Схема мультивибратора. Мультивибратор на транзисторах. Принцип работы мультивибратора

Мультивибраторы широко используются в схемах электронных устройств для генерации прямоугольных импульсов. Узнайте в этой статье, что такое мультивибратор, как устроена его схема, принцип работы и особенности применения.

Что такое мультивибратор

Мультивибратор - это электронная схема, вырабатывающая электрические колебания прямоугольной или близкой к ней формы. Название "мультивибратор" состоит из двух слов:

• "мульти" - много;
• "вибратор" - колебатель.

Это указывает, что в спектре колебаний мультивибратора присутствует много гармоник.

По принципу работы мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Это означает, что колебания в нем возникают благодаря периодическому заряду и разряду конденсатора в цепи обратной связи.

Типы мультивибраторов

Различают несколько основных типов мультивибраторов:

1. По характеру возбуждения:
   Автоколебательные С внешним возбуждением (ждущие)
2. По симметрии выходных импульсов:
   Симметричные Несимметричные

Наиболее часто на практике применяются автоколебательные симметричные мультивибраторы. Рассмотрим принцип работы такого мультивибратора более подробно.

Схема мультивибратора на транзисторах

В основе любого мультивибратора лежит двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. На транзисторах такой усилитель выглядит следующим образом:

Как видно из схемы, первый каскад выполнен на транзисторе VT1, второй - на VT2. Между каскадами включены элементы цепи обратной связи:

• Конденсаторы С1 и С2;
• Резисторы R2, R3 - для смещения рабочей точки транзисторов.

Благодаря такой структуре схема работает как релаксационный мультивибратор. После подачи питания транзисторы VT1 и VT2 периодически открываются и закрываются, формируя на своих коллекторах прямоугольные импульсы.

Принцип работы мультивибратора

Рассмотрим подробней процессы, происходящие в схеме мультивибратора. После подачи питания один из транзисторов (в нашем примере - VT1) оказывается в открытом состоянии. Через резистор R3 течет коллекторный ток I_к1 , создавая на резисторе R1 падение напряжения. В это же время VT2 закрыт, так как на его базу подано напряжение через конденсатор С1.

Конденсатор С2 в этот момент разряжен и начинает заряжаться через резистор R4. По мере роста напряжения на обкладках С2 растет положительный потенциал на базе транзистора VT2, в результате чего он начинает открываться.

Одновременно конденсатор С1, который до этого был заряжен, начинает разряжаться через резистор R2. Это приводит к уменьшению тока базы транзистора VT1 и его постепенному закрыванию.

Далее процесс повторится в обратном порядке: VT1 откроется, VT2 закроется и т.д. Таким образом, в схеме мультивибратора возникают автоколебания, частота которых зависит от параметров цепи обратной связи (емкостей конденсаторов С1, С2 и сопротивлений резисторов R2, R3, R4).

Параметры мультивибратора

Основные параметры, характеризующие работу мультивибратора:

• Частота и период следования импульсов;
• Длительность импульсов и пауз между ними (скважность);
• Амплитуда импульсов.

Эти параметры можно рассчитать по известным формулам, зная значения R и C элементов цепи обратной связи. К примеру, частота автоколебаний симметричного мультивибратора вычисляется как:

f = 1 / (2·R·C)

где:

R - сопротивление резисторов R2 и R3;
C - емкость конденсаторов C1 и C2.

Подбирая элементы R и C, можно получить мультивибратор с нужными характеристиками.

Применение мультивибраторов

Благодаря простоте схемы и надежности работы, мультивибраторы широко используются на практике. Вот лишь некоторые примеры их применения:

• Генераторы прямоугольных импульсов в измерительной аппаратуре;
• Генераторы тактовых импульсов в цифровой технике;
• Мигалки в схемах световой сигнализации;
• Генераторы звуковых сигналов;
• Преобразователи напряжений.

Конечно, это далеко не полный список. Мультивибраторы используются в самых разных электронных устройствах - от детских игрушек до сложных приборов и систем.

В этой статье мы вкратце разобрали, что представляет собой мультивибратор, как устроена его схема и принцип работы. Теперь вы знаете все необходимое об этом полезном электронном устройстве!

Особенности несимметричного мультивибратора

Рассмотренный выше симметричный мультивибратор генерирует импульсы одинаковой длительности. Но в некоторых схемах требуются импульсы с разной длительностью.

Для этих целей используется несимметричный мультивибратор. В отличие от симметричного, здесь конденсаторы C1 и C2, а также резисторы R2 и R3 имеют разные номиналы. Это приводит к тому, что длительности импульсов и пауз между ними отличаются.

Применение ждущего мультивибратора

Еще одним типом мультивибратора является ждущий мультивибратор. Он не генерирует автоколебания, а требует внешнего сигнала управления для запуска.

После подачи такого сигнала на вход мультивибратор генерирует один или несколько импульсов заданной длительности, а затем возвращается в исходное состояние.

Ждущие мультивибраторы удобны тем, что позволяют преобразовывать сигналы произвольной формы в стандартные прямоугольные импульсы.

Простой однокаскадный мультивибратор

Для решения простых задач может использоваться упрощенная схема мультивибратора на одном транзисторе.

Такая схема также использует емкость С и резистор R в цепи обратной связи и образует генератор релаксационного типа. Простой однокаскадный мультивибратор отличается меньшими габаритами и стоимостью.

Как сделать свой мультивибратор

Собрать простой мультивибратор для лабораторных опытов или учебных целей не составит труда.

Для этого потребуются всего два транзистора малой мощности, несколько резисторов и конденсаторов. Стоимость таких комплектующих обычно не превышает 100 рублей.

Схема монтируется на макетной плате или проволочном монтаже. Готовый мультивибратор можно использовать как источник прямоугольных импульсов для различных экспериментов.

Регулировка параметров мультивибратора

Для настройки параметров мультивибратора в схему часто включают дополнительные элементы.

Например, с помощью включения в цепь обратной связи дополнительных конденсаторов через переключатель можно плавно изменять частоту генерируемых импульсов.

Другим распространенным методом является установка в цепь питания мультивибратора стабилизатора напряжения. Это позволяет получить импульсы стабильной амплитуды.

Защита мультивибратора от помех

Из-за высокого коэффициента усиления мультивибраторы чувствительны к наводкам и помехам.

Для повышения помехоустойчивости в схему включают фильтрующие конденсаторы и дроссели. Кроме того, необходимо обеспечить надежное экранирование и заземление корпуса мультивибратора.

Применение микросхем мультивибраторов

В современной электронной аппаратуре все чаще используются специализированные микросхемы мультивибраторов.

Они содержат в себе все необходимые транзисторы, резисторы и конденсаторы и отличаются малыми размерами, низким энергопотреблением и высокой надежностью.

Микросхемы мультивибраторов выпускают такие производители как Texas Instruments, NXP, STMicroelectronics, Microchip и другие.

Программируемые мультивибраторы

Современные микроконтроллеры и ПЛИС часто включают в себя аппаратные таймеры-мультивибраторы. Их параметры задаются программно с помощью регистров микросхемы.

Это позволяет гибко настраивать длительность и частоту генерируемых импульсов под нужды конкретного устройства.

Применение мультивибраторов в бытовой технике

Мультивибраторы часто используются в бытовой технике для самых разных целей.

Например, в стиральных машинах мультивибраторы формируют управляющие импульсы для коммутации электродвигателей. В СВЧ-печах генерируют высокочастотные колебания для нагрева.

В телевизорах, мониторах и другой видеотехнике мультивибраторы задают частоту кадров и синхроимпульсов.

Применение в автомобильной электронике

В автомобилях мультивибраторы используются, например, в схемах указателей поворота, аварийной сигнализации, стеклоочистителей.

Кроме того, они применяются в электронных системах зажигания двигателя, в бортовых компьютерах и других устройствах.

Применение в измерительной технике

Благодаря высокой стабильности частоты, мультивибраторы используются как генераторы опорной частоты во многих приборах.

Например, в осциллографах, частотомерах, генераторах сигналов произвольной формы и другом измерительном оборудовании.

Применение в медицинской технике

Импульсные источники питания и электростимуляторы на основе мультивибраторов широко используются в медицинском оборудовании.

Они применяются в электрокардиостимуляторах, аппаратах для электротерапии, дефибрилляторах и другой технике.

Применение в военной технике

Высокая помехозащищенность и работоспособность в жестких условиях обуславливают использование мультивибраторов в военной технике.

Они применяются в системах наведения ракет, радиовзрывателях, аппаратуре радиоэлектронной борьбы и других устройствах специального назначения.

Особенности мультивибраторов высоких частот

При рабочих частотах в диапазоне десятков и сотен мегагерц в конструкции мультивибраторов применяются специальные высокочастотные транзисторы и другие компоненты.

Для уменьшения паразитных емкостей и индуктивностей корпус мультивибратора выполняют миниатюрным, а монтаж элементов - поверхностным.

Особенности импульсных источников питания на мультивибраторах

Мультивибраторы часто используются в DC/DC-преобразователях для генерирования управляющих импульсов.

В таких схемах к мультивибратору предъявляются повышенные требования по стабильности частоты и амплитуды выходных импульсов.

Применение в устройствах промышленной автоматики

Мультивибраторы широко используются в качестве генераторов опорных импульсов и тактовой синхронизации в устройствах автоматики.

Они применяются в программируемых контроллерах, блоках управления электроприводами, системах ЧПУ и другом оборудовании.

Применение в охранных системах

Простые и надежные схемы мультивибраторов используются для построения генераторов звуковых сигналов в охранно-пожарной сигнализации.

Кроме того, они применяются в СВЧ- и ультразвуковых извещателях, охранных электронных замках и других устройствах безопасности.

Мультивибраторы в наноэлектронике

Развитие нанотехнологий позволило создать миниатюрные мультивибраторы на основе углеродных нанотрубок, квантовых точек, графена и других структур.

Такие мультивибраторы обладают уникальными характеристиками и могут работать на частотах в терагерцовом диапазоне.

Заключение

В статье подробно разбирается устройство и принцип работы мультивибратора - популярного электронного генератора прямоугольных импульсов. Рассматриваются различные типы схем мультивибраторов, методы расчета их параметров. Приводятся примеры использования мультивибраторов в измерительных приборах, системах управления, бытовой технике.