Мультивибратор автоколебательный

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. Именно такой генератор я рекомендовал тебе в тринадцатой беседе использовать в качестве пробника.

Что же собой представляет и как работает мультивибратор?

Посмотри на схему, изображенную на рис. 287. Она тебе хорошо знакома — это схема простого двухкаскадного транзисторного усилителя зву­ковой частоты 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.

Рис. 287. Двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью, становится мультивибратором.

С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.

Теперь посмотри на рис. 287, б. На нем ты видишь схему того же мульти­вибратора, как на рис. 287, 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 ты убеждался не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора- автомата, предлагаю провести опыт с ним.

Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов показана на рис. 288, а. Смонтируй его на макетной панели. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39 —МП42), так как у высокочастотных транзисторов (П401— П403, П420, П422) очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электро­литические конденсаторы С, и С2 — типа К50-6, ЭМ с номинальным напря­жением 10—15 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов R1, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используй две батареи 3336Л, соединив их последовательно, или выпрямитель.

Рис. 288. Схема симметричного мульти­вибратора (а) и импульсы тока, генери­руемые им (б).

В коллекторную цепь любого из транзисторов включи миллиамперметр на ток 10—15 мА, а к участку эмиттер —коллектор того же транзистора подключи высокоомный вольтметр на напряжение до 10 В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения конденсаторов, подключи 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 транзистор 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, сос­читай, сколько раз в минуту тран­зисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Раз 15 — 20. Таково число электрических коле­баний, генерируемых мультивибра­тором, в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3—4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попы­тайся изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывай в некотором масштабе отрезки время нахожде­ния транзистора в открытом и за­крытом состояния, а по вертикальной оси — соответствующий этим состояниям коллекторный ток транзистора. У тебя получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 288, 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 следующего импульса той же полярности принято называть перио­дом следования импульсов Т, а время между импульсами — длительностью паузы tи. Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность которых tи равна паузам между ними, называют симметрич­ными. Следовательно, собранный тобой опытный мультивибратор — симме­тричный.

Замени 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 минуту 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 заменить конденсаторы С, и С2 бумажными емкостью по 0,01 —0,05 мкФ? Как теперь ведут себя стрелки 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 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 услышишь звук низкого тона.

Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 288, а, В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заря­жаться конденсаторы связи: С1 — через эмиттерный переход транзистора Т2 и резистор R1; С2 — через эмиттерный переход транзистора Т1 и резистор R4. Эти цепи заряда конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрас­тающие по величине отрицательные напряжения, стремящиеся еще 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 тока h21э или 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 T2, а открытым — транзистор Т1. С этого момента кон­денсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор Т1, сопротивле­ние участка эмиттер — коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разряда конденсатора положительное напряжение на базе закры­того транзистора Т2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разря­дится и напряжение на базе транзистора Т2 станет близким нулю, в коллек­торной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора Т1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор начинает уменьшаться, а через транзистор Т2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор Т1 закрывается, а транзистор Т2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый тран­зистор Т2 и резистор что в конечном счете 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 тобой уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем ты можешь убедиться сейчас же. Попробуй, 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: отключи верхние (по схеме) выводы резисторов R2 и R3 от минусового проводника источника питания, соедини их вместе, а между ними и минусовым проводником включи реостатом переменный резистор сопротивлением 30 — 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, ты в довольно широких пределах сможешь изменять частоту колебаний мульти­вибратора.

Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по 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, подсчитай, колебания каких частот генерировал твой мультивибратор.

Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме рис. 288,а); конденсатор С2 замени конденсатором емкостью 2 — 3 мкФ. В коллекторную цепь транзистора Т2 включи миллиамперметр и, сле­дя за его стрелкой, изобрази колебания тока, генерируемые мультивибратором, графически (рис. 289, а). Теперь ток в коллекторной цепи транзистора Т2 будет появляться очень корот­кими импульсами. Длительность импульсой tи примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами на сколько уменьшилась емкость конденсатора С2 по сравнению с его прежней емкостью.

Теперь тот же (или такой) миллиампер­метр включи в коллекторную цепь транзис­тора Т1. Что показывает измерительный при­бор? Тоже импульсы тока, но их длитель­ность во много раз больше пауз между ними (рис. 289, б).

Что же произошло? Уменьшив емкость конденсатора С2, ты нарушил симметрию плеч мультивибратора — он стал несимметричным. Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными: в коллекторной цели транзистора Т1 ток появляется относительно длинными импульсами, в коллек­торной цепи транзистора Т2 — короткими импульсами. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 — длинные импульсы напряжения. Временно поменяй местами конденсаторы С1 и С2. Теперь корот­кие импульсы напряжения будут на Выходе 7, а длинные на Выходе 2.

Сосчитай (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импуль­сов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличь 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 путь регулирования частоты следования импульсов — изменением сопротивления резистора R2: с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 — 5 кОм, иначе транзистор Т2 будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импуль­сов должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, умень­шаться. Проверь опытным путем — так ли это? Подбери резистор такого номинала, чтобы число импульсов в минуту составляло точно 60. Стрелка миллиамперметра будет колебаться с частотой 1 Гц. Мультивибратор в этом случае станет как бы электронным механизмом часов, отсчитываю­щих секунды.

Если б я попытался только перечислить, где и как используются авто­колебательные симметричные и несимметричные мультивибраторы, для этого потребовалось бы несколько страниц. Нет, пожалуй, такой отрасли радиотех­ники, электроники, автоматики, импульсной или вычислительной техники, где бы такие генераторы не применялись. Сейчас же я приведу лишь некоторые примеры их исцользования применительно к твоему творчеству.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель