Elektronika - Multiwibrator

Multiwibratory, znamy również pod nazwą przerzutniki astabilne. Przerzutniki ponieważ na wyjściu przybierają jeden z dwóch stanów (albo bliski potencjałowi masy, lub też bliski nap. zasilania). Układy takie stosuje się do wytwarzania (generacji) okresowych przebiegów, w idealnym przypadku prostokątnych, w rzeczywistości są to sygnały zbliżone do prostokąta. Są to układy samowzbudne, czyli wzmacniacze o silnym dodatnim sprzężeniu zwrotnym (generatory).

Cechy impulsu prostokątnego:

amplituda U_m

czas trwania t_i

czas narastania t_n

czas opadania t_o

zwis U_m(przyrost)

czas przerzutu t_u

amplituda przerzutu U_mU

Przerzutniki astabilne wykonywane są stosując różne rodzaje elementów dyskretnych: tranzystory bipolarne, tranzystory unipolarne, tranzystory jadnozłączowe, a także i liniowych układów scalonych i lamp.

Najprostszy (jak i najczęściej stosowany) przerzutnik astabilny stanowi połączenie dwóch tranzystorów bipolarnych (najczęściej npn), które objęte są silnym dodatnim pojemnościowym sprzężeniem zwrotnym.Silne sprzężenie powoduje że tranzystory przechodzą na zmianę ze stany nasycenia do stanu odcięcia, i tak cyklicznie stany na obu wyjściach zmieniają się na przeciwne. Pracują dwustanowo, czyli traktujemy je jako przełączniki (klucze: otwarty, zamknięty) elektroniczne.

Na początku możemy założyć że po włączeniu zasilania pierwszy w stan nasycenia wejdzie T1. W związku z tym na jego kolektorze napięcie jest równe U_{CE sat 1}. Rozładowuje się kondensator C_B2w obwodzie +E_c, R_B2i C-E T1 do masy. Rozładowanie ma charakter wykładniczy, stałą czasową w przybliżeniu traktujemy jako R_B2C_B2. Tranzystor T2 nie przewodzi, ponieważ jego baza jest na potencjale ujemnym, dlatego też na jego kolektorze napięcie jest prawie równe EC. Kondensator C_B1ładuje się w obwodzie E-B T1, R_C2, +E_C. Jeśli dobór elementów jest prawidłowy, proces ładowania C_B1jest szybszy niż rozładowania C_B2. Jeżeli kondensator C_B2rozładuje się do wartości progowego U_(TO)2tranzystora T2, to tranzystor ten zacznie przewodzić, a więc napięcie na kolektorze zacznie maleć. Ponieważ proces ten odbywa się lawinowo, w efekcie mamy bezpośrednią zmianę stanów pracy tranzystorów (odcięcia, nasycenia) T1 i T2. Tranzystor T2 wchodzi więc w stan nasycenia, a tranzystor T1 wchodzi w stan odcięcia. Następnie zjawiska przebiegają podobnie lecz dla drugiej (symetralnej) strony układu, a więc C_B1rozładowuje się, a ładowany jest C_B2. Gdy napięcie na bazie T1 osiągnie wartość progu przełączenia U_(T0)1tranzystor ten wejdzie w stan nasycenia i cały cykl znowu się będzie powtarzać.

amplituda impulsów na wyjściu (kolektor tranzystora) ma wartość: U_m= E_C- U_{CE sat}

czas trwania poszczególnych cykli: t₁= 0,69 R_B1C_B1t₂= 0,69 R_B2C_B2

okres drgań: T = t₁+ t₂= 0,69(R_B1C_B1+ R_B2C_B2)

Jeśli elementy RC są symetryczne, czyli R_B1= R_B2= R_Boraz C_B1= C_B2= C_Bwyliczenie okresu drgań możemy skrócić do:

T = 1,38R_BC_B

Czasu narastania impulsów zależą głównie od stałych czasowych R_B1C_B1i R_B2C_B2, a czasy opadania od pojemności obciążającej kondensatory. Na ogół czas opadania jest dużo mniejszy od czasu narastania. Rezystancje R_Bdobiera się tak, by zaraz po włączeniu zasilania tranzystor mógł wejść w stan przewodzenia. Aby tak było, powinna zajść zależność:

R_B= B₀R_C, gdzie B₀to beta tranzystora.

Okres drgań przerzutnika możemy zmieniać poprzez zmianę elementów R_B, C_B, zmieniając wartość napięcia do którego ładować się będą kondensatory C_B, lub też poprzez zmianę napięcia zasilania.

Zmiany parametrów rezystorów i kondensatorów sprzęgających zmieniają stała czasową, a więc i okres (częstotliwość), lecz kształt pozostaje taki sam. Najczęściej stosuje się skokową zmianę pojemności i płynną zmianę rezystancji. Zmiana napięcia zasilania sprowadza się do dodania osobnego źródła E_Bzasilającego bazy, do którego są podpięte rezystory R_B. Napięcie na bazie nie przewodzącego tranzystora dąży więc do wartości E_B, a nie do E_C. Zmienia się więc czas rozładowania kondensatora C_B, czyli również okres.

Poprawienie kształtu impulsów, wiąże się głównie ze skróceniem czasów narastania. W tym celu stosuje się dwa sposoby:

dodatkowe diody i rezystory (R_D1, R_D2, D1, D2 na rysunku poniżej) - korzystając z rysunku a) poniżej: jeżeli T1 przestaje przewodzić, wówczas R_C1jest odcięty od masy, co sprawia że na kolektorze T1 napięcie dąży wartości do +E_C. Powoduje to polaryzacje diody D1 w kierunku wstecznym, a więc i R_C1zostaje odcięty od kondensatora C_B2, który to ładuje poprzez R_D1ze źródła E_C. Dzięki temu napięcie na kolektorze T1 zmienia się szybko, a na R_D1wolniej.

Zastosowanie wtórników separujących (rysunek b) poniżej), przez które ładowane są kondensatory sprzęgające.

Przerzutniki astabilne budować również możemy z wykorzystaniem typowych wzmacniaczy operacyjnych, odpowiednio dobierając elementy RC. Na rysunku a) poniżej do generacji drgań używamy umieszczone w ujemnym sprzężeniu zwrotnym elementy: R₃ i C. Kondensator ten jest ładowany właśnie poprzez ten rezystor. Dodatnie sprzężenie zwrotne złożone z R₁ i R₂ zapewnia histerezę (by wzmacniacz był tylko dwustanowy). Rezystorami tymi ustala się również współczynnik przenoszenia układu, i wyrażany jest stosunkiem B (beta) = R2 : (R1 + R2). Napięcie wyjściowe ograniczają diody Zenera, zarówno od strony dodatniej, jak i ujemnej. Amplituda napięcia wyjściowego jest około 0,6V większa (albo o -0,6V mniejsza dla nap. ujemnego) niż napięcie zenera, co i tak zwykle jest wartością pomijalną w stosunku do Uz, tak więc podajemy samą wartość Uz. Napięcie wyjściowe zmienia się skokowo od wartości -Uz do + Uz, dzięki temu następuje wykładnicze ładowanie kondensatora C poprzez R₃. Dodatnie sprzężenie zwrotne (dzięki R₁ i R₂) powoduje że gdy napięcie na wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego B*U_Z1 i następuje skokowa zmiana napięcia na wyjście z dodatniego na ujemne -Uz. Dalej cykl zachodzi podobnie i powtarza się. Częstotliwość drgań możemy określić wzorem: f = 1/[3CR3 ln(1 + 2R2/R1).

Na podobnej zasadzie działają układy na rysunkach b) i c).