Multiwibrator: Różnice pomiędzy wersjami

[wersja nieprzejrzana][wersja nieprzejrzana]
Usunięta treść Dodana treść
Alexbot (dyskusja | edycje)
Poprawiłem opisy działania na bardziej szczegółowe, dodałem wzory (przybliżone) i warunki dobierania elementów
Linia 1:
'''Multiwibrator''' - Układ elektroniczny, zrealizowany w oparciu o [[przekaźnik|przekaźniki elektromechaniczne]], [[lampa elektronowa|lampy]] (w tym [[lampa neonowa|neonówki]]), [[tranzystor]]y, [[dioda tunelowa|diody tunelowe]] bądź inne elementy przełączające, posiadający dwa lub więcej stanystanów równowagi trwałej bądź nietrwałej.
 
== Multiwibrator dwubiegunowydwustanowy bistabilny ==
<center>[[Plik:Transistor Bistable.svg]]</center>
Jest to multiwibrator o dwudwóch stanach stabilnych, tj. posiada dwa [[punkt pracy|punkty pracy]], w których równowaga układu jest trwała. Przejście z jednego stanu trwałego do drugiego następuje poprzez wprowadzenie impulsu z zewnątrz (w podanym przykładzie poprzez podanie krótkiego impulsu ujemnego na bazę tego tranzystora, który ma zostać wyłączony).
=== Działanie ===
Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 przewodzi; wówczas na jego kolektorze napięcie jest bliskie 0, więc(równe poprzeznapięciu rezystornasycenia R3tranzystora <math>Uce_{sat}</math>). To napięcie najest baziepodawane Q2przez jestrezystor bliskieR3 zero,na tranzystorbazę tranzystora Q2, przez co jest zatkanyon niewysterowany, napięcie na jego kolektorze jest bliskie napięciu +V. Napięcie to, takpodane więcprzez napięcierezystor R4 na baziebazę Q1, jestpodtrzymuje dodatniejego istan tranzystornasycenia. przewodziMamy -więc stan jest stabilny układu.
 
Jeżeli teraz do bazy Q1 (wejście "Reset" na rysunku) doprowadzony zostanie impuls ujemny o amplitudzie i czasie trwania wystarczającym do zatkania tego tranzystora, wówczasto: przestaje płynąć prąd kolektora -> zmniejsza się znacznie spadek napięcia na rezystorze R1 -> rośnie napięcie na kolektorze tranzystora Q1 staje-> sięzaczyna bliskiepłynąć napięciuprąd zasilania,bazy coQ2 załącza-> tranzystorzaczyna płynąć prąd kolektora Q2, napięcie-> rośnie spadek napięcia na jegorezystorze R2 -> obniża się napięcie na kolektorze spadaQ2 do(tranzystor wartościwchodzi bliskiejw zero,stan nasycenia) -> niski poziom napięcia na kolektorze Q2 przez rezystor coR4 podtrzymuje stan zatkaniawyłączenia tranzystora Q1, nawet- układ jest pow zakończeniudrugim impulsustanie zewnętrznegostabilnym.
 
Z punktu widzenia [[technika cyfrowa|techniki cyfrowej]], jeżeli jako wyjścia traktować kolektory tranzystorów, przedstawiony wyżej układ zachowuje się jako [[przerzutnik]] RS wyzwalany poziomem.
 
Stan, w którym oba wejścia '''multiwibratora bistabilnego''' są wysterowane nazywany jest [[stan zabroniony|stanem zabronionym]], jednak nie ze względu na to, że powoduje on uszkodzenie układu, ale ze względu na fakt, iż stan ten zaprzecza [[algebra Boole'a|równaniu logicznemu]] wyjść przerzutnika RS (Q<sub>1</sub>=~Q<sub>2</sub>), ponieważ wówczas po prostu na kolektorach '''obydwu''' tranzystorów pojawi się stan wysoki napięcia (w przybliżeniu napięcie dodatniezasilania V+).
 
Jeżeli wejścia Set i Reset podłączone zostaną przez [[kondensator]]y o niewielkiej pojemności, układ będzie pracował jako [[przerzutnik typu RS]] wyzwalany zboczem.
Linia 20:
<center>[[Plik:Multiwibrator Bistab D.png]]</center>
 
Obwód ten był bardzo popularny przed pojawieniem się [[układ scalony|układów scalonych]] jako dzielnik częstotliwości, spotykany(podział bywaprzez np.2), używany był w niektórychanalogowych typachinstrumentach elektronicznych, np. [[organy Hammonda|organóworganach elektronowychelektronicznych]].
 
== Multiwibrator dwubiegunowydwustanowy monostabilny ==
<center>[[Plik:Transistor Monostable.svg]]</center>
Inaczej '''uniwibrator''', Jest to multiwibrator o jednym stanie równowagi trwałej i jednym nietrwałej.
 
=== Działanie ===
W stanie równowagi trwałej tranzystor Q2 przewodzi a Q1 jest zatkany. Kondensator C1 jest naładowany do napięcia zasilania pomniejszonego o spadek napięcia na przewodzącym złączu baza-emiter tranzystora Q2 spolaryzowanego przez rezystor R2.
 
Jeżeli do bazy Q2 zostanie doprowadzony impuls ujemny, to tranzystor wyłączy się i na kolektorzejego Q2kolektorze pojawi się napięcie bliskie +V, które przez rezystor R4 wprowadzi tranzystor Q1 w stan przewodzenia. Napięcie na kolektorze Q1 spadnie do wartości bliskiej zero,. aPonieważ więckondensator jednocześnieC spadniebył napięcienaładowany to skok napięcia na baziekolektorze Q1 przeniesie się na bazę Q2 z przesunięciem w stronę wartości ujemnych o wartość napięcia na kondensatorze (wynika to z własności [[kondensator]]a - napięcie na jego okładkach nie może zmienić się w sposób gwałtowny). Kondensator C1 zaczyna ładować się poprzez rezystor R2; w momencie, gdy napięcie na bazie Q2 jest wystarczające do załączenia tego tranzystora, napięcie na kolektorze Q2 spada do wartości bliskiej 0, tranzystor Q1 zostaje odcięty, kondensator C rozładowuje się poprzez R4, stan przewodzenia Q2 jest utrzymywany przez rezystor R2 - układ powrócił do stanu stabilnego..
Na bazie tranzystora Q2 mamy teraz napięcie:
 
 
<center><math>Ub2\ =\ Uc1\ -\ (V_+\ -\ Ube)</math></center>
 
 
Ub2 - napięcie na bazie Q2
 
Uc1 - napięcie na kolektorze nasyconego tranzystora Q1 (zależnie od prądu kolektora Q1, do 0.25V)
 
V+ - napięcie zasilania
 
Ube - napięcie na przewodzącym złączu baza-emiter (ok. 0.7V)
 
 
Kondensator C1 zaczyna ładować się poprzez rezystor R2, napięcie na bazie tranzystora Q2 zaczyna narastać i gdy osiągnie napięcie przewodzenia złącza baza-emiter Q2 (ok. 0.6-0.7V) to tranzystor ten zacznie przewodzić -> obniży się poziom napięcia na jego kolektorze (do poziomu napięcia nasycenia )-> ponieważ napięcie nasycenia jest niższe od napięcia przewodzenia złącza B-E, to przestaje płynąć prąd bazy Q1 i tranzystor ten wyłącza się
-> przestaje płynąć prąd kolektora Q1 -> kondensator C1 zaczyna się ładować do stanu wyjściowego przez rezystor R1. Po naładowaniu się kondensatora C1, układ jest gotowy do następnego wyzwolenia.
 
Czas trwania stanu przewodzenia Q1, nazywany też czasem regeneracji, jest proporcjonalny do [[stała czasowa|stałej czasowej]] R2C1. i wynosi w przybliżeniu:
 
 
<center><math>t\approx\ 0.7\ *\ R2\ *\ C1</math></center>
 
 
'''Uwaga:''' Jeżeli napięcie zasilania V+ jest większe od 5 - 6V to w układzie włącza się dodatkowo, szeregowo z bazą Q2 diodę półprzewodnikową małej mocy zabezpieczającą ten tranzystor przed uszkodzeniem w momencie gdy na jego bazie pojawia się duże ujemne napięcie (moment wyzwolenia). Wynika to z faktu, że współczesne tranzystory mają niskie napięcie przebicia złącza baza-emiter, przy polaryzacji wsteczne, wynoszące ok. 5 - 6 V.
 
Czas trwania stanu przewodzenia Q1, nazywany też czasem regeneracji, jest proporcjonalny do [[stała czasowa|stałej czasowej]] R2C1.
 
Ze względu na zachowanie w układzie multiwibratory monostabilne można podzielić na:
Linia 47 ⟶ 71:
 
=== Zastosowanie ===
Klasycznym przykładem wykorzystania uniwibratora jest oświetlenie na klatce schodowej: krótkie naciśnięcie przycisku powoduje załączenie oprawzasilania lamp na czas znacznie dłuższy. Układ stosuje się również w celu wyeliminowania szumudrgań zestyków przełącznikaprzełączników (w momencie przełączania styki wyłącznika odbijają się kilkukrotnie od siebie nim zetkną się na stałe).
 
== Multiwibrator dwubiegunowydwustanowy astabilny ==
<center>[[Plik:Transistor Multivibrator.svg]]</center>
Jest to układ przechodzący cyklicznie z jednego do drugiego stanu równowagi nietrwałej, jest zatem odmianą [[oscylator relaksacyjny|generatora relaksacyjnego]].
 
=== Działanie ===
Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 właśnie się załączył; napięcie na jego kolektorze spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q2 spada do zera i Q2 wyłącza się, napięcie na jego kolektorze wzrasta do +V w miarę jak kondensator C2 ładuje się poprzez rezystor R4, w tym czasie kondensator C1 ładuje się poprzez rezystor R2 do wartości, która pozwala na załączenie Q2. Gdy to nastąpi, napięcie na kolektorze Q2 spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q1 spada do zera i tranzystor ten zatyka się. Kondensator C1 rozładowuje się poprzez rezystor R1, a kondensator C2 ładuje się poprzez rezystor R3 do wartości, która pozwala na załączenie Q1 -- cykl powtarza się.
 
Po włączeniu zasilania, ze względu na niesymetrię istniejącą w układach rzeczywistych (różne wzmocnienia tranzystorów, tolerancje wartości rezystorów) jeden z tranzystorów zaczyna przewodzić trochę szybciej od drugiego, przez co napięcie na jego kolektorze spada trochę szybciej niż na drugim. Skok napięcia przenosi się przez częściowo naładowany kondensator sprzęgający powodując zatkanie drugiego tranzystora. Powiedzmmy, że w naszym układzie Q1 był szybszy. W układzie ustala się nastepujący stan: Q1 przewodzi, Q2 zatkany, C1 rozładowuje się przez R2 i przewodzący tranzystor Q1, C2 ładuje się przez R4 i przewodzące złącze baza-emiter tranzystora Q1. W tym stanie na skutek ładowania się C2, narasta napięcie na kolektorze Q2, ze stałą czasową R4*C1 (dlatego też zbocza narastające przebiegów na kolektorach tranzystorów nie są ostre). Na skutek rozładowywania się C1 przez R2 narasta napięcie na bazie Q2, gdy osiągnie ono wartość ok. 0.6 - 0.7V, to tranzystor Q2 zacznie przewodzić -> spada gwałtownie napięcie na jego kolektorze -> skok napięcia przeniesiony przez naładowany kondensator C2 -> wymusza duże ujemne (względem masy) napięcie zatykające tranzystor Q1 -> zaczyna się ładować kondensator C1 przez rezystor R1 (stała czasowa R1*C1) i przewodzące złącze baza-emiter Q2 (podtrzymując tym stan jego włączenia). Po naładowaniu się C1 stan nasycenia tranzystora Q2 jest podtrzymywany przez prąd płynący do jego bazy przez rezystor R2. W tym miejscu nastąpiło zakończenie akcji przerzutu układu.
Okres drgań obwodu jest proporcjonalny do sumy stałych czasowych C1R2 i C2R3; przy czym czasy regeneracji obu połówek generatora nie muszą być równe. W praktyce maksymalna asymetria, lub [[współczynnik wypełnienia]], wynosi 1:50.
Stan ten będzie trwał do momentu gdy napięcie na rozładowujacym się kondensatorze C2 (lewa okładka) osiągnie wartość przewodzenia tranzystora Q1 (czyli w ok. wartości 0.6 - 0.7V).
 
Dla prawidłowej pracy układu konieczne jest zapewnienie w układzie, że stałe czasowe ładowania kondensatorów będą dużo mniejsze (4.6 razy i więcej) niż stałe czasu ich rozładowania, tj.
 
 
<center><math>R2\ *\ C1\ >\ 4.6\ *\ R1\ *\ C1</math> oraz <math>R3\ *\ C2\ >\ 4.6\ *\ R4\ *\ C2</math></center>
 
 
ma to na celu zapewnienie, że dany kondensator będzie w pełni naładowany w momencie rozpoczęcia przerzutu.
 
Drugi warunek to takie dobranie rezystorów (pary R1, R3 i R4, R2) by tranzystory się nasycały, tj. był spełniony warunek:
 
 
<center><math>\frac{V_+\ -\ Ube}{R3}\ *\ \beta1\ >>\ \frac{V_+\ -\ Uce_{sat}}{R1} </math></center>
 
oraz
 
<center><math>\frac{V_+\ -\ Ube}{R2}\ *\ \beta2\ >>\ \frac{V_+\ -\ Uce_{sat}}{R4} </math></center>
 
 
<math>\beta</math> - wzmocnienie prądowe tranzystora (oznaczane też w katalogach jako h21E <- E duże)
 
 
(we wzorach są różne parametry wzmocnienia, ponieważ w rzeczywistych układach tranzystory mają różną
wartość tego parametru, ze względu na rozrzuty produkcyjne pomiędzy poszczególnyumi egzemplarzami.
 
Ponieważ w momencie włączenia zasilania wartości napięć na kondensatorach nie są precyzyjnie ustalone to pierwszy-drugi okres przebiegu mają krótszy czas trwania niż to wynika z wzorów obliczeniowych.
 
Czas trwania włączenia Q1 (stan niski na jego kolektorze), przy spełnionym warunku doboru stałychh czasowych:
 
 
<center><math>t1\approx\ 0.7\ *\ R2\ C1</math></center>
 
 
Czas trwania włączenia Q2 (stan niski na jego kolektorze),
 
 
<center><math>t2\approx\ 0.7\ *\ R3\ C2</math></center>
 
 
okres drgań multiwibratora:
 
 
<center><math>T=t1+t2\approx\ 0.7\ *\ (R2\ *\ C1\ +\ R3\ *\ C2)</math> [s]</center>
 
 
częstotliwość:
 
 
<center><math>f=\frac{1}{T}\approx\ \frac{1}{0.7\ *\ (R2\ *\ C1\ +\ R3\ *\ C2})</math> [Hz]</center>
 
 
Czasy trwania obu faz pracy multiwibratora. W praktyce maksymalna asymetria, lub [[współczynnik wypełnienia]], wynosi 1:50.
 
W układzie idealnym (symulacja w programie komputerowym, np. [[NAP]], [[PSPICE]]) samoistny start układu nie nastąpi, ponieważ program najpierw wylicza tzw. punkt pracy układu (tj. napięcia na poszczególnych węzłach) bez uwzględnienia istnienia pojemności w układzie, a ze względu na idealną symetrię wartości elementów, w układzie ustalą się symetryczne napięcia, tj. oba tranzystory przewodzą -> na obu kolektorach jest stan niski. W momencie rozpoczęcia analizy czasowej układ nie jest w stanie przejść samoistnie do normalnej pracy astabilnej, bo na obu kondensatorach jest takie same napięcie. Wyjściem z tej sytuacji jest sztuczne wprowadzenie asymetrii w układzie (np. różne wzmocnienia tranzystorów, trochę różne wartości rezystorów kolektorowych) lub wymuszenie jednego ze stanów niestabilnych przez ręczne ustawienie napięć na kolektorach tranzystorów (na jednym 0 a na drugim napięcie zasilania).
 
 
'''Podobnie jak w układzie monostabilnym, przy napięciach zasilania wyższych niż 5-6V należy stosować szeregowe diody zabezpieczające złącza baza-emiter tranzystorów przed przebiciem wstecznym !!!'''
 
 
W układach, w których rezystory R2 i R3 są zmienne (przy uwzględnieniu wymienionych wyżej ograniczeń), możliwe są następujące rodzaje regulacji:
Szczegółowa analiza stanu po załączeniu obwodu jak na powyższym rysunku, wykonana za pomocą programu do symulacji obwodów elektronicznych (np. [[NAP]], [[PSPICE]]) pokazuje, że w idealnie symetrycznym obwodzie niemożliwe jest wzbudzenie drgań: kondensatory C1 i C2 ładują się poprzez identyczne rezystory R2 i R3, w pewnym momencie oba tranzystory Q1 i Q2 otwierają się jednocześnie i układ osiąga stan równowagi. W praktyce problem ten nie występuje ze względu na niezerową [[tolerancja|tolerancję]] wartości elementów.
 
W układach, w których rezystory R2 i R3 są zmienne, możliwe są następujące rodzaje regulacji:
* zmiana częstotliwości przy stałym czasie trwania jednej (dodatniej lub ujemnej) części impulsu (zmiana wartości jednego z rezystorów);
* zmiana częstotliwości przy stałym wypełnieniu (zmiana wartości obu rezystorów jednocześnie przy stałym ich stosunku);