Краткие теоретические сведения. Мультивибратор — радиоэлектронное устройство, вырабатывающее сигнал напряжения
Мультивибратор — радиоэлектронное устройство, вырабатывающее сигнал напряжения почти прямоугольной формы, относится к классу релаксационных генераторов. Он широко используется в физических экспериментах и в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре (телевизоры, осциллографы, ЭВМ, измерительные приборы, электромузыкальные инструменты и т. д.). На рис. 1 представлена схема самовозбуждающегося мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями. Рис.1
Как известно [1], для генерирования колебаний необходимо выполнение условий баланса фаз и амплитуд. Первое условие, как видно из сказанного выше, выполняется. Второе условие, Кb³1 (К — коэффициент усиления без обратной связи, а b — коэффициент передачи 4-полюсника положительной обратной связи), тоже выполняется, т. к. для данной схемы К>>1, а b=1. Из схемы видно, что в ней отсутствуют элементы, которые дают сильную зависимость К(w), b(w) или j(w) от частоты, поэтому форма генерируемого сигнала сильно отличается от синусоидальной, и условие Кb³1, j=2p выполняется для многих частот. Название схемы (мультивибратор) отражает именно этот факт. Рассмотрим процесс, когда оба транзистора находятся в активном режиме. Приращение напряжения, например, на базе VT1, с усилением в противофазе подается на базу VT2. С коллектора VT2 еще более усиленное это напряжение, уже в фазе, вновь подается на базу VT1. Возникает лавинообразное изменение напряжения — скачок напряжения на базах и на коллекторах. После каждого такого скачка схема находится в одном из квазиустойчивых состояний, когда один из транзисторов закрыт (состояние отсечки), а второй — открыт (чаще всего насыщен). Потенциал (абсолютное значение) коллектора закрытого транзистора равен EK-IK0RK»EK, а открытого (насыщенного) — UKH, так что размах колебаний напряжения (импульсная амплитуда) на коллекторах составляет: (1) Напряжение на базе закрытого транзистора изменяется от значения EK-IK0RK»EK почти до 0 по экспоненциальному закону (рис. 2). Рис. 2
Найдем, например, время закрытого состояния транзистора VT1. Для этого определим временную функцию Uб2(t). Рассматриваемому состоянию соответствует схема, изображенная на рис. 3. Рис. 3
Следует заметить, что конденсатор здесь непросто разряжается от +E до 0, а перезаряжается через Rб2 с тенденцией к перемене знака (асимптотическое значение примерно равно -ЕСМ), поэтому пересечение кривой разряда UC2(t) с линией Uб=0 происходит круто, что способствует стабильности времени Т2. Для анализа процесса перезаряда конденсатора обратимся к более удобной эквивалентной схеме (рис. 4). Рис. 4
Составим и решим дифференциальное уравнение для этого случая. Для узла «а» 1-й закон Кирхгофа дает: IC=IK0+IRб, т. е. , , (2) где t=RбС. Для однородного уравнения: , (3) общее решение известно: . (4) Общее решение неоднородного уравнения (2) получим, прибавив к общему однородному решению U’C частное неоднородное решение U”C, равное, например, UC(¥): , . Константа интегрирования А определяется из начальных условий: , , . Поскольку Uб(T2)=0, то , откуда . (5) Оценка величин даёт: EK=(1,5¸15)В, ЕСМ»EК, 0,2В³UKH, 0,4В³UбH, IK0£10 мкА. Если пренебречь UKH+UбН и IK0(Rб2-RK) по сравнению с ЕК и ЕСМ, то получим IК0£(0,1¸1) В. . (6) Иногда ЕСМ делают регулируемой для регулировки Т. Если такая регулировка не нужна, то выгоднее всего сделать ЕСМ=ЕК, т. е. Rб1 и Rб2 подключить к -ЕК. В этом случае . (7) Для времени закрытого состояния второго транзистора (Т) получаем аналогичные выражения. Каждое из квазиустойчивых состояний повторяется через время, равное периоду колебаний: Т=Т1+Т2. Импульсы, генерируемые мультивибратором, имеют отклонения от П-образной формы. Особенно это заметно на отрицательном перепаде напряжения UK (c UKH на –ЕК), который происходит не очень быстро (рис. 3). Обозначим это время tф- (длительность фронта отрицательного перепада). Такой «плавный» перепад напряжения получается потому, что в это время заряжается конденсатор, подключенный одной обкладкой к коллектору данного запирающегося транзистора, а второй — к эмиттеру (через открытый переход база — эмиттер открытого транзистора), т. е. UK=UбH+UC (рис. 5). Рис. 5
Процесс установления коллекторного напряжения запертого транзистора, очевидно, подчиняется закону: . Поскольку UK на конечном участке этого процесса приближается к –EK асимптотически, то по этой причине за tф- считают время установления UK лишь до уровня 0,9EK, т. е. , откуда, при условии , получаем: . (8) Можно, однако, уменьшить tф- и сделать его примерно равным tф+, если зарядный ток времязадающих конденсаторов пропустить мимо RK1 и RK2, отключив конденсаторы на это время от коллекторов с помощью отключающих диодов (рис. 6). Рис. 6
Запирающийся транзистор, например, VT2, запирает диод VD2, после чего разрядка С1 происходит по цепи эмиттер - база VT1 и резистор R2. Отпирающийся транзистор отпирает диод, и отрицательная обкладка конденсатора через диод и транзистор оказывается подключенной к эмиттеру второго транзистора, а положительная — к базе, а в остальном работа схемы происходит как обычно. Чтобы сильно не увеличивать время восстановления схемы (время заряда конденсаторов), величину сопротивлений R1 и R2 выбирают равной: R=(0,1¸0,3)Rб. (9) Величина сопротивления Rб не только определяет время закрытого состояния транзистора, но и режим его в открытом состоянии (насыщен — не насыщен). Зависимость коллекторного тока транзистора от тока базы в схеме с общим эмиттером имеет вид, как показано на рис. 7.
Рис. 7
IKH — максимальный ток коллектора (насыщенного транзистора): , IбН — ток базы начала насыщения: . Если Iб ³ IбН, то транзистор насыщен, иначе — нет. Найдем условие насыщения. После заряда конденсатора в цепи базы открытого транзистора (за время восстановления) в ней установится ток: , тогда для насыщения необходимо, чтобы , что при ЕСМ=ЕК дает: . (10) Глубина насыщения характеризуется величиной: . (11) Лабораторные задания В экспериментальной схеме установки (рис. 8) используются элементы: VT1 и VT2 — транзисторы МП20Б, С1= С2 = 0.022 мкФ, VD1 и VD2 — диоды Д311А, RK1 = RK2 = 8.2 кОм, R1 = R2 = 51 кОм. Для рис. 1 Rб1 = Rб2 =51 кОм, для рис. 6 (мультивибратор с отключающимися диодами) Rб1 = Rб2 =220 кОм. 3.1. Смонтировать и наладить схему мультивибратора по рис. 1. Вместо диодов следует использовать шунты. 3.2. Снять временные диаграммы напряжений на коллекторе (UK) и базе (Uб) каждого транзистора и измерить потенциалы, соответствующие открытому и закрытому состояниям каждого транзистора, а также длительность этих состояний (Т1 и Т2) и время переднего фронта (tф-) и заднего (tф+). Измеренные значения сравнить с расчетными (теоретическими). Все 4 временные диаграммы должны быть сняты в едином масштабе, с одним и тем же началом координат и расположены друг под другом на 1-й стороне листа. Лучше всего в этом случае для измерений подходит 4-лучевой осциллограф. Однако же можно обойтись и 2-лучевым (и даже 1-лучевым) осциллографом, если учесть, что исследуемые сигналы периодические и в каждом периоде их взаимное временное положение повторяется. Для снятия осциллограмм нужно развертку осциллографа синхронизировать от одного и того же сигнала (режим внешней синхронизации), а сигналы на входы «Y» подавать поочередно (в 2-лучевом осциллографе — попарно), например, UK1 и UБ1, потом UK2 и UБ2. 3.3. Смонтировать схему мультивибратора с улучшенной формой напряжения (с отключающимися диодами) (рис. 6). Измерить длительность фронтов и сравнить ее с таковой в первой схеме (без диодов).
Рис. 8 Содержание отчета Отчет должен содержать: 4.1. Обе исследуемые схемы мультивибратора. 4.2. Рабочие формулы расчета параметров импульсов. 4.3. Эскизы напряжений в цепях коллектора и базы. 4.4. Анализ рассчитанных и измеренных параметров импульсов.
5. Контрольные вопросы 1. Почему колебания мультивибратора имеют почти прямоугольную форму? От чего зависит импульсная амплитуда этих колебаний и длительность переднего фронта? 2. Почему мультивибратор генерирует колебания? 3. Каковы ограничения на выбор величин RK1 и RK2? 4. Что определяет длительность периода колебаний мультивибратора и из каких частей он состоит? 5. Каковы ограничения на выбор величины Rб1 и Rб2?
Литература 1. Молчанов А. П., Занадворов П. М. Курс электротехники и радиотехники. М.: Наука, 1976. С. 410—415, 421—424, 146—150. 2. Кабардин О. Ф. Транзисторная электроника. М.: Просвещение, 1972. 3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред. Н. Н. Горюнова. М.: Энергия, 1977. 4. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам / Под ред. Шалимовой К. В. М.: Высшая школа, 1968.
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (791)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |