный переключатель. Этот прибор, схема которого показана на (рис. 5), можно использовать для коммутации двух елочных гирлянд, питающихся от сети переменного тока. Сам же электронный переключатель можно питать от двух батарей 3336Л, соеди - ненных последовательно, или от выпрямителя, который бы давал на выходе постоянное напряжение 9 - 12 В.

Схема переключателя очень схожа со схемой электронного звонка. Но емкости конденсаторов С1 и С2 переключателя во много раз больше емкостей аналогичных конденсаторов звонка. Мультивибратор переключателя, в котором работают транзисторы V1 и V2, генерирует колебания частотой около 0,4 Гц, а нагрузкой его усилителя мощности (транзистор V3) является обмотка электромагнитного реле К1. Реле имеет одну пару контактных пластин, работающих на переключение. Подойдет, например, реле РЭС - 10 (паспорт РС4.524.302) или другое электромагнитное реле, надежно срабатывающее от напряжения 6 - 8 В при токе 20 - 50 мА. При включении питания транзисторы V1 и V2 мультивибратора попеременно открываются и закрываются, генерируя сигналы прямоугольной формы. Когда транзистор V2 открыт, отрицательное питающее напряжение через резистор R4 и этот транзистор подается на базу транзистора V3, вводя его в насыщение. При этом сопротивление участка эмиттер - коллектор транзистора V3 уменьшается до нескольких ом и почти все напряжение источника питания прикладывается к обмотке реле К1 - реле срабатывает и своими контактами подключает к сети одну из гирлянд. Когда транзистор V2 закрыт, цепь питания базы транзистора V3 разорвана, и он также закрыт, через обмотку реле ток не течет. В это время реле отпускает якорь и его контакты, переключаясь, подключают к сети вторую елочную гирлянду. Если вы захочете изменить время переключения гирлянд, то заменяйте конденсаторы С1 и С2 конденсаторами других емкостей. Данные резисторов R2 и R3 оставьте прежними, иначе нарушится режим работы транзисторов по постоянному току. Усилитель мощности, аналогичный усилителю на транзисторе V3, можно включить и в эмиттерную цепь транзистора V1 мультивибратора. В этом случае электромагнитные реле (в том числе - самодельные) могут иметь не переключающие группы контактов, а нормально разомкнутые или нормально замкнутые. Контакты реле одного из плеч мультивибратора будут периодически замыкать и размыкать цепь питания одной гирлянды, а контакты реле другого плеча мультивибратора - цепь питания второй гирлянды. Электронный переключатель можно смонтировать на плате из гетинакса или другого изоляционного материала и вместе с батареей питания поместить в коробку из фанеры. Во время работы переключатель потребляет ток не больше 30 мА, так что энергии двух батарей 3336Л или "Крона" вполне хватит на все новогодние праздники. Аналогичный переключатель можно использовать и для других целей. Например, для иллюминации масок, аттракционов. Представьте себе выпиленную из фанеры и разрисованную фигурку героя сказки "Кот в сапогах". Позади прозрачных глаз находятся лампочки от карманного фонаря, коммутируемые электронным переключателем, а на самой фигурке - кнопка. Стоит нажать кнопку, как кот тут же начнет подмигивать тебе. А разве нельзя использовать переключатель для электрификации некоторых моделей, например модели маяка? В этом случае в коллекторную цепь транзистора усилителя мощности можно вместо электромагнитного реле включить малогабаритную лампочку накаливания, рассчитанную на небольшой ток накала, которая станет имитировать вспышки маяка. Если такой переключатель дополнить тумблером, с помощью которого в коллекторную цепь выходного транзистора можно будет включать поочередно две такие лампочки, то он может стать указателем поворотов вашего велосипеда.

Метроном - это своеобразные часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды. Такие приборы используют, например, для выработки чувства такта при обучении музыкальной грамоте, во время первых тренировок по передаче сигналов телеграфной азбукой. Схему одного из таких приборов вы видите на (рис. 6).

Это тоже мультивибратор, но несимметричный. В таком мультивибраторе использованы транзисторы разной структуры: Vl - n - p - n (МП35 - МП38), V2 - p - n - p (МП39 - МП42). Это позволило уменьшить общее число деталей мультивибратора. Принцип же его работы остается таким же - генерация возникает за счет положительной обратной связи между выходом и входом двухкаскадного усилителя 3Ч; связь осуществляется электролитическим конденсатором С1. Нагрузкой мультивибратора служит малогабаритная динамическая головка В1 со звуковой катушкой сопротивлением 4 - 10 Ом, например 0.1ГД - 6, 1ГД - 8 (или телефонный капсюль), создающая при кратковременных импульсах тока звуки, похожие на щелчки. Частоту следования импульсов можно регулировать переменным резистором R1 примерно от 20 до 300 импульсов в минуту. Резистор R2 ограничивает ток базы первого транзистора, когда движок резистора R1 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, соответствующем наибольшей частоте генерируемых колебаний. Метроном можно питать от одной батареи 3336Л или трех элементов 332, соединенных последовательно. Ток, потребляемый им от батареи, не превышает 10 мА. Переменный резистор R1 должен иметь шкалу, отградуированную по механическому метроному. Пользуясь ею, простым поворотом ручки резистора можно установить нужную частоту звуковых сигналов метронома.

Практическая работа

В качестве практической работы, советую собрать схемки мультивибраторов представленные на рисунках урока, которые помогут осмыслить принцип работы мультивибратора. Далее предлагаю собрать очень интересный и полезный в бытовом хозяйстве "Имитатор электронного соловья ", на основе мультивибраторов, который можно использовать в качестве дверного звонка. Схема очень простая, надежная, работает сразу при отсутствии ошибок в монтаже и использовании исправных радиоэлементов. У меня в качестве дверного звонка используется уже 18 лет., по сей день. Нетрудно догадаться, что собрал я его - когда как и вы, был начинающим радиолюбителем.

Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить,
а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент–Экзюпери

Многие радиолюбители, конечно же, сталкивались с технологией поверхностного монтажа печатных плат SMT (Surface mount technology), встречали элементы SMD (Surface mount device), монтируемые на поверхность и слышали о преимуществах поверхностного монтажа, который по праву называют четвертой революцией в электронной технике после изобретения лампы, транзистора и интегральной схемы.

Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.

Нужна практика в создании простых конструкций на SMD элементах, чтобы приобрести навыки, уверенность в своих силах, убедиться в перспективности поверхностного монтажа для себя лично. Ведь процесс изготовления печатной платы упрощается (не нужно сверлить отверстия, формовать выводы деталей), а получаемый выигрыш в плотности монтажа заметен невооруженным глазом.

Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.

Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы .

Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры

(рис. 1) является настоящим «бестселлером» в радиолюбительской литературе .

Рис. 1. Схема несимметричного мультивибратора

Подключая в схему те или иные внешние цепи, можно собрать не один десяток конструкций. Например, звуковой пробник, генератор для изучения азбуки Морзе, прибор для отпугивания москитов, основа одноголосого музыкального инструмента. А применение внешних датчиков или устройств управления в цепи базы транзистора VT1 позволяет получить сторожевое устройство, индикатор влажности, освещённости, температуры и многие другие конструкции.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, учредитель журнала «Датагор»

Список источников

1. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2005, 216 с. (с. 47 – 64).
2. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. – М.: Альтекс-А, 2001. – 352 с.
3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания. Книга 4. – М.: Альтекс-А, 2002. – 176 с.
4. Низковольтная «мигалка». (За рубежом) // Радио, 1998, №6, с. 64.
5.
6.
7.
8. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС. – М:.Мир, 1989 (схема 46. Простой индикатор разряда батареи, с. 104; схема 47. Маркер фалиня (мигающий), с. 105).
9. Генератор на LM3909 // Радиосхема, 2008, №2.Специальность по диплому - радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.

Читательское голосование

Статью одобрили 66 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

Мультивибратор (от латинского много колеблю) - нелинейное устройство, преобразующее постоянное напряжение питания в энергию импульсов почти прямоугольной формы. В основе мультивибратора лежит усилитель с положительной обратной связью.

Различают мультивибраторы автоколебательные и ждущие. Рассмотрим первый тип.

На рис. 1 приведена обобщенная схема усилителя с обратными связями.

Схема содержит усилитель с комплексным коэффициентом усиления к=Ке-iк, цепь ООС с коэффициентом передачи m, и цепь ПОС с комплексным коэффициентом передачи В=е-i. Из теории генераторов известно, что для возникновения колебаний на какой-либо частоте необходимо что бы на ней выполнялось условие Вк>1. Импульсный периодический сигнал содержит совокупность частот, образующих линейчатый спектр (см.1-ю лекцию). Т.о. для генерации импульсов необходимо выполнения условия Вк>1не на одной частоте, а в широкой полосе частот. Причем, чем более короткий импульс и с более короткими фронтами сигнал требуется получить, для более широкой полосы частот требуется выполнения условия Вк>1. Приведенное условие распадается на два:

условие баланса амплитуд - модуль общего коэффициента передачи генератора должен превышать 1 в широком диапазоне частот - К>1;

условие баланса фаз - суммарный сдвиг фаз колебаний в замкнутом контуре генератора в том же диапазоне частот должен быть кратен 2 - к + =2n.

Качественно процесс скачкообразного роста напряжения происходит следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в результате флюктуаций напряжение на входе генератора возросло на малую величину u. В результате выполнения обоих условий генерации на выходе устройства появится приращение напряжения: uвых=Вкuвх >uвх, которое передается на вход в фазе с исходным uвх. Соответственно это увеличение приведет к дальнейшему возрастанию выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс роста напряжения в широком диапазоне частот.

Задача построения практической схемы генератора импульсов сводится к подаче на вход широкополосного усилителя части выходного сигнала с разностью фаз =2. Поскольку один резистивный усилитель сдвигает фазу входного напряжения на 1800, то применяя два последовательно соединенных усилителя, можно удовлетворить условию баланса фаз. Условие баланса амплитуд будет выглядеть в этом случае следующим образом:

Одна из возможных схем, реализующий указанный метод, приведена на рис.2. Это схема автоколебательного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. В схеме используются два усилительных каскада. Выход одного усилителя связан со входом второго конденсатором С1, а выход последнего связан со входом первого - конденсатором С2.

Качественно работу мультивибратора рассмотрим с использованием временных диаграмм напряжений (эпюр), приведенных на рис. 3.

Пусть в момент времени t=t1 происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT1 попадает в режим насыщения, а VT2 - в режим отсечки. С этого момента начинаются процессы перезарядки конденсаторов С1 и С2. До момента t1 конденсатор С2 был полностью разряжен, а С1 заряжен до напряжения питания Еп (полярность заряженных конденсаторов указана на рис.2). После отпирания VT1 начинается его зарядка от источника Еп через резистор Rк2 и базу отпертого транзистора VT1. Конденсатор заряжается практически до напряжения питания Еп с постоянной заряда

зар2 = С2Rк2

Поскольку С2 через открытый VT1 подсоединен параллельно VT2, то скорость его зарядки определяет скорость изменения выходного напряжения Uвых2.. Полагая процесс зарядки законченным когда Uвых2 = 0,9Uп, легко получить длительность

t2-t1= С2Rк2ln102,3С2Rк2

Одновременно зарядке С2 (начиная с момента t1) происходит перезарядка конденсатора С1. Его отрицательное напряжение, приложенное к базе VT2, поддерживает запертое состояние этого транзистора. Конденсатор С1 перезаряжается по цепи: Еп, резистор Rб2, С1, Э-К открытого транзистора VT1. корпус с постоянной времени

разр1 = С1Rб2

Так как Rб >>Rк, то и зар<<разр. Следовательно, С2 успевает зарядиться до Еп пока VT2 еще закрыт. Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент времени t5, когда UC1=0 и начинает открываться VT2 (для простоты считаем, что VT2 открывается при Uбє=0). Можно показать, что длительность перезаряда С1 равна:

t3-t1 = 0,7C1Rб2

В момент времени t3 появляется коллекторный ток VT2, падает напряжение Uкэ2, что приводит к призакрыванию VT1 и, соответственно, к росту Uкэ1. Это приращение напряжение через С1 передается в базу VT2, что влечет дополнительное открытие VT2. Транзисторы переходят в активный режим, возникает лавинообразный процесс, в результате которого мультивибратор переходит в другое квазистационарное состояние: VT1 закрыт, VT2 - открыт. Длительность опрокидывания мультивибратора намного меньше всех других переходных процессов и ее можно считать равным нулю.

С момента t3 процессы в мультивибраторе пойдут аналогично описанному, следует лишь поменять местами индексы у элементов схемы.

Таким образом, длительность фронта импульса определяется процессами заряда конденсатора связи и численно равна:

Длительность нахождения мультивибратора в квазиустойчивом состоянии (длительность импульса и паузы) определяется процессом разряда конденсатора связи через базовый резистор и численно равна:

При симметричной схеме мультивибратора (Rк1 =Rк2 =Rк, Rб1 =Rб2 =Rб, С1=С2=С) длительность импульса равна длительности паузы, и период следования импульсов равен:

Т = и + п =1,4CRб

Сравнивая длительности импульса и фронта необходимо учесть, что Rб/Rк=h21э/s (h21э для современных транзисторов 100, а s2). Следовательно, длительность фронта всегда меньше длительности импульса.

Частота выходного напряжения симметричного мультивибратора не зависит от напряжения питания и определяется только параметрами схемы:

Для изменения длительности импульсов и периода их следования нужно варьировать величины Rб и С. Но возможности здесь невелики: пределы изменения Rб ограничены сбольшей стороны необходимостью сохранения открытого транзистора, с меньшей стороны - неглубокого насыщения. Изменять плавно величину С затруднительно даже в малых пределах.

Чтобы найти выход из затруднения обратимся к периоду времени t3-t1 на рис. 2. Из рисунка видно, что указанный интервал времени, а, следовательно, и длительность импульса можно регулировать изменяя наклон прямой разряда конденсатора. Этого можно добиться, подключая базовые резисторы не к источнику питания, а к дополнительному источнику напряжения Есм (см. рис. 4). Тогда конденсатор стремится перезарядиться не к Еп, а к Есм и крутизна экспоненты будет изменяться с изменением Есм.

Импульсы, генерируемые рассмотренными схемами, имеют большую длительность фронта. В ряде случаев эта величина становится неприемлемой. Для укорачивания ф в схему вводят отсекающие конденсаторы, как показано на рис.5. Конденсатор С2 заряжается в этой схеме не через Rз, а через Rд. Диод VD2, оставаясь закрытым, «отсекает» напряжение на С2 от выхода и напряжение на коллекторе возрастает практически одновременно с закрытием транзистора.

В мультивибраторах в качестве активного элемента можно использовать операционный усилитель. Автоколебательный мультивибратор на ОУ изображен на рис. 6.

ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной

и отрицательной

Хс/(Хс+R) = 1/(1+wRC).

Пусть генератор был включен в момент t0. На инвертирующем входе напряжение равно нулю, на неинвертирующем - равновероятно положительное или отрицательное. Для определенности возьмем положительное. За счет ПОС на выходе установится максимально возможное напряжение - Uвых m. Время установления этого выходного напряжения определяется частотными свойствами ОУ и можно положить его равным нулю. Начиная с момента t0 конденсатор С будет заряжаться с постоянной времени =RC. До момента времени t1 Uд = U+ - U- >0, и на выходе ОУ удерживается положительное Uвыхm. При t=t1 , когда Uд = U+ - U- = 0 выходное напряжение усилителя изменит свою полярность на - Uвых m. После момента t1 емкость С перезаряжается, стремясь к уровню - Uвых m. До момента t2 Uд = U+ - U- < 0, что обеспечивает квазиравновесное состояние системы, но уже с отрицательным выходным напряжением. Т.о. изменение знака Uвых происходит в моменты уравнивания входных напряжений на двух входах ОУ. Длительность квазиравновесного состояния системы определяется постоянной времени =RC, и период следования импульсов будет равен:

Т=2RCln(1+2R2/R1).

Мультивибратор, приведенный на рис.6 называется симметричным, т.к. времена положительного и отрицательного выходных напряжений равны.

Для получения несимметричного мультивибратора следует резистор в ООС заменить на схему, как показано на рис. 7. Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечена разными постоянными времени перезаряда емкостей:

R"C, - = R”C.

Мультивибратор на ОУ легко превратить в одновибратор или ждущий мультивибратор. Во-первых, в цепи ООС параллельно С подсоединим диод VD1, как показано на рис.8. Благодаря диоду схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательно. Действительно, т.к. Uвых = - Uвых m, то диод открыт и напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю. В то время как напряжение на неинвертирующем входе равно

U+ =- Uвых m R2/(R1+R2)

и сохраняется устойчивое состояние схемы. Для генерации одного импульса в схему следует добавить цепь запуска, состоящую из диодаVD2, С1 и R3. Диод VD2 поддерживается в закрытом состоянии и может открыться только положительным входным импульсом, пришедшим на вход в момент времени t0. С открытием диода меняется знак и схема переходит в состояние с положительным напряжением на выходе. Uвых = Uвых m. После этого конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени =RC. В момент времени t1 напряжения на входя сравниваются. U- = U+ = Uвых m R2/(R1+R2) и =0. В следующий момент дифференциальный сигнал становится отрицательным и схема возвращается в устойчивое состояние. Эпюры приведены на рис. 9.

Применяются схемы ждущих мультивибраторов на дискретных и логических элементах.

Схема рассматриваемого мультивибратора аналогична рассмотренной ранее.

В этой статье мы приводятся несколько устройств, в основу которых положена одна схема - несимметричного мультивибратора на транзисторах разной проводимости.

Используя данную схему как бесконтактное устройство" вы можете собрать прибор с мигающим светом электрической лампочки (см. рис. 1) и применить его для различных целей. Например, установить на велосипеде для питания лампочки поворота или в модели маяка, сигнальном фонаре, на авто- или судомодели как мигающий фонарь.

Нагрузкой несимметричного мультивибратора, собранного на транзисторах Т1, Т2, служит лампочка Л1. Частота повторения импульсов определяется величиной емкости конденсатора С1 и резисторов R1, R2. Резистор R1 ограничивает максимальную частоту вспышек, а резистором R2 можно плавно менять их частоту. Начинать работу надо с максимальной частоты, которой соответствует верхнее по схеме положение движка резистора R2.

Обратите внимание, устройство питается от батареи 3336Л, которая под нагрузкой дает 3,5 В, а лампочка Л1 применена на напряжение всего 2,5 В. Не перегорит ли она? Нет! Длительность ее свечении очень коротка, и нить не успевает перегреться. Если транзисторы обладают большим коэффициентом усиления, то вместо лампочки 2.5 В x 0.068 А можно применить лампочку 3.5В x 0.16 А. В качестве транзистора Т1 подойдут транзисторы типа МП35-МП38, а Т2 - МП39-МП42.

Если в эту же схему вместо лампочки вы установите громкоговоритель, то получите другой прибор - электронный метроном. Он применяется при обучении музыке, для отсчета времени в ходе физических экспериментов и при фотопечати.

Если немного изменить схему - уменьшить емкость конденсатора С1 и ввести резистор R3, то увеличится длительность импульса генератора. Звук усилится (рис. 2).

Этот прибор может выполнять роль квартирного звонка, звукового сигнала модели или детского педального автомобиля. (В последнем случае напряжение надо увеличить до 9 В.) А может быть использован и для обучения азбуке Морзе. Только тогда вместо кнопки Кн1 надо поставить телеграфный ключ. Тон звука подбирается конденсатором С1 и резистором R2. Чем больше R3, тем громче звук генератора. Однако если его величина будет больше одного килоома, то колебания в генераторе могут и не возникнуть.

В генераторе применены такие же транзисторы, как и в предыдущей схеме, а в качестве громкоговорителя - наушники или головка с сопротивлением катушки от 5 до 65 Ом.

Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной проводимости обладает интересным свойством: при работе оба транзистора одновременно или открыты или заперты. Ток, потребляемый запертыми транзисторами, очень мал. Это позволяет создавать экономичные индикаторы изменения неэлектрических величин, например индикаторы влажности. Принципиальная схема такого индикатора приведена на рисунке 3.

Как видно из схемы, генератор постоянно подключен к источнику питания, но не работает, поскольку оба транзистора заперты. Уменьшает потребляемый ток и резистор R4. К гнездам Г1, Г2 подключен датчик влажности - две тонкие облуженные проволоки длиной по 1,5 см. Они пришиты к материи на расстоянии 3-5 мм друг от друга Сопротивление сухого датчика велико. У влажного оно падает. Транзисторы открываются, генератор начинает работать Чтобы уменьшить, громкость, надо уменьшить напряжение питания или величину резистора R3. Такой индикатор влажности можно применять при уходе за новорожденными детьми.

Если немного расширить схему, то индикатор влажности одновременно со звуковым сигналом будет подавать световой - начнет зажигаться лампочка Л1. В этом случае, как видно из схемы (рис. 4), в генераторе устанавливаются два несимметричных мультивибратора на транзисторах разной проводимости. Один собран на транзисторах Т1, Т2 и управляется датчиком влажности, подключенным к гнездам Г1, Г2. Нагрузкой этого мультивибратора служит лампа Л1. Напряжение с коллектора Т2 управляет работой второго мультивибратора, собранного на транзисторах Т3, Т4. Он работает как генератор звуковой частоты, и на его выходе включен громкоговоритель Гр1. Если нет необходимости в подаче звукового сигнала, то второй мультивибратор может быть отключен.

Транзисторы, лампа и громкоговоритель в этом индикаторе влажности применены такие же, как и в предыдущих приборах.

Интересные приборы можно построить, используя зависимость частоты несимметричного мультивибратора на транзисторах разной проводимости от тока базы транзистора Т1. Например, генератор, имитирующий звук сирены. Такой прибор можно установить на модели "скорой помощи", пожарной машины, спасательного катера.

Принципиальная схема прибора приведена на рисунке 5.

В исходном положении кнопка Кн1 разомкнута. Транзисторы заперты. Генератор не работает. При замыкании кнопки через резистор R4 заряжается конденсатор С2. Транзисторы открываются, и мультивибратор начинает работать. По мере заряда конденсатора С2 растет ток базы транзистора Т1 и увеличивается частота мультивибратора. При размыкании кнопки все повторяется в обратном порядке. Звук сирены имитируется при периодическом замыкании и размыкании кнопки. Скорость нарастания и спада звука подбирается резистором R4 и конденсатором С2. Тон сирены устанавливается резистором R3, а громкость звука - подбором резистора R5. Транзисторы и громкоговоритель выбираются такими же, как и в предыдущих приборах.

Учитывая, что в данном мультивибраторе применены транзисторы разной проводимости, вы можете использовать его как прибор для проверки транзисторов методом замены. Принципиальная схема такого прибора приведена на рисунке 6. За основу взята схема звукового генератора, но с равным успехом может быть использован генератор световых импульсов.

Первоначально, замкнув кнопку Кн1, проверьте работоспособность прибора. В зависимости от типа проводимости испытуемый транзистор подключите к гнездам Г1 - Г3 или Г4-Г6. При этом пользуйтесь переключателем П1 или П2. Если при нажатии кнопки в громкоговорителе будет звук, значит, транзистор исправен.

В качестве переключателей П1 и П2 можно взять тумблеры с двумя контактами на переключение. На рисунке переключатели показаны в положении "Контроль". Питается прибор от батареи 3336Л.

В этой статье я буду подробно расказывать как сделать мультивибратор, который является первой схемой чуть ли не каждого второго радиолюбителя. Как мы знаем, мультивибратором называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной, что и отражено в его названии: "мульти - много", "вибро - колебание". Другими словами, мультивибратор - генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа с резистивно - емкостными положительными обратными связями, использующий замкнутый в кольцо положительной обратной связи двухкакасдный усилитель. При работе мультивибратора в режиме автоколебаний вырабатываются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы. Частота генерируемых импульсов определяется параметрами времязадающей цепи, свойствами схемы и режимом ее питания. На частоту автоколебаний оказывает также влияние подключаемая нагрузка. Обычно мультивибратор применяется в качестве генератора импульсов относительно большой длительности, которые затем используются для формирования импульсов необходимой длительности и амплитуды.

Работа схемы мультивибратора

Симметричный мультивибратор на транзисторах

Схематически мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с общим эмиттером, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки - их рабочие точки находятся в активной области, поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие?Ку>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации - быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора. Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2, подзапирая его. Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 - в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия. При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 - положительным напряжением на конденсаторе СБ1 (Ucm = UБ2 > 0), который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база - эмиттер транзистора VT2.

Для сооружения мультивибратора нам из радиокомпонентов понадобятся:

1. Два транзистора типа КТ315.
2. Два электролитических конденсатора на 16в, 10-200микрофарад (Чем меньше емкость, тем чаще моргание).
3. 4 резистора номиналом: 100-500 ом 2 штуки (если вы ставите 100 ом, то схема будет работать даже от 2.5в), 10 ком 2 штуки. Все резисторы мощностью в 0.125 ватт.
4. Два не ярких светодиода (Любого цвета, кроме белого).

Печатная плата формата Lay6 . Приступим к изготовлению. Сама печатная плата имеет такой вид:

Припаивываем два транзистора, не перепутайте коллектор и базу на транзисторе - это частая ошибка.

Паяем конденсаторы 10-200 Микрофарад. Обратите внимание, что конденсаторы на 10 вольт крайне нежелательны для использование в этой схеме, если вы будете подавать питание 12 вольт. Помните, что у электролитических конденсаторов существует полярность!

Мультивибратор почти готов. Остается припаять светодиоды, и входные провода. Фото готового устройства выглядит примерно так:

И чтобы вам всё стало наглядно понятно, видеоролик работы простого мультивибратора:

На практике, мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов, делителей частоты, формирователей импульсов, бесконтактных переключателей и так далее, в электронных игрушках, устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники, в реле времени и задающих устройствах. С вами был Boil-:D . (материал был приготовлен по запросу Демьян" a)

Обсудить статью МУЛЬТИВИБРАТОР